我们介绍了NeuralVDB，它通过利用机器学习的最新进步来提高现有的行业标准，以有效地存储稀疏体积数据，表示VDB。我们的新型混合数据结构可以通过数量级来减少VDB体积的内存足迹，同时保持其灵活性，并且只会产生一个小（用户控制的）压缩误差。具体而言，NeuralVDB用多个层次神经网络替换了浅和宽VDB树结构的下节点，这些神经网络分别通过神经分类器和回归器分别编码拓扑和价值信息。这种方法已证明可以最大化压缩比，同时保持高级VDB数据结构提供的空间适应性。对于稀疏的签名距离字段和密度量，我们已经观察到从已经压缩的VDB输入中的$ 10 \ times $ $ $ \ $ 100 \ $ 100 \ $ 100 \ $ 100 \ $ 100的压缩比，几乎没有可视化伪像。我们还展示了其在动画稀疏体积上的应用如何加速训练并产生时间连贯的神经网络。

我们提出了一个小说嵌入字段\ emph {pref}作为促进神经信号建模和重建任务的紧凑表示。基于纯的多层感知器（MLP）神经技术偏向低频信号，并依赖于深层或傅立叶编码以避免丢失细节。取而代之的是，基于傅立叶嵌入空间的相拟合公式，PREF采用了紧凑且物理上解释的编码场。我们进行全面的实验，以证明PERF比最新的空间嵌入技术的优势。然后，我们使用近似的逆傅里叶变换方案以及新型的parseval正常器来开发高效的频率学习框架。广泛的实验表明，我们的高效和紧凑的基于频率的神经信号处理技术与2D图像完成，3D SDF表面回归和5D辐射场现场重建相同，甚至比最新的。

神经网络在压缩体积数据以进行科学可视化方面表现出巨大的潜力。但是，由于训练和推断的高成本，此类体积神经表示仅应用于离线数据处理和非交互式渲染。在本文中，我们证明，通过同时利用现代的GPU张量核心，本地CUDA神经网络框架以及在线培训，我们可以使用体积神经表示来实现高性能和高效率交互式射线追踪。此外，我们的方法是完全概括的，可以适应时变的数据集。我们提出了三种用于在线培训的策略，每种策略都利用GPU，CPU和核心流程技术的不同组合。我们还开发了三个渲染实现，允许交互式射线跟踪与实时卷解码，示例流和幕后神经网络推断相结合。我们证明，我们的体积神经表示可以扩展到Terascale，以进行常规网格体积可视化，并可以轻松地支持不规则的数据结构，例如OpenVDB，非结构化，AMR和粒子体积数据。

标量和矢量场的神经近似（例如签名距离函数和辐射场）已成为准确的高质量表示。最先进的结果是通过从可训练的特征网格中进行查找的调节来获得的，这些近似是按照学习任务的一部分，并允许较小，更有效的神经网络。不幸的是，与独立的神经网络模型相比，这些特征网格通常以明显增加的记忆消耗成本。我们提出了一种词典方法，用于压缩此类特征网格，将其内存消耗降低至100倍，并允许多分辨率表示，这对于核心外流很有用。我们将词典优化作为矢量定量的自动码头问题提出，使我们能够在没有直接监督以及具有动态拓扑和结构的空间中学习端到端离散的神经表示。我们的源代码将在https://github.com/nv-tlabs/vqad上找到。

Neural signed distance functions (SDFs) are emerging as an effective representation for 3D shapes. State-of-theart methods typically encode the SDF with a large, fixedsize neural network to approximate complex shapes with implicit surfaces. Rendering with these large networks is, however, computationally expensive since it requires many forward passes through the network for every pixel, making these representations impractical for real-time graphics. We introduce an efficient neural representation that, for the first time, enables real-time rendering of high-fidelity neural SDFs, while achieving state-of-the-art geometry reconstruction quality. We represent implicit surfaces using an octree-based feature volume which adaptively fits shapes with multiple discrete levels of detail (LODs), and enables continuous LOD with SDF interpolation. We further develop an efficient algorithm to directly render our novel neural SDF representation in real-time by querying only the necessary LODs with sparse octree traversal. We show that our representation is 2-3 orders of magnitude more efficient in terms of rendering speed compared to previous works. Furthermore, it produces state-of-the-art reconstruction quality for complex shapes under both 3D geometric and 2D image-space metrics.

