We present a multi-view inverse rendering method for large-scale real-world indoor scenes that reconstructs global illumination and physically-reasonable SVBRDFs. Unlike previous representations, where the global illumination of large scenes is simplified as multiple environment maps, we propose a compact representation called Texture-based Lighting (TBL). It consists of 3D meshs and HDR textures, and efficiently models direct and infinite-bounce indirect lighting of the entire large scene. Based on TBL, we further propose a hybrid lighting representation with precomputed irradiance, which significantly improves the efficiency and alleviate the rendering noise in the material optimization. To physically disentangle the ambiguity between materials, we propose a three-stage material optimization strategy based on the priors of semantic segmentation and room segmentation. Extensive experiments show that the proposed method outperforms the state-of-the-arts quantitatively and qualitatively, and enables physically-reasonable mixed-reality applications such as material editing, editable novel view synthesis and relighting. The project page is at https://lzleejean.github.io/TexIR.

我们提出了一种从单个图像中编辑复杂室内照明的方法，其深度和光源分割掩码。这是一个极具挑战性的问题，需要对复杂的光传输进行建模，并仅通过对场景的部分LDR观察，将HDR照明从材料和几何形状中解散。我们使用两个新颖的组件解决了这个问题：1）一种整体场景重建方法，该方法估计场景反射率和参数3D照明，以及2）一个神经渲染框架，从我们的预测中重新呈现场景。我们使用基于物理的室内光表示，可以进行直观的编辑，并推断可见和看不见的光源。我们的神经渲染框架结合了基于物理的直接照明和阴影渲染，深层网络近似于全球照明。它可以捕获具有挑战性的照明效果，例如柔软的阴影，定向照明，镜面材料和反射。以前的单个图像逆渲染方法通常纠缠场景照明和几何形状，仅支持对象插入等应用程序。取而代之的是，通过将参数3D照明估计与神经场景渲染相结合，我们演示了从单个图像中实现完整场景重新确定（包括光源插入，删除和替换）的第一种自动方法。所有源代码和数据将公开发布。

Indoor scenes typically exhibit complex, spatially-varying appearance from global illumination, making inverse rendering a challenging ill-posed problem. This work presents an end-to-end, learning-based inverse rendering framework incorporating differentiable Monte Carlo raytracing with importance sampling. The framework takes a single image as input to jointly recover the underlying geometry, spatially-varying lighting, and photorealistic materials. Specifically, we introduce a physically-based differentiable rendering layer with screen-space ray tracing, resulting in more realistic specular reflections that match the input photo. In addition, we create a large-scale, photorealistic indoor scene dataset with significantly richer details like complex furniture and dedicated decorations. Further, we design a novel out-of-view lighting network with uncertainty-aware refinement leveraging hypernetwork-based neural radiance fields to predict lighting outside the view of the input photo. Through extensive evaluations on common benchmark datasets, we demonstrate superior inverse rendering quality of our method compared to state-of-the-art baselines, enabling various applications such as complex object insertion and material editing with high fidelity. Code and data will be made available at \url{https://jingsenzhu.github.io/invrend}.

给定一组场景的图像，从新颖的观点和照明条件中重新渲染了这个场景是计算机视觉和图形中的一个重要且具有挑战性的问题。一方面，计算机视觉中的大多数现有作品通常对图像形成过程（例如直接照明和预定义的材料，以使场景参数估计可进行。另一方面，成熟的计算机图形工具允许对所有场景参数进行复杂的照片现实光传输的建模。结合了这些方法，我们通过学习神经预先计算的辐射转移功能，提出了一种在新观点下重新考虑的场景方法，该方法使用新颖的环境图隐含地处理全球照明效应。在单个未知的照明条件下，我们的方法可以仅在场景的一组真实图像上进行监督。为了消除训练期间的任务，我们在训练过程中紧密整合了可区分的路径示踪剂，并提出了合成的OLAT和真实图像丢失的组合。结果表明，场景参数的恢复分离在目前的现状，因此，我们的重新渲染结果也更加现实和准确。

