Neural Radiance Field (NeRF), a new novel view synthesis with implicit scene representation has taken the field of Computer Vision by storm. As a novel view synthesis and 3D reconstruction method, NeRF models find applications in robotics, urban mapping, autonomous navigation, virtual reality/augmented reality, and more. Since the original paper by Mildenhall et al., more than 250 preprints were published, with more than 100 eventually being accepted in tier one Computer Vision Conferences. Given NeRF popularity and the current interest in this research area, we believe it necessary to compile a comprehensive survey of NeRF papers from the past two years, which we organized into both architecture, and application based taxonomies. We also provide an introduction to the theory of NeRF based novel view synthesis, and a benchmark comparison of the performance and speed of key NeRF models. By creating this survey, we hope to introduce new researchers to NeRF, provide a helpful reference for influential works in this field, as well as motivate future research directions with our discussion section.

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...

机器学习的最近进步已经创造了利用一类基于坐标的神经网络来解决视觉计算问题的兴趣，该基于坐标的神经网络在空间和时间跨空间和时间的场景或对象的物理属性。我们称之为神经领域的这些方法已经看到在3D形状和图像的合成中成功应用，人体的动画，3D重建和姿势估计。然而，由于在短时间内的快速进展，许多论文存在，但尚未出现全面的审查和制定问题。在本报告中，我们通过提供上下文，数学接地和对神经领域的文学进行广泛综述来解决这一限制。本报告涉及两种维度的研究。在第一部分中，我们通过识别神经字段方法的公共组件，包括不同的表示，架构，前向映射和泛化方法来专注于神经字段的技术。在第二部分中，我们专注于神经领域的应用在视觉计算中的不同问题，超越（例如，机器人，音频）。我们的评论显示了历史上和当前化身的视觉计算中已覆盖的主题的广度，展示了神经字段方法所带来的提高的质量，灵活性和能力。最后，我们展示了一个伴随着贡献本综述的生活版本，可以由社区不断更新。

Generative models, as an important family of statistical modeling, target learning the observed data distribution via generating new instances. Along with the rise of neural networks, deep generative models, such as variational autoencoders (VAEs) and generative adversarial network (GANs), have made tremendous progress in 2D image synthesis. Recently, researchers switch their attentions from the 2D space to the 3D space considering that 3D data better aligns with our physical world and hence enjoys great potential in practice. However, unlike a 2D image, which owns an efficient representation (i.e., pixel grid) by nature, representing 3D data could face far more challenges. Concretely, we would expect an ideal 3D representation to be capable enough to model shapes and appearances in details, and to be highly efficient so as to model high-resolution data with fast speed and low memory cost. However, existing 3D representations, such as point clouds, meshes, and recent neural fields, usually fail to meet the above requirements simultaneously. In this survey, we make a thorough review of the development of 3D generation, including 3D shape generation and 3D-aware image synthesis, from the perspectives of both algorithms and more importantly representations. We hope that our discussion could help the community track the evolution of this field and further spark some innovative ideas to advance this challenging task.

获取房间规模场景的高质量3D重建对于即将到来的AR或VR应用是至关重要的。这些范围从混合现实应用程序进行电话会议，虚拟测量，虚拟房间刨，到机器人应用。虽然使用神经辐射场（NERF）的基于卷的视图合成方法显示有希望再现对象或场景的外观，但它们不会重建实际表面。基于密度的表面的体积表示在使用行进立方体提取表面时导致伪影，因为在优化期间，密度沿着射线累积，并且不在单个样本点处于隔离点。我们建议使用隐式函数（截短的签名距离函数）来代表表面来代表表面。我们展示了如何在NERF框架中纳入此表示，并将其扩展为使用来自商品RGB-D传感器的深度测量，例如Kinect。此外，我们提出了一种姿势和相机细化技术，可提高整体重建质量。相反，与集成NERF的深度前瞻性的并发工作，其专注于新型视图合成，我们的方法能够重建高质量的韵律3D重建。

这项工作的目标是通过扫描平台捕获的数据进行3D重建和新颖的观看综合，该平台在城市室外环境中常设世界映射（例如，街景）。给定一系列由摄像机和扫描仪通过室外场景的摄像机和扫描仪进行的序列，我们产生可以从中提取3D表面的模型，并且可以合成新颖的RGB图像。我们的方法扩展了神经辐射字段，已经证明了用于在受控设置中的小型场景中的逼真新颖的图像，用于利用异步捕获的LIDAR数据，用于寻址捕获图像之间的曝光变化，以及利用预测的图像分段来监督密度。在光线指向天空。这三个扩展中的每一个都在街道视图数据上的实验中提供了显着的性能改进。我们的系统产生最先进的3D表面重建，并与传统方法（例如〜Colmap）和最近的神经表示（例如〜MIP-NERF）相比，合成更高质量的新颖视图。

