我们引入了一个新的隐式形状表示，称为基于射线的隐式函数（PRIF）。与基于处理空间位置的签名距离函数（SDF）的大多数现有方法相反，我们的表示形式在定向射线上运行。具体而言，PRIF的配制是直接产生给定输入射线的表面命中点，而无需昂贵的球体跟踪操作，因此可以有效地提取形状提取和可区分的渲染。我们证明，经过编码PRIF的神经网络在各种任务中取得了成功，包括单个形状表示，类别形状的生成，从稀疏或嘈杂的观察到形状完成，相机姿势估计的逆渲染以及带有颜色的神经渲染。

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。

We propose a differentiable sphere tracing algorithm to bridge the gap between inverse graphics methods and the recently proposed deep learning based implicit signed distance function. Due to the nature of the implicit function, the rendering process requires tremendous function queries, which is particularly problematic when the function is represented as a neural network. We optimize both the forward and backward passes of our rendering layer to make it run efficiently with affordable memory consumption on a commodity graphics card. Our rendering method is fully differentiable such that losses can be directly computed on the rendered 2D observations, and the gradients can be propagated backwards to optimize the 3D geometry. We show that our rendering method can effectively reconstruct accurate 3D shapes from various inputs, such as sparse depth and multi-view images, through inverse optimization. With the geometry based reasoning, our 3D shape prediction methods show excellent generalization capability and robustness against various noises. * Work done while Shaohui Liu was an academic guest at ETH Zurich.

Neural 3D implicit representations learn priors that are useful for diverse applications, such as single- or multiple-view 3D reconstruction. A major downside of existing approaches while rendering an image is that they require evaluating the network multiple times per camera ray so that the high computational time forms a bottleneck for downstream applications. We address this problem by introducing a novel neural scene representation that we call the directional distance function (DDF). To this end, we learn a signed distance function (SDF) along with our DDF model to represent a class of shapes. Specifically, our DDF is defined on the unit sphere and predicts the distance to the surface along any given direction. Therefore, our DDF allows rendering images with just a single network evaluation per camera ray. Based on our DDF, we present a novel fast algorithm (FIRe) to reconstruct 3D shapes given a posed depth map. We evaluate our proposed method on 3D reconstruction from single-view depth images, where we empirically show that our algorithm reconstructs 3D shapes more accurately and it is more than 15 times faster (per iteration) than competing methods.

In this work we address the challenging problem of multiview 3D surface reconstruction. We introduce a neural network architecture that simultaneously learns the unknown geometry, camera parameters, and a neural renderer that approximates the light reflected from the surface towards the camera. The geometry is represented as a zero level-set of a neural network, while the neural renderer, derived from the rendering equation, is capable of (implicitly) modeling a wide set of lighting conditions and materials. We trained our network on real world 2D images of objects with different material properties, lighting conditions, and noisy camera initializations from the DTU MVS dataset. We found our model to produce state of the art 3D surface reconstructions with high fidelity, resolution and detail.

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.

将3D坐标映射到签名距离函数（SDF）或占用值的神经网络具有启用对象形状的高保真隐式表示。本文开发了一种新的形状模型，允许通过优化连续符号定向距离功能（SDDF）来合成新颖距离视图。与Deep SDF模型类似，我们的SDDF配方可以代表整个类别的形状并从部分输入数据中跨越形状填写或插入。与SDF不同，该SDF在任何方向上测量到最近表面的距离，SDDF测量给定方向的距离。这允许训练没有3D形状监控的SDDF模型，仅使用距离测量，从深度相机或激光雷达传感器易获得。我们的模型还通过直接在任意位置和观察方向上直接预测距离，去除像表面提取或渲染的后处理步骤。与深色视角综合技术不同，例如培训高容量黑盒型号的神经辐射字段，我们的模型通过构造SDDF值沿着观察方向线性降低的性质。这种结构约束不仅导致维度降低，而且还提供了关于SDDF预测的准确性的分析信心，无论到物体表面的距离如何。

我们呈现圆圈，基于本地隐式符号距离函数的大规模场景完成和几何精致的框架。它基于端到端的稀疏卷积网络，Circnet，共同模拟局部几何细节和全局场景结构背景，使其能够在传统3D场景数据中恢复通常产生的缺失区域的同时保留细粒度的对象细节。一种新颖的可分解渲染模块，可以进行测试时间精制以获得更好的重建质量。对现实世界和合成数据集的广泛实验表明，我们的简明框架是高效且有效的，实现比最接近竞争对手更好的重建质量，同时速度更快。

从单视图重建3D形状是一个长期的研究问题。在本文中，我们展示了深度隐式地面网络，其可以通过预测底层符号距离场来从2D图像产生高质量的细节的3D网格。除了利用全局图像特征之外，禁止2D图像上的每个3D点的投影位置，并从图像特征映射中提取本地特征。结合全球和局部特征显着提高了符合距离场预测的准确性，特别是对于富含细节的区域。据我们所知，伪装是一种不断捕获从单视图图像中存在于3D形状中存在的孔和薄结构等细节的方法。 Disn在从合成和真实图像重建的各种形状类别上实现最先进的单视性重建性能。代码可在https://github.com/xharlie/disn提供补充可以在https://xharlie.github.io/images/neUrips_2019_Supp.pdf中找到补充

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。

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

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。

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...

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。

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.

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.

我们的方法从单个RGB-D观察中研究了以对象为中心的3D理解的复杂任务。由于这是一个不适的问题，因此现有的方法在3D形状和6D姿势和尺寸估计中都遭受了遮挡的复杂多对象方案的尺寸估计。我们提出了Shapo，这是一种联合多对象检测的方法，3D纹理重建，6D对象姿势和尺寸估计。 Shapo的关键是一条单杆管道，可回归形状，外观和构成潜在的代码以及每个对象实例的口罩，然后以稀疏到密集的方式进一步完善。首先学到了一种新颖的剖面形状和前景数据库，以将对象嵌入各自的形状和外观空间中。我们还提出了一个基于OCTREE的新颖的可区分优化步骤，使我们能够以分析的方式进一步改善对象形状，姿势和外观。我们新颖的联合隐式纹理对象表示使我们能够准确地识别和重建新颖的看不见的对象，而无需访问其3D网格。通过广泛的实验，我们表明我们的方法在模拟的室内场景上进行了训练，可以准确地回归现实世界中新颖物体的形状，外观和姿势，并以最小的微调。我们的方法显着超过了NOCS数据集上的所有基准，对于6D姿势估计，MAP的绝对改进为8％。项目页面：https：//zubair-irshad.github.io/projects/shapo.html

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。