传统的多视图光度立体声（MVP）方法通常由多个不相交阶段组成，从而导致明显的累积错误。在本文中，我们提出了一种基于隐式表示的MVP的神经反向渲染方法。给定通过多个未知方向灯照亮的非陆层物体的多视图图像，我们的方法共同估计几何形状，材料和灯光。我们的方法首先采用多光图像来估计每视图正常地图，这些图用于使从神经辐射场得出的正态定向。然后，它可以根据具有阴影可区分的渲染层共同优化表面正态，空间变化的BRDF和灯。优化后，重建的对象可用于新颖的视图渲染，重新定义和材料编辑。合成数据集和真实数据集的实验表明，与现有的MVP和神经渲染方法相比，我们的方法实现了更准确的形状重建。我们的代码和模型可以在https://ywq.github.io/psnerf上找到。

Google Research Basecolor Metallic Roughness Normal Multi-View Images NeRD Volume Decomposed BRDF Relighting & View synthesis Textured MeshFigure 1: Neural Reflectance Decomposition for Relighting. We encode multiple views of an object under varying or fixed illumination into the NeRD volume.We decompose each given image into geometry, spatially-varying BRDF parameters and a rough approximation of the incident illumination in a globally consistent manner. We then extract a relightable textured mesh that can be re-rendered under novel illumination conditions in real-time.

我们提出了一种有效的方法，用于从多视图图像观察中联合优化拓扑，材料和照明。与最近的多视图重建方法不同，通常在神经网络中产生纠缠的3D表示，我们将三角形网格输出具有空间不同的材料和环境照明，这些方法可以在任何传统的图形引擎中未修改。我们利用近期工作在可差异化的渲染中，基于坐标的网络紧凑地代表体积纹理，以及可微分的游行四边形，以便直接在表面网上直接实现基于梯度的优化。最后，我们介绍了环境照明的分流和近似的可分辨率配方，以有效地回收全频照明。实验表明我们的提取模型用于高级场景编辑，材料分解和高质量的视图插值，全部以三角形的渲染器（光栅化器和路径示踪剂）的交互式速率运行。

我们解决了从由一个未知照明条件照射的物体的多视图图像（及其相机姿势）从多视图图像（和它们的相机姿势）恢复物体的形状和空间变化的空间变化的问题。这使得能够在任意环境照明下呈现对象的新颖视图和对象的材料属性的编辑。我们呼叫神经辐射分解（NERFVERTOR）的方法的关键是蒸馏神经辐射场（NERF）的体积几何形状[MILDENHALL等人。 2020]将物体表示为表面表示，然后在求解空间改变的反射率和环境照明时共同细化几何形状。具体而言，Nerfactor仅使用重新渲染丢失，简单的光滑度Provers以及从真实学中学到的数据驱动的BRDF而无任何监督的表面法线，光可视性，Albedo和双向反射率和双向反射分布函数（BRDF）的3D神经领域-world brdf测量。通过显式建模光可视性，心脏请能够将来自Albedo的阴影分离，并在任意照明条件下合成现实的软或硬阴影。 Nerfactor能够在这场具有挑战性和实际场景的挑战和捕获的捕获设置中恢复令人信服的3D模型进行令人满意的3D模型。定性和定量实验表明，在各种任务中，内容越优于基于经典和基于深度的学习状态。我们的视频，代码和数据可在peoptom.csail.mit.edu/xiuming/projects/nerfactor/上获得。

可区分渲染的最新进展已实现了从多视图图像中对3D场景的高质量重建。大多数方法都依赖于简单渲染算法：预滤波的直接照明或学习的辐照度表示。我们表明，更现实的阴影模型，结合了射线追踪和蒙特卡洛整合，大大改善了形状，材料和照明的分解。不幸的是，即使在大型样本计数下，蒙特卡洛集成也能提供巨大的噪音，这使得基于梯度的逆渲染非常具有挑战性。为了解决这个问题，我们将多重重要性采样和降解纳入新的逆渲染管道中。这显着改善了收敛性，并在低样本计数下实现了基于梯度的优化。我们提出了一种有效的方法，可以共同重建几何形状（显式三角形网格），材料和照明，与以前的工作相比，它显着改善了材料和光分离。我们认为，Denoising可以成为高质量逆渲染管道的组成部分。