虚拟内容创建和互动在现代3D应用中起着重要作用，例如AR和VR。从真实场景中恢复详细的3D模型可以显着扩大其应用程序的范围，并在计算机视觉和计算机图形社区中进行了数十年的研究。我们提出了基于体素的隐式表面表示Vox-Surf。我们的Vox-Surf将空间分为有限的体素。每个体素将几何形状和外观信息存储在其角顶点。 Vox-Surf得益于从体素表示继承的稀疏性，几乎适用于任何情况，并且可以轻松地从多个视图图像中训练。我们利用渐进式训练程序逐渐提取重要体素，以进一步优化，以便仅保留有效的体素，从而大大减少了采样点的数量并增加了渲染速度。细素还可以视为碰撞检测的边界量。该实验表明，与其他方法相比，Vox-Surf表示可以学习精致的表面细节和准确的颜色，并以更少的记忆力和更快的渲染速度来学习。我们还表明，Vox-Surf在场景编辑和AR应用中可能更实用。

Photo-realistic free-viewpoint rendering of real-world scenes using classical computer graphics techniques is challenging, because it requires the difficult step of capturing detailed appearance and geometry models. Recent studies have demonstrated promising results by learning scene representations that implicitly encode both geometry and appearance without 3D supervision. However, existing approaches in practice often show blurry renderings caused by the limited network capacity or the difficulty in finding accurate intersections of camera rays with the scene geometry. Synthesizing high-resolution imagery from these representations often requires time-consuming optical ray marching. In this work, we introduce Neural Sparse Voxel Fields (NSVF), a new neural scene representation for fast and high-quality free-viewpoint rendering. NSVF defines a set of voxel-bounded implicit fields organized in a sparse voxel octree to model local properties in each cell. We progressively learn the underlying voxel structures with a diffentiable ray-marching operation from only a set of posed RGB images. With the sparse voxel octree structure, rendering novel views can be accelerated by skipping the voxels containing no relevant scene content. Our method is typically over 10 times faster than the state-of-the-art (namely, NeRF (Mildenhall et al., 2020)) at inference time while achieving higher quality results. Furthermore, by utilizing an explicit sparse voxel representation, our method can easily be applied to scene editing and scene composition. We also demonstrate several challenging tasks, including multi-scene learning, free-viewpoint rendering of a moving human, and large-scale scene rendering. Code and data are available at our website: https://github.com/facebookresearch/NSVF.

我们向渲染和时间（4D）重建人类的渲染和时间（4D）重建的神经辐射场，通过稀疏的摄像机捕获或甚至来自单眼视频。我们的方法将思想与神经场景表示，新颖的综合合成和隐式统计几何人称的人类表示相结合，耦合使用新颖的损失功能。在先前使用符号距离功能表示的结构化隐式人体模型，而不是使用统一的占用率来学习具有统一占用的光域字段。这使我们能够从稀疏视图中稳健地融合信息，并概括超出在训练中观察到的姿势或视图。此外，我们应用几何限制以共同学习观察到的主题的结构 - 包括身体和衣服 - 并将辐射场正规化为几何合理的解决方案。在多个数据集上的广泛实验证明了我们方法的稳健性和准确性，其概括能力显着超出了一系列的姿势和视图，以及超出所观察到的形状的统计外推。

神经辐射场（NERF）最近在新型视图合成中取得了令人印象深刻的结果。但是，以前的NERF作品主要关注以对象为中心的方案。在这项工作中，我们提出了360ROAM，这是一种新颖的场景级NERF系统，可以实时合成大型室内场景的图像并支持VR漫游。我们的系统首先从多个输入$ 360^\ circ $图像构建全向神经辐射场360NERF。然后，我们逐步估算一个3D概率的占用图，该概率占用图代表了空间密度形式的场景几何形状。跳过空的空间和上采样占据的体素本质上可以使我们通过以几何学意识的方式使用360NERF加速量渲染。此外，我们使用自适应划分和扭曲策略来减少和调整辐射场，以进一步改进。从占用地图中提取的场景的平面图可以为射线采样提供指导，并促进现实的漫游体验。为了显示我们系统的功效，我们在各种场景中收集了$ 360^\ Circ $图像数据集并进行广泛的实验。基线之间的定量和定性比较说明了我们在复杂室内场景的新型视图合成中的主要表现。

