Implicit fields have been very effective to represent and learn 3D shapes accurately. Signed distance fields and occupancy fields are the preferred representations, both with well-studied properties, despite their restriction to closed surfaces. Several other variations and training principles have been proposed with the goal to represent all classes of shapes. In this paper, we develop a novel and yet fundamental representation by considering the unit vector field defined on 3D space: at each point in $\mathbb{R}^3$ the vector points to the closest point on the surface. We theoretically demonstrate that this vector field can be easily transformed to surface density by applying the vector field divergence. Unlike other standard representations, it directly encodes an important physical property of the surface, which is the surface normal. We further show the advantages of our vector field representation, specifically in learning general (open, closed, or multi-layered) surfaces as well as piecewise planar surfaces. We compare our method on several datasets including ShapeNet where the proposed new neural implicit field shows superior accuracy in representing any type of shape, outperforming other standard methods. The code will be released at https://github.com/edomel/ImplicitVF

Figure 1: DeepSDF represents signed distance functions (SDFs) of shapes via latent code-conditioned feed-forward decoder networks. Above images are raycast renderings of DeepSDF interpolating between two shapes in the learned shape latent space. Best viewed digitally.

在视觉计算中，3D几何形状以许多不同的形式表示，包括网格，点云，体素电网，水平集和深度图像。每个表示都适用于不同的任务，从而使一个表示形式转换为另一个表示（前向地图）是一个重要且常见的问题。我们提出了全向距离字段（ODF），这是一种新的3D形状表示形式，该表示通过将深度从任何观看方向从任何3D位置存储到对象的表面来编码几何形状。由于射线是ODF的基本单元，因此可以轻松地从通用的3D表示和点云等常见的3D表示。与限制代表封闭表面的水平集方法不同，ODF是未签名的，因此可以对开放表面进行建模（例如服装）。我们证明，尽管在遮挡边界处存在固有的不连续性，但可以通过神经网络（Neururodf）有效地学习ODF。我们还引入了有效的前向映射算法，以转换odf to＆从常见的3D表示。具体而言，我们引入了一种有效的跳跃立方体算法，用于从ODF生成网格。实验表明，神经模型可以通过过度拟合单个对象学会学会捕获高质量的形状，并学会概括对共同的形状类别。

最近对隐含形状表示的兴趣日益增长。与明确的陈述相反，他们没有解决局限性，他们很容易处理各种各样的表面拓扑。为了了解这些隐式表示，电流方法依赖于一定程度的形状监督（例如，内部/外部信息或距离形状知识），或者至少需要密集点云（以近似距离 - 到 - 到 - 形状）。相比之下，我们介绍{\方法}，一种用于学习形状表示的自我监督方法，从可能极其稀疏的点云。就像在水牛的针问题一样，我们在点云上“掉落”（样本）针头，认为，静统计地靠近表面，针端点位于表面的相对侧。不需要形状知识，点云可以高稀疏，例如，作为车辆获取的Lidar点云。以前的自我监督形状表示方法未能在这种数据上产生良好的结果。我们获得定量结果与现有的形状重建数据集上现有的监督方法标准，并在Kitti等硬自动驾驶数据集中显示有前途的定性结果。

最近的工作建模3D开放表面培训深度神经网络以近似无符号距离字段（UDF）并隐含地代表形状。要将此表示转换为显式网格，它们要么使用计算上昂贵的方法来对表面的致密点云采样啮合，或者通过将其膨胀到符号距离字段（SDF）中来扭曲表面。相比之下，我们建议直接将深度UDFS直接以延伸行进立方体的开放表面，通过本地检测表面交叉。我们的方法是幅度的序列，比啮合致密点云，比膨胀开口表面更准确。此外，我们使我们的表面提取可微分，并显示它可以帮助稀疏监控信号。

The recent neural implicit representation-based methods have greatly advanced the state of the art for solving the long-standing and challenging problem of reconstructing a discrete surface from a sparse point cloud. These methods generally learn either a binary occupancy or signed/unsigned distance field (SDF/UDF) as surface representation. However, all the existing SDF/UDF-based methods use neural networks to implicitly regress the distance in a purely data-driven manner, thus limiting the accuracy and generalizability to some extent. In contrast, we propose the first geometry-guided method for UDF and its gradient estimation that explicitly formulates the unsigned distance of a query point as the learnable affine averaging of its distances to the tangent planes of neighbouring points. Besides, we model the local geometric structure of the input point clouds by explicitly learning a quadratic polynomial for each point. This not only facilitates upsampling the input sparse point cloud but also naturally induces unoriented normal, which further augments UDF estimation. Finally, to extract triangle meshes from the predicted UDF we propose a customized edge-based marching cube module. We conduct extensive experiments and ablation studies to demonstrate the significant advantages of our method over state-of-the-art methods in terms of reconstruction accuracy, efficiency, and generalizability. The source code is publicly available at https://github.com/rsy6318/GeoUDF.

