Recent methods for neural surface representation and rendering, for example NeuS, have demonstrated remarkably high-quality reconstruction of static scenes. However, the training of NeuS takes an extremely long time (8 hours), which makes it almost impossible to apply them to dynamic scenes with thousands of frames. We propose a fast neural surface reconstruction approach, called NeuS2, which achieves two orders of magnitude improvement in terms of acceleration without compromising reconstruction quality. To accelerate the training process, we integrate multi-resolution hash encodings into a neural surface representation and implement our whole algorithm in CUDA. We also present a lightweight calculation of second-order derivatives tailored to our networks (i.e., ReLU-based MLPs), which achieves a factor two speed up. To further stabilize training, a progressive learning strategy is proposed to optimize multi-resolution hash encodings from coarse to fine. In addition, we extend our method for reconstructing dynamic scenes with an incremental training strategy. Our experiments on various datasets demonstrate that NeuS2 significantly outperforms the state-of-the-arts in both surface reconstruction accuracy and training speed. The video is available at https://vcai.mpi-inf.mpg.de/projects/NeuS2/ .

最近，我们看到了照片真实的人类建模和渲染的神经进展取得的巨大进展。但是，将它们集成到现有的下游应用程序中的现有网络管道中仍然具有挑战性。在本文中，我们提出了一种全面的神经方法，用于从密集的多视频视频中对人类表演进行高质量重建，压缩和渲染。我们的核心直觉是用一系列高效的神经技术桥接传统的动画网格工作流程。我们首先引入一个神经表面重建器，以在几分钟内进行高质量的表面产生。它与多分辨率哈希编码的截短签名距离场（TSDF）的隐式体积渲染相结合。我们进一步提出了一个混合神经跟踪器来生成动画网格，该网格将明确的非刚性跟踪与自我监督框架中的隐式动态变形结合在一起。前者将粗糙的翘曲返回到规范空间中，而后者隐含的一个隐含物进一步预测了使用4D哈希编码的位移，如我们的重建器中。然后，我们使用获得的动画网格讨论渲染方案，从动态纹理到各种带宽设置下的Lumigraph渲染。为了在质量和带宽之间取得复杂的平衡，我们通过首先渲染6个虚拟视图来涵盖表演者，然后进行闭塞感知的神经纹理融合，提出一个分层解决方案。我们证明了我们方法在各种平台上的各种基于网格的应用程序和照片真实的自由观看体验中的功效，即，通过移动AR插入虚拟人类的表演，或通过移动AR插入真实环境，或带有VR头戴式的人才表演。

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。

神经表面重建旨在基于多视图图像重建准确的3D表面。基于神经量的先前方法主要训练完全隐式的模型，它们需要单个场景的数小时培训。最近的努力探讨了明确的体积表示，该表示通过记住可学习的素网格中的重要信息，从而大大加快了优化过程。但是，这些基于体素的方法通常在重建细粒几何形状方面遇到困难。通过实证研究，我们发现高质量的表面重建取决于两个关键因素：构建相干形状的能力和颜色几何依赖性的精确建模。特别是，后者是准确重建细节的关键。受这些发现的启发，我们开发了Voxurf，这是一种基于体素的方法，用于有效，准确的神经表面重建，该方法由两个阶段组成：1）利用可学习的特征网格来构建颜色场并获得连贯的粗糙形状，并且2）使用双色网络来完善详细的几何形状，可捕获精确的颜色几何依赖性。我们进一步引入了层次几何特征，以启用跨体素的信息共享。我们的实验表明，Voxurf同时达到了高效率和高质量。在DTU基准测试中，与最先进的方法相比，Voxurf获得了更高的重建质量，训练的加速度为20倍。

3D reconstruction and novel view synthesis of dynamic scenes from collections of single views recently gained increased attention. Existing work shows impressive results for synthetic setups and forward-facing real-world data, but is severely limited in the training speed and angular range for generating novel views. This paper addresses these limitations and proposes a new method for full 360{\deg} novel view synthesis of non-rigidly deforming scenes. At the core of our method are: 1) An efficient deformation module that decouples the processing of spatial and temporal information for acceleration at training and inference time; and 2) A static module representing the canonical scene as a fast hash-encoded neural radiance field. We evaluate the proposed approach on the established synthetic D-NeRF benchmark, that enables efficient reconstruction from a single monocular view per time-frame randomly sampled from a full hemisphere. We refer to this form of inputs as monocularized data. To prove its practicality for real-world scenarios, we recorded twelve challenging sequences with human actors by sampling single frames from a synchronized multi-view rig. In both cases, our method is trained significantly faster than previous methods (minutes instead of days) while achieving higher visual accuracy for generated novel views. Our source code and data is available at our project page https://graphics.tu-bs.de/publications/kappel2022fast.