我们提出了一种无监督的方法，用于对铰接对象的3D几何形式表示学习，其中不使用图像置态对或前景口罩进行训练。尽管可以通过现有的3D神经表示的明确姿势控制铰接物体的影像图像，但这些方法需要地面真相3D姿势和前景口罩进行训练，这是昂贵的。我们通过学习GAN培训来学习表示形式来消除这种需求。该发电机经过训练，可以通过对抗训练从随机姿势和潜在向量产生逼真的铰接物体图像。为了避免GAN培训的高计算成本，我们提出了基于三平面的铰接对象的有效神经表示形式，然后为其无监督培训提供了基于GAN的框架。实验证明了我们方法的效率，并表明基于GAN的培训可以在没有配对监督的情况下学习可控的3D表示。

我们建议使用以光源方向为条件的神经辐射场（NERF）的扩展来解决多视光度立体声问题。我们神经表示的几何部分预测表面正常方向，使我们能够理解局部表面反射率。我们的神经表示的外观部分被分解为神经双向反射率函数（BRDF），作为拟合过程的一部分学习，阴影预测网络（以光源方向为条件），使我们能够对明显的BRDF进行建模。基于物理图像形成模型的诱导偏差的学到的组件平衡使我们能够远离训练期间观察到的光源和查看器方向。我们证明了我们在多视光学立体基准基准上的方法，并表明可以通过NERF的神经密度表示可以获得竞争性能。

对于场景重建和新型视图综合的数量表示形式的普及最近，人们的普及使重点放在以高视觉质量和实时为实时的体积内容动画上。尽管基于学习功能的隐性变形方法可以产生令人印象深刻的结果，但它们是艺术家和内容创建者的“黑匣子”，但它们需要大量的培训数据才能有意义地概括，并且在培训数据之外不会产生现实的外推。在这项工作中，我们通过引入实时的音量变形方法来解决这些问题，该方法是实时的，易于使用现成的软件编辑，并且可以令人信服地推断出来。为了证明我们方法的多功能性，我们将其应用于两种情况：基于物理的对象变形和触发性，其中使用Blendshapes控制着头像。我们还进行了彻底的实验，表明我们的方法与两种体积方法相比，结合了基于网格变形的隐式变形和方法。

神经场景表示，例如神经辐射场（NERF），基于训练多层感知器（MLP），使用一组具有已知姿势的彩色图像。现在，越来越多的设备产生RGB-D（颜色 +深度）信息，这对于各种任务非常重要。因此，本文的目的是通过将深度信息与颜色图像结合在一起，研究这些有希望的隐式表示可以进行哪些改进。特别是，最近建议的MIP-NERF方法使用圆锥形的圆丝而不是射线进行音量渲染，它使人们可以考虑具有距离距离摄像头中心距离的像素的不同区域。所提出的方法还模拟了深度不确定性。这允许解决基于NERF的方法的主要局限性，包括提高几何形状的准确性，减少伪像，更快的训练时间和缩短预测时间。实验是在众所周知的基准场景上进行的，并且比较在场景几何形状和光度重建中的准确性提高，同时将训练时间减少了3-5次。

由于真实的3D注释的类别数据的不可用，在合成数据集中，传统的学习3D对象类别的方法主要受到培训和评估。我们的主要目标是通过在与现有的合成对应物类似的幅度下收集现实世界数据来促进该领域的进步。因此，这项工作的主要贡献是一个大型数据集，称为3D中的常见对象，具有使用相机姿势和地面真相3D点云注释的对象类别的真实多视图图像。 DataSet总共包含从50 MS-Coco类别的近19,000个视频中捕获对象的150万帧，因此，在类别和对象的数量方面，它比替代更大。我们利用这款新数据集进行了几个新型综合和以类别为中心的3D重建方法的第一个大规模“野外”评估。最后，我们贡献了一种新型的神经渲染方法，它利用强大的变压器来重建对象，给出少量的视图。 CO3D DataSet可在HTTPS://github.com/facebookResearch/co3d获取。