深度生成模型的最新进展导致了3D形状合成的巨大进展。虽然现有模型能够合成表示为体素，点云或隐式功能的形状，但这些方法仅间接强制执行最终3D形状表面的合理性。在这里，我们提出了一种直接将对抗训练施加到物体表面的3D形状合成框架（Surfgen）。我们的方法使用可分解的球面投影层来捕获并表示隐式3D发生器的显式零IsoSurface作为在单元球上定义的功能。通过在对手设置中用球形CNN处理3D对象表面的球形表示，我们的发电机可以更好地学习自然形状表面的统计数据。我们在大规模形状数据集中评估我们的模型，并证明了端到端训练的模型能够产生具有不同拓扑的高保真3D形状。

隐式神经网络已成功用于点云的表面重建。然而，它们中的许多人面临着可扩展性问题，因为它们将整个对象或场景的异构面功能编码为单个潜在载体。为了克服这种限制，一些方法在粗略普通的3D网格或3D补丁上推断潜伏向量，并将它们插入以应对占用查询。在这样做时，它们可以与对象表面上采样的输入点进行直接连接，并且它们在空间中均匀地附加信息，而不是其最重要的信息，即在表面附近。此外，依赖于固定的补丁大小可能需要离散化调整。要解决这些问题，我们建议使用点云卷积并计算每个输入点的潜伏向量。然后，我们使用推断的权重在最近的邻居上执行基于学习的插值。对象和场景数据集的实验表明，我们的方法在大多数古典指标上显着优于其他方法，产生更精细的细节和更好的重建更薄的卷。代码可在https://github.com/valeoai/poco获得。

场景完成是从场景的部分扫描中完成缺失几何形状的任务。大多数以前的方法使用3D网格上的截断签名距离函数（T-SDF）计算出隐式表示，作为神经网络的输入。截断限制，但不会删除由非关闭表面符号引入的模棱两可的案例。作为替代方案，我们提出了一个未签名的距离函数（UDF），称为未签名的加权欧几里得距离（UWED）作为场景完成神经网络的输入表示。 UWED作为几何表示是简单而有效的，并且可以在任何点云上计算，而与通常的签名距离函数（SDF）相比，UWED不需要正常的计算。为了获得明确的几何形状，我们提出了一种从常规网格上离散的UDF值提取点云的方法。我们比较了从RGB-D和LIDAR传感器收集的室内和室外点云上的场景完成任务的不同SDF和UDFS，并使用建议的UWED功能显示了改进的完成。

我们介绍DMTET，深度3D条件生成模型，可以使用诸如粗体素的简单用户指南来合成高分辨率3D形状。它通过利用新型混合3D表示来结婚隐式和显式3D表示的优点。与当前隐含的方法相比，培训涉及符号距离值，DMTET直接针对重建的表面进行了优化，这使我们能够用更少的伪像来合成更精细的几何细节。与直接生成诸如网格之类的显式表示的深度3D生成模型不同，我们的模型可以合成具有任意拓扑的形状。 DMTET的核心包括可变形的四面体网格，其编码离散的符号距离函数和可分行的行进Tetrahedra层，其将隐式符号距离表示转换为显式谱图表示。这种组合允许使用在表面网格上明确定义的重建和对抗性损耗来联合优化表面几何形状和拓扑以及生成细分层次结构。我们的方法显着优于来自粗体素输入的条件形状合成的现有工作，培训在复杂的3D动物形状的数据集上。项目页面：https://nv-tlabs.github.io/dmtet/

Training parts from ShapeNet. (b) t-SNE plot of part embeddings. (c) Reconstructing entire scenes with Local Implicit Grids Figure 1:We learn an embedding of parts from objects in ShapeNet [3] using a part autoencoder with an implicit decoder. We show that this representation of parts is generalizable across object categories, and easily scalable to large scenes. By localizing implicit functions in a grid, we are able to reconstruct entire scenes from points via optimization of the latent grid.

神经隐式功能的最新发展已在高质量的3D形状重建方面表现出巨大的成功。但是，大多数作品将空间分为形状的内部和外部，从而将其代表力量限制为单层和水密形状。这种局限性导致乏味的数据处理（将非紧密的原始数据转换为水密度），以及代表现实世界中一般对象形状的无能。在这项工作中，我们提出了一种新颖的方法来表示一般形状，包括具有多层表面的非水平形状和形状。我们介绍了3D形状（GIF）的一般隐式函数，该功能建模了每两个点之间的关系，而不是点和表面之间的关系。 GIF没有将3D空间分为预定义的内部区域，而是编码是否将两个点分开。 Shapenet上的实验表明，在重建质量，渲染效率和视觉保真度方面，GIF的表现优于先前的最先进方法。项目页面可从https://jianglongye.com/gifs获得。