本文解决了从多视频视频中重建动画人类模型的挑战。最近的一些作品提出，将一个非刚性变形的场景分解为规范的神经辐射场和一组变形场，它们映射观察空间指向规范空间，从而使它们能够从图像中学习动态场景。但是，它们代表变形场作为转换矢量场或SE（3）字段，这使得优化高度不受限制。此外，这些表示无法通过输入动议明确控制。取而代之的是，我们基于线性混合剥皮算法引入了一个姿势驱动的变形场，该算法结合了混合重量场和3D人类骨架，以产生观察到的对应对应。由于3D人类骨骼更容易观察到，因此它们可以正规化变形场的学习。此外，可以通过输入骨骼运动来控制姿势驱动的变形场，以生成新的变形字段来动画规范人类模型。实验表明，我们的方法显着优于最近的人类建模方法。该代码可在https://zju3dv.github.io/animatable_nerf/上获得。

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/

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。

捕获一般的变形场景对于许多计算机图形和视觉应用至关重要，当只有单眼RGB视频可用时，这尤其具有挑战性。竞争方法假设密集的点轨道，3D模板，大规模训练数据集或仅捕获小规模的变形。与这些相反，我们的方法UB4D在挑战性的情况下超过了先前的艺术状态，而没有做出这些假设。我们的技术包括两个新的，在非刚性3D重建的背景下，组件，即1）1）针对非刚性场景的基于坐标的和隐性的神经表示，这使动态场景无偏重建，2）新颖的新颖。动态场景流量损失，可以重建较大的变形。我们的新数据集（将公开可用）的结果表明，就表面重建精度和对大变形的鲁棒性而言，对最新技术的明显改善。访问项目页面https://4dqv.mpi-inf.mpg.de/ub4d/。

In this paper, we take a significant step towards real-world applicability of monocular neural avatar reconstruction by contributing InstantAvatar, a system that can reconstruct human avatars from a monocular video within seconds, and these avatars can be animated and rendered at an interactive rate. To achieve this efficiency we propose a carefully designed and engineered system, that leverages emerging acceleration structures for neural fields, in combination with an efficient empty space-skipping strategy for dynamic scenes. We also contribute an efficient implementation that we will make available for research purposes. Compared to existing methods, InstantAvatar converges 130x faster and can be trained in minutes instead of hours. It achieves comparable or even better reconstruction quality and novel pose synthesis results. When given the same time budget, our method significantly outperforms SoTA methods. InstantAvatar can yield acceptable visual quality in as little as 10 seconds training time.

本文旨在减少透明辐射场的渲染时间。一些最近的作品用图像编码器配备了神经辐射字段，能够跨越场景概括，这避免了每场景优化。但是，它们的渲染过程通常很慢。主要因素是，在推断辐射场时，它们在空间中的大量点。在本文中，我们介绍了一个混合场景表示，它结合了最佳的隐式辐射场和显式深度映射，以便有效渲染。具体地，我们首先构建级联成本量，以有效地预测场景的粗糙几何形状。粗糙几何允许我们在场景表面附近的几个点来样，并显着提高渲染速度。该过程是完全可疑的，使我们能够仅从RGB图像共同学习深度预测和辐射现场网络。实验表明，该方法在DTU，真正的前瞻性和NERF合成数据集上展示了最先进的性能，而不是比以前的最可推广的辐射现场方法快至少50倍。我们还展示了我们的方法实时综合动态人类执行者的自由观点视频。代码将在https://zju3dv.github.io/enerf/处提供。

最近，神经辐射场（NERF）正在彻底改变新型视图合成（NVS）的卓越性能。但是，NERF及其变体通常需要进行冗长的每场训练程序，其中将多层感知器（MLP）拟合到捕获的图像中。为了解决挑战，已经提出了体素网格表示，以显着加快训练的速度。但是，这些现有方法只能处理静态场景。如何开发有效，准确的动态视图合成方法仍然是一个开放的问题。将静态场景的方法扩展到动态场景并不简单，因为场景几何形状和外观随时间变化。在本文中，基于素素网格优化的最新进展，我们提出了一种快速变形的辐射场方法来处理动态场景。我们的方法由两个模块组成。第一个模块采用变形网格来存储3D动态功能，以及使用插值功能将观测空间中的3D点映射到规范空间的变形的轻巧MLP。第二个模块包含密度和颜色网格，以建模场景的几何形状和密度。明确对阻塞进行了建模，以进一步提高渲染质量。实验结果表明，我们的方法仅使用20分钟的训练就可以实现与D-NERF相当的性能，该训练比D-NERF快70倍以上，这清楚地证明了我们提出的方法的效率。

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.