我们提出了一种新的方法来获取来自在线图像集合的对象表示，从具有不同摄像机，照明和背景的照片捕获任意物体的高质量几何形状和材料属性。这使得各种以各种对象渲染应用诸如新颖的综合，致密和协调的背景组合物，从疯狂的内部输入。使用多级方法延伸神经辐射场，首先推断表面几何形状并优化粗估计的初始相机参数，同时利用粗糙的前景对象掩模来提高训练效率和几何质量。我们还介绍了一种强大的正常估计技术，其消除了几何噪声的效果，同时保持了重要细节。最后，我们提取表面材料特性和环境照明，以球形谐波表示，具有处理瞬态元素的延伸部，例如，锋利的阴影。这些组件的结合导致高度模块化和有效的对象采集框架。广泛的评估和比较证明了我们在捕获高质量的几何形状和外观特性方面的方法，可用于渲染应用。

大多数室内3D场景重建方法都致力于恢复3D几何和场景布局。在这项工作中，我们超越了这一点提出Photoscene，该框架是一个场景的输入图像以及大约对齐的CAD几何（自动或手动指定的重建），并构建具有高质量材料和高质量材料和高质量的材料的photorealistic Digital Twin类似的照明。我们使用程序材料图对场景材料进行建模；这样的图代表了逼真的和分辨率无关的材料。我们优化了这些图的参数及其纹理量表和旋转，以及场景照明，以通过可区分的渲染层最好地匹配输入图像。我们评估了从扫描仪，Sun RGB-D和库存照片的对象和布局重建的技术，并证明我们的方法重建高质量的，完全可重新可重新可重新的3D场景，这些场景可以在任意观点，Zooms和Lighting下重新渲染。

照片中的户外场景的照片拟实的编辑需要对图像形成过程的深刻理解和场景几何，反射和照明的准确估计。然后可以在保持场景Albedo和几何形状的同时进行照明的微妙操纵。我们呈现NERF-OSR，即，基于神经辐射场的户外场景复兴的第一种方法。与现有技术相比，我们的技术允许仅使用在不受控制的设置中拍摄的户外照片集合的场景照明和相机视点。此外，它能够直接控制通过球面谐波模型所定义的场景照明。它还包括用于阴影再现的专用网络，这对于高质量的室外场景致密至关重要。为了评估所提出的方法，我们收集了几个户外站点的新基准数据集，其中每个站点从多个视点拍摄和不同的时间。对于每个定时，360度环境映射与颜色校准Chequerboard一起捕获，以允许对实际真实的真实数据进行准确的数值评估。反对本领域的状态的比较表明，NERF-OSR能够以更高的质量和逼真的自阴影再现来实现可控的照明和视点编辑。我们的方法和数据集将在https://4dqv.mpi-inf.mpg.de/nerf-OSR/上公开可用。

Human modeling and relighting are two fundamental problems in computer vision and graphics, where high-quality datasets can largely facilitate related research. However, most existing human datasets only provide multi-view human images captured under the same illumination. Although valuable for modeling tasks, they are not readily used in relighting problems. To promote research in both fields, in this paper, we present UltraStage, a new 3D human dataset that contains more than 2K high-quality human assets captured under both multi-view and multi-illumination settings. Specifically, for each example, we provide 32 surrounding views illuminated with one white light and two gradient illuminations. In addition to regular multi-view images, gradient illuminations help recover detailed surface normal and spatially-varying material maps, enabling various relighting applications. Inspired by recent advances in neural representation, we further interpret each example into a neural human asset which allows novel view synthesis under arbitrary lighting conditions. We show our neural human assets can achieve extremely high capture performance and are capable of representing fine details such as facial wrinkles and cloth folds. We also validate UltraStage in single image relighting tasks, training neural networks with virtual relighted data from neural assets and demonstrating realistic rendering improvements over prior arts. UltraStage will be publicly available to the community to stimulate significant future developments in various human modeling and rendering tasks.