Implicit shape representations, such as Level Sets, provide a very elegant formulation for performing computations involving curves and surfaces. However, including implicit representations into canonical Neural Network formulations is far from straightforward. This has consequently restricted existing approaches to shape inference, to significantly less effective representations, perhaps most commonly voxels occupancy maps or sparse point clouds.To overcome this limitation we propose a novel formulation that permits the use of implicit representations of curves and surfaces, of arbitrary topology, as individual layers in Neural Network architectures with end-to-end trainability. Specifically, we propose to represent the output as an oriented level set of a continuous and discretised embedding function. We investigate the benefits of our approach on the task of 3D shape prediction from a single image and demonstrate its ability to produce a more accurate reconstruction compared to voxel-based representations. We further show that our model is flexible and can be applied to a variety of shape inference problems.

近年来，由于其表达力和灵活性，神经隐式表示在3D重建中获得了普及。然而，神经隐式表示的隐式性质导致缓慢的推理时间并且需要仔细初始化。在本文中，我们重新审视经典且无处不在的点云表示，并使用泊松表面重建（PSR）的可分辨率配方引入可分化的点对网格层，其允许给予定向的GPU加速的指示灯的快速解决方案点云。可微分的PSR层允许我们通过隐式指示器字段有效地和分散地桥接与3D网格的显式3D点表示，从而实现诸如倒角距离的表面重建度量的端到端优化。因此，点和网格之间的这种二元性允许我们以面向点云表示形状，这是显式，轻量级和富有表现力的。与神经内隐式表示相比，我们的形状 - 点（SAP）模型更具可解释，轻量级，并通过一个级别加速推理时间。与其他显式表示相比，如点，补丁和网格，SA​​P产生拓扑无关的水密歧管表面。我们展示了SAP对无知点云和基于学习的重建的表面重建任务的有效性。

边界是人类和计算机视觉系统使用的主要视觉提示之一。边界检测的关键问题之一是标签表示，这通常会导致类不平衡，因此，较厚的边界需要稀疏的非差异后处理步骤。在本文中，我们将边界重新解释为1D表面，并制定一对一的向量变换功能，允许训练边界预测完全避免了类不平衡问题。具体而言，我们在任何点定义边界表示，因为单位向量指向最接近的边界表面。我们的问题表述可导致方向的估计以及边界的更丰富的上下文信息，如果需要，在训练时也可以使用零像素薄边界。我们的方法在训练损失中不使用超参数和推断时固定的稳定的高参数。我们提供有关向量变换表示的理论理由/讨论。我们使用标准体系结构评估了提出的损失方法，并显示了几个数据集上其他损失和表示的出色性能。代码可在https://github.com/edomel/boundaryvt上找到。

Compact and accurate representations of 3D shapes are central to many perception and robotics tasks. State-of-the-art learning-based methods can reconstruct single objects but scale poorly to large datasets. We present a novel recursive implicit representation to efficiently and accurately encode large datasets of complex 3D shapes by recursively traversing an implicit octree in latent space. Our implicit Recursive Octree Auto-Decoder (ROAD) learns a hierarchically structured latent space enabling state-of-the-art reconstruction results at a compression ratio above 99%. We also propose an efficient curriculum learning scheme that naturally exploits the coarse-to-fine properties of the underlying octree spatial representation. We explore the scaling law relating latent space dimension, dataset size, and reconstruction accuracy, showing that increasing the latent space dimension is enough to scale to large shape datasets. Finally, we show that our learned latent space encodes a coarse-to-fine hierarchical structure yielding reusable latents across different levels of details, and we provide qualitative evidence of generalization to novel shapes outside the training set.

我们介绍了一种新的神经表面重建方法，称为Neus，用于重建具有高保真的对象和场景，从2D图像输入。现有的神经表面重建方法，例如DVR和IDR，需要前景掩模作为监控，容易被捕获在局部最小值中，因此与具有严重自动遮挡或薄结构的物体的重建斗争。同时，新型观测合成的最近神经方法，例如Nerf及其变体，使用体积渲染来产生具有优化的稳健性的神经场景表示，即使对于高度复杂的物体。然而，从该学习的内隐式表示提取高质量表面是困难的，因为表示表示没有足够的表面约束。在Neus中，我们建议将表面代表为符号距离功能（SDF）的零级集，并开发一种新的卷渲染方法来训练神经SDF表示。我们观察到传统的体积渲染方法导致表面重建的固有的几何误差（即偏置），因此提出了一种新的制剂，其在第一阶的第一阶偏差中没有偏置，因此即使没有掩码监督，也导致更准确的表面重建。 DTU数据集的实验和BlendedMVS数据集显示，Neus在高质量的表面重建中优于最先进的，特别是对于具有复杂结构和自动闭塞的物体和场景。

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。

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...