在许多计算机视觉和图形应用程序中，从2D图像重建3D室内场景是一项重要任务。这项任务中的一个主要挑战是，典型的室内场景中的无纹理区域使现有方法难以产生令人满意的重建结果。我们提出了一种名为Neuris的新方法，以高质量地重建室内场景。 Neuris的关键思想是将估计的室内场景正常整合为神经渲染框架中的先验，以重建大型无纹理形状，并且重要的是，以适应性的方式进行此操作，以便重建不规则的形状，并具有很好的细节。 。具体而言，我们通过检查优化过程中重建的多视图一致性来评估正常先验的忠诚。只有被接受为忠实的正常先验才能用于3D重建，通常发生在平滑形状的区域中，可能具有弱质地。但是，对于那些具有小物体或薄结构的区域，普通先验通常不可靠，我们只能依靠输入图像的视觉特征，因为此类区域通常包含相对较丰富的视觉特征（例如，阴影变化和边界轮廓）。广泛的实验表明，在重建质量方面，Neuris明显优于最先进的方法。

我们提出了一种神经动力构造（NDR），这是一种无模板的方法，可从单眼RGB-D摄像机中恢复动态场景的高保真几何形状和动作。在NDR中，我们采用神经隐式函数进行表面表示和渲染，使捕获的颜色和深度可以完全利用以共同优化表面和变形。为了表示和限制非刚性变形，我们提出了一种新型的神经可逆变形网络，以便自动满足任意两个帧之间的循环一致性。考虑到动态场景的表面拓扑可能会随着时间的流逝而发生变化，我们采用一种拓扑感知的策略来构建融合框架的拓扑变化对应关系。NDR还以全球优化的方式进一步完善了相机的姿势。公共数据集和我们收集的数据集的实验表明，NDR的表现优于现有的单眼动态重建方法。

Volumetric neural rendering methods like NeRF generate high-quality view synthesis results but are optimized per-scene leading to prohibitive reconstruction time. On the other hand, deep multi-view stereo methods can quickly reconstruct scene geometry via direct network inference. Point-NeRF combines the advantages of these two approaches by using neural 3D point clouds, with associated neural features, to model a radiance field. Point-NeRF can be rendered efficiently by aggregating neural point features near scene surfaces, in a ray marching-based rendering pipeline. Moreover, Point-NeRF can be initialized via direct inference of a pre-trained deep network to produce a neural point cloud; this point cloud can be finetuned to surpass the visual quality of NeRF with 30X faster training time. Point-NeRF can be combined with other 3D reconstruction methods and handles the errors and outliers in such methods via a novel pruning and growing mechanism. The experiments on the DTU, the NeRF Synthetics , the ScanNet and the Tanks and Temples datasets demonstrate Point-NeRF can surpass the existing methods and achieve the state-of-the-art results.

Figure 1. Given a monocular image sequence, NR-NeRF reconstructs a single canonical neural radiance field to represent geometry and appearance, and a per-time-step deformation field. We can render the scene into a novel spatio-temporal camera trajectory that significantly differs from the input trajectory. NR-NeRF also learns rigidity scores and correspondences without direct supervision on either. We can use the rigidity scores to remove the foreground, we can supersample along the time dimension, and we can exaggerate or dampen motion.

神经隐式表示在新的视图合成和来自多视图图像的高质量3D重建方面显示了其有效性。但是，大多数方法都集中在整体场景表示上，但忽略了其中的各个对象，从而限制了潜在的下游应用程序。为了学习对象组合表示形式，一些作品将2D语义图作为训练中的提示，以掌握对象之间的差异。但是他们忽略了对象几何和实例语义信息之间的牢固联系，这导致了单个实例的不准确建模。本文提出了一个新颖的框架ObjectsDF，以在3D重建和对象表示中构建具有高保真度的对象复合神经隐式表示。观察常规音量渲染管道的歧义，我们通过组合单个对象的签名距离函数（SDF）来对场景进行建模，以发挥明确的表面约束。区分不同实例的关键是重新审视单个对象的SDF和语义标签之间的牢固关联。特别是，我们将语义信息转换为对象SDF的函数，并为场景和对象开发统一而紧凑的表示形式。实验结果表明，ObjectSDF框架在表示整体对象组合场景和各个实例方面的优越性。可以在https://qianyiwu.github.io/objectsdf/上找到代码

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...

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。