将现有的旅游照片从部分捕获的场景扩展到完整的场景是摄影应用的理想体验之一。尽管对照片的外推进行了充分的研究，但是将照片（即自拍照）从狭窄的视野推断到更广阔的视野，同时保持相似的视觉样式是更具挑战性的。在本文中，我们提出了一个分解的神经重新渲染模型，以从混乱的户外互联网照片集中产生逼真的新颖观点，该视图可以使应用程序包括可控场景重新渲染，照片外推甚至外推3D照片生成。具体而言，我们首先开发出一种新颖的分解重新渲染管道，以处理几何，外观和照明分解中的歧义。我们还提出了一种合成的培训策略，以应对互联网图像中意外的阻塞。此外，为了推断旅游照片时增强照片现实主义，我们提出了一个新颖的现实主义增强过程来补充外观细节，该过程会自动传播质地细节，从狭窄的捕获照片到外推神经渲染图像。室外场景上的实验和照片编辑示例证明了我们在照片现实主义和下游应用中提出的方法的出色性能。

This paper studies how to flexibly integrate reconstructed 3D models into practical 3D modeling pipelines such as 3D scene creation and rendering. Due to the technical difficulty, one can only obtain rough 3D models (R3DMs) for most real objects using existing 3D reconstruction techniques. As a result, physically-based rendering (PBR) would render low-quality images or videos for scenes that are constructed by R3DMs. One promising solution would be representing real-world objects as Neural Fields such as NeRFs, which are able to generate photo-realistic renderings of an object under desired viewpoints. However, a drawback is that the synthesized views through Neural Fields Rendering (NFR) cannot reflect the simulated lighting details on R3DMs in PBR pipelines, especially when object interactions in the 3D scene creation cause local shadows. To solve this dilemma, we propose a lighting transfer network (LighTNet) to bridge NFR and PBR, such that they can benefit from each other. LighTNet reasons about a simplified image composition model, remedies the uneven surface issue caused by R3DMs, and is empowered by several perceptual-motivated constraints and a new Lab angle loss which enhances the contrast between lighting strength and colors. Comparisons demonstrate that LighTNet is superior in synthesizing impressive lighting, and is promising in pushing NFR further in practical 3D modeling workflows. Project page: https://3d-front-future.github.io/LighTNet .

我们考虑了户外照明估算的挑战性问题，即影像逼真的虚拟对象将其插入照片中的目标。现有在室外照明估计的作品通常将场景照明简化为环境图，该图无法捕获室外场景中的空间变化的照明效果。在这项工作中，我们提出了一种神经方法，该方法可以从单个图像中估算5D HDR光场，以及一个可区分的对象插入公式，该公式可以通过基于图像的损失来端对端训练，从而鼓励现实主义。具体而言，我们设计了针对室外场景量身定制的混合照明表示，其中包含一个HDR Sky Dome，可处理太阳的极端强度，并具有体积的照明表示，该代表模拟了周围场景的空间变化外观。通过估计的照明，我们的阴影感知对象插入是完全可区分的，这使得对复合图像的对抗训练可以为照明预测提供其他监督信号。我们在实验上证明，混合照明表示比现有的室外照明估计方法更具性能。我们进一步显示了AR对象插入在自主驾驶应用程序中的好处，在对我们的增强数据进行培训时，我们可以在其中获得3D对象检测器的性能提高。