Physically based rendering of complex scenes can be prohibitively costly with a potentially unbounded and uneven distribution of complexity across the rendered image. The goal of an ideal level of detail (LoD) method is to make rendering costs independent of the 3D scene complexity, while preserving the appearance of the scene. However, current prefiltering LoD methods are limited in the appearances they can support due to their reliance of approximate models and other heuristics. We propose the first comprehensive multi-scale LoD framework for prefiltering 3D environments with complex geometry and materials (e.g., the Disney BRDF), while maintaining the appearance with respect to the ray-traced reference. Using a multi-scale hierarchy of the scene, we perform a data-driven prefiltering step to obtain an appearance phase function and directional coverage mask at each scale. At the heart of our approach is a novel neural representation that encodes this information into a compact latent form that is easy to decode inside a physically based renderer. Once a scene is baked out, our method requires no original geometry, materials, or textures at render time. We demonstrate that our approach compares favorably to state-of-the-art prefiltering methods and achieves considerable savings in memory for complex scenes.

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。

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.

尽管神经场景表示的潜力能够在高重建质量下有效压缩3D标量场，但使用场景表示网络的训练和数据重建步骤的计算复杂性限制了它们在实际应用中的使用。在本文中，我们分析了是否可以修改场景表示网络以减少这些限制以及这些架构是否也可以用于时间重建任务。我们提出了一种使用GPU Tensor核心的场景表示网络设计，将重建无缝化为片上芯片的横梁内核。此外，我们调查使用图像引导网络培训作为典型数据驱动方法的替代方案，我们探索了这种替代品质量和速度的潜在优势和缺点。作为时变字段的空间超分辨率方法的替代方案，我们提出了一种在潜在空间插值上建立的解决方案，以使任意粒度的随机访问重建。我们以评估科学可视化任务和概述未来研究方向的现场代表网络的优势和局限性的形式总结了我们的调查结果。

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...

神经隐式表示将表面编码为应用于空间坐标的神经网络的水平集，已证明对优化，压缩和生成3D几何形状非常有效。尽管这些表示易于拟合，但尚不清楚如何最好地评估形状上的几何查询，例如与射线相交或找到最接近的点。主要的方法是鼓励网络具有签名的距离属性。但是，该属性通常仅持有大约导致鲁棒性问题，并且仅在培训结束时持有，从而抑制了在损失功能中使用查询的使用。取而代之的是，这项工作提出了一种新的方法，可以直接针对广泛的现有架构进行一般神经隐式功能进行查询。我们的关键工具是使用自动算术规则将范围分析应用于神经网络，以限制网络在区域上的输出。我们对神经网络的范围分析进行了研究，并确定了非常有效的仿射算术变体。我们使用所得边界来开发几何查询，包括射线铸造，交叉测试，构建空间层次结构，快速网格提取，最接近的点评估，评估批量特性等。我们的疑问可以在GPU上有效评估，并在随机定位的网络上提供具体的准确性，从而可以在培训目标及其他方面使用。我们还展示了对反渲染的初步应用。

We present a novel method to provide efficient and highly detailed reconstructions. Inspired by wavelets, our main idea is to learn a neural field that decompose the signal both spatially and frequency-wise. We follow the recent grid-based paradigm for spatial decomposition, but unlike existing work, encourage specific frequencies to be stored in each grid via Fourier features encodings. We then apply a multi-layer perceptron with sine activations, taking these Fourier encoded features in at appropriate layers so that higher-frequency components are accumulated on top of lower-frequency components sequentially, which we sum up to form the final output. We demonstrate that our method outperforms the state of the art regarding model compactness and efficiency on multiple tasks: 2D image fitting, 3D shape reconstruction, and neural radiance fields.

我们呈现梯度-SDF，这是三维几何形象的新颖表示，这些表达结合了暗示和显式表示的优势。通过在符号距离字段以及其梯度向量字段中存储每个体素以及其梯度矢量字段，我们通过最初配制的显式表面的方法增强隐式表示的能力。作为具体示例，我们示出了（1）梯度-SDF允许我们使用像哈希映射等有效存储方案的深度图像执行直接SDF跟踪，并且（2）梯度-SDF表示使我们能够执行光度束调节直接在Voxel表示中（不转换为点云或网格），自然地是几何和相机的完全隐含的优化，易于几何上采样。实验结果证实，这导致重建明显更敏锐。由于仍然遵守整体SDF体素结构，所提出的梯度-SDF同样适用于（GPU）并行化作为相关方法。