We introduce a method to render Neural Radiance Fields (NeRFs) in real time using PlenOctrees, an octree-based 3D representation which supports view-dependent effects. Our method can render 800×800 images at more than 150 FPS, which is over 3000 times faster than conventional NeRFs. We do so without sacrificing quality while preserving the ability of NeRFs to perform free-viewpoint rendering of scenes with arbitrary geometry and view-dependent effects. Real-time performance is achieved by pre-tabulating the NeRF into a PlenOctree. In order to preserve viewdependent effects such as specularities, we factorize the appearance via closed-form spherical basis functions. Specifically, we show that it is possible to train NeRFs to predict a spherical harmonic representation of radiance, removing the viewing direction as an input to the neural network. Furthermore, we show that PlenOctrees can be directly optimized to further minimize the reconstruction loss, which leads to equal or better quality compared to competing methods. Moreover, this octree optimization step can be used to reduce the training time, as we no longer need to wait for the NeRF training to converge fully. Our real-time neural rendering approach may potentially enable new applications such as 6-DOF industrial and product visualizations, as well as next generation AR/VR systems. PlenOctrees are amenable to in-browser rendering as well; please visit the project page for the interactive online demo, as well as video and code: https://alexyu. net/plenoctrees.

我们介绍了神经点光场，它用稀疏点云上的轻场隐含地表示场景。结合可分辨率的体积渲染与学习的隐式密度表示使得可以合成用于小型场景的新颖视图的照片现实图像。作为神经体积渲染方法需要潜在的功能场景表示的浓密采样，在沿着射线穿过体积的数百个样本，它们从根本上限制在具有投影到数百个训练视图的相同对象的小场景。向神经隐式光线推广稀疏点云允许我们有效地表示每个光线的单个隐式采样操作。这些点光场作为光线方向和局部点特征邻域的函数，允许我们在没有密集的物体覆盖和视差的情况下插入光场条件训练图像。我们评估大型驾驶场景的新型视图综合的提出方法，在那里我们综合了现实的看法，即现有的隐式方法未能代表。我们验证了神经点光场可以通过显式建模场景来实现沿着先前轨迹的视频来预测沿着看不见的轨迹的视频。

We present a method that synthesizes novel views of complex scenes by interpolating a sparse set of nearby views. The core of our method is a network architecture that includes a multilayer perceptron and a ray transformer that estimates radiance and volume density at continuous 5D locations (3D spatial locations and 2D viewing directions), drawing appearance information on the fly from multiple source views. By drawing on source views at render time, our method hearkens back to classic work on image-based rendering (IBR), and allows us to render high-resolution imagery. Unlike neural scene representation work that optimizes per-scene functions for rendering, we learn a generic view interpolation function that generalizes to novel scenes. We render images using classic volume rendering, which is fully differentiable and allows us to train using only multiview posed images as supervision. Experiments show that our method outperforms recent novel view synthesis methods that also seek to generalize to novel scenes. Further, if fine-tuned on each scene, our method is competitive with state-of-the-art single-scene neural rendering methods. 1

NeRF synthesizes novel views of a scene with unprecedented quality by fitting a neural radiance field to RGB images. However, NeRF requires querying a deep Multi-Layer Perceptron (MLP) millions of times, leading to slow rendering times, even on modern GPUs. In this paper, we demonstrate that real-time rendering is possible by utilizing thousands of tiny MLPs instead of one single large MLP. In our setting, each individual MLP only needs to represent parts of the scene, thus smaller and faster-to-evaluate MLPs can be used. By combining this divide-and-conquer strategy with further optimizations, rendering is accelerated by three orders of magnitude compared to the original NeRF model without incurring high storage costs. Further, using teacher-student distillation for training, we show that this speed-up can be achieved without sacrificing visual quality.

本文提出了一种用等值的全向图像重建神经辐射场的方法。带有辐射场的隐式神经场景表示可以在有限的空间区域内连续重建场景的3D形状。但是，培训商用PC硬件的完全隐式表示需要大量时间和计算资源（15 $ \ sim $ 20小时每场景20小时）。因此，我们提出了一种显着加速此过程的方法（每个场景20 $ \ sim $ 40分钟）。我们采用特征体素，而不是使用辐射场重建的光线的完全隐式表示，而是在张量中包含密度和颜色特征的特征体素。考虑全向等值输入和相机布局，我们使用球形素化来表示表示而不是立方表示。我们的体素化方法可以平衡内部场景和外部场景的重建质量。此外，我们在颜色特征上采用了与轴对准的位置编码方法，以提高总图像质量。我们的方法可以在随机摄像头姿势上实现满足合成数据集的经验性能。此外，我们使用包含复杂几何形状并实现最先进性能的真实场景测试我们的方法。我们的代码和完整数据集将与纸质出版物同时发布。