尽管通过自学意识到，基于多层感知的方法在形状和颜色恢复方面取得了令人鼓舞的结果，但在学习深层隐式表面表示方面通常会遭受沉重的计算成本。由于渲染每个像素需要一个向前的网络推断，因此合成整个图像是非常密集的。为了应对这些挑战，我们提出了一种有效的粗到精细方法，以从本文中从多视图中恢复纹理网格。具体而言，采用可区分的泊松求解器来表示对象的形状，该求解器能够产生拓扑 - 敏捷和水密表面。为了说明深度信息，我们通过最小化渲染网格与多视图立体声预测深度之间的差异来优化形状几何形状。与形状和颜色的隐式神经表示相反，我们引入了一种基于物理的逆渲染方案，以共同估计环境照明和对象的反射率，该方案能够实时呈现高分辨率图像。重建的网格的质地是从可学习的密集纹理网格中插值的。我们已经对几个多视图立体数据集进行了广泛的实验，其有希望的结果证明了我们提出的方法的功效。该代码可在https://github.com/l1346792580123/diff上找到。

综合照片 - 现实图像和视频是计算机图形的核心，并且是几十年的研究焦点。传统上，使用渲染算法（如光栅化或射线跟踪）生成场景的合成图像，其将几何形状和材料属性的表示为输入。统称，这些输入定义了实际场景和呈现的内容，并且被称为场景表示（其中场景由一个或多个对象组成）。示例场景表示是具有附带纹理的三角形网格（例如，由艺术家创建），点云（例如，来自深度传感器），体积网格（例如，来自CT扫描）或隐式曲面函数（例如，截短的符号距离）字段）。使用可分辨率渲染损耗的观察结果的这种场景表示的重建被称为逆图形或反向渲染。神经渲染密切相关，并将思想与经典计算机图形和机器学习中的思想相结合，以创建用于合成来自真实观察图像的图像的算法。神经渲染是朝向合成照片现实图像和视频内容的目标的跨越。近年来，我们通过数百个出版物显示了这一领域的巨大进展，这些出版物显示了将被动组件注入渲染管道的不同方式。这种最先进的神经渲染进步的报告侧重于将经典渲染原则与学习的3D场景表示结合的方法，通常现在被称为神经场景表示。这些方法的一个关键优势在于它们是通过设计的3D-一致，使诸如新颖的视点合成捕获场景的应用。除了处理静态场景的方法外，我们还涵盖了用于建模非刚性变形对象的神经场景表示...

We present a physics-based inverse rendering method that learns the illumination, geometry, and materials of a scene from posed multi-view RGB images. To model the illumination of a scene, existing inverse rendering works either completely ignore the indirect illumination or model it by coarse approximations, leading to sub-optimal illumination, geometry, and material prediction of the scene. In this work, we propose a physics-based illumination model that explicitly traces the incoming indirect lights at each surface point based on interreflection, followed by estimating each identified indirect light through an efficient neural network. Furthermore, we utilize the Leibniz's integral rule to resolve non-differentiability in the proposed illumination model caused by one type of environment light -- the tangent lights. As a result, the proposed interreflection-aware illumination model can be learned end-to-end together with geometry and materials estimation. As a side product, our physics-based inverse rendering model also facilitates flexible and realistic material editing as well as relighting. Extensive experiments on both synthetic and real-world datasets demonstrate that the proposed method performs favorably against existing inverse rendering methods on novel view synthesis and inverse rendering.

隐式辐射功能作为重建和渲染3D场景的照片真实观点的强大场景表示形式出现。但是，这些表示的编辑性差。另一方面，诸如多边形网格之类的显式表示允许易于编辑，但不适合重建动态的人头中的准确细节，例如精细的面部特征，头发，牙齿，牙齿和眼睛。在这项工作中，我们提出了神经参数化（NEP），这是一种混合表示，提供了隐式和显式方法的优势。 NEP能够进行照片真实的渲染，同时允许对场景的几何形状和外观进行细粒度编辑。我们首先通过将3D几何形状参数化为2D纹理空间来解开几何形状和外观。我们通过引入显式线性变形层来启用几何编辑性。变形由一组稀疏的密钥点控制，可以明确和直观地移位以编辑几何形状。对于外观，我们开发了一个混合2D纹理，该纹理由明确的纹理图组成，以易于编辑和隐式视图以及时间相关的残差，以建模时间和视图变化。我们将我们的方法与几个重建和编辑基线进行比较。结果表明，NEP在保持高编辑性的同时达到了几乎相同的渲染精度。