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。

基于坐标的网络成为3D表示和场景重建的强大工具。这些网络训练以将连续输入坐标映射到每个点处的信号的值。尽管如此，当前的架构是黑色盒子：不能轻易分析它们的光谱特性，并且在无监督点处的行为难以预测。此外，这些网络通常接受训练以以单个刻度表示信号，并且如此天真的下采样或上采样导致伪像。我们引入带限量坐标网络（BACON），具有分析傅里叶谱的网络架构。培根在无监督点处具有可预测的行为，可以基于所代表信号的光谱特性设计，并且可以在没有明确的监督的情况下代表多个尺度的信号。我们向培根展示用于使用符号距离功能的图像，辐射字段和3D场景的多尺度神经表示的培根，并表明它在可解释性和质量方面优于传统的单尺度坐标网络。

Three-dimensional models provide a volumetric representation of space which is important for a variety of robotic applications including flying robots and robots that are equipped with manipulators. In this paper, we present an open-source framework to generate volumetric 3D environment models. Our mapping approach is based on octrees and uses probabilistic occupancy estimation. It explicitly represents not only occupied space, but also free and unknown areas. Furthermore, we propose an octree map compression method that keeps the 3D models compact. Our framework is available as an open-source C++ library and has already been successfully applied in several robotics projects. We present a series of experimental results carried out with real robots and on publicly available real-world datasets. The results demonstrate that our approach is able to update the representation efficiently and models the data consistently while keeping the memory requirement at a minimum.

我们提出了GO-SURF，这是一种直接特征网格优化方法，可从RGB-D序列进行准确和快速的表面重建。我们用学习的分层特征素网格对基础场景进行建模，该网络封装了多级几何和外观本地信息。特征向量被直接优化，使得三线性插值后，由两个浅MLP解码为签名的距离和辐射度值，并通过表面体积渲染渲染，合成和观察到的RGB/DEPTH值之间的差异最小化。我们的监督信号-RGB，深度和近似SDF可以直接从输入图像中获得，而无需融合或后处理。我们制定了一种新型的SDF梯度正则化项，该项鼓励表面平滑度和孔填充，同时保持高频细节。 GO-SURF可以优化$ 1 $ - $ 2 $ K框架的序列，价格为$ 15 $ - $ 45 $分钟，$ \ times60 $的速度超过了NeuralRGB-D，这是基于MLP表示的最相关的方法，同时保持PAR性能在PAR上的性能标准基准。项目页面：https：//jingwenwang95.github.io/go_surf/

重建反向渲染技术的最新趋势使用神经网络将3D表示作为神经领域。基于NERF的技术将多层感知器（MLP）拟合到一组训练图像，以估算一个辐射场字段，然后可以通过卷渲染算法从任何虚拟摄像机呈现。这些表示形式的主要缺点是缺乏定义明确的表面和非交互式渲染时间，因为必须查询宽大和深的MLP，每个框架必须查询数百万次。这些限制最近被单一克服了，但是设法同时完成了这一限制，从而打开了新的用例。我们提出了Kiloneus，这是一种新的神经对象表示，可以在交互式框架速率下的路径跟踪场景中渲染。 Kiloneus可以在共享场景中对神经和经典原语之间的逼真的光相互作用进行模拟，并且它可以实时执行，并有足够的空间进行未来的优化和扩展。

本地化隐式功能的最新进展使神经隐式表示能够可扩展到大型场景。然而，这些方法采用的3D空间的定期细分未能考虑到表面占用的稀疏性和几何细节的变化粒度。结果，其内存占地面积与输入体积均别较大，即使在适度密集的分解中也导致禁止的计算成本。在这项工作中，我们为3D表面，编码OCTFIELD提供了一种学习的分层隐式表示，允许具有低内存和计算预算的复杂曲面的高精度编码。我们方法的关键是仅在感兴趣的表面周围分发本地隐式功能的3D场景的自适应分解。我们通过引入分层Octree结构来实现这一目标，以根据表面占用和部件几何形状的丰富度自适应地细分3D空间。随着八十六是离散和不可分辨性的，我们进一步提出了一种新颖的等级网络，其模拟八偏细胞的细分作为概率的过程，并以可差的方式递归地编码和解码八叠结构和表面几何形状。我们展示了Octfield的一系列形状建模和重建任务的价值，显示出在替代方法方面的优越性。