Human modeling and relighting are two fundamental problems in computer vision and graphics, where high-quality datasets can largely facilitate related research. However, most existing human datasets only provide multi-view human images captured under the same illumination. Although valuable for modeling tasks, they are not readily used in relighting problems. To promote research in both fields, in this paper, we present UltraStage, a new 3D human dataset that contains more than 2K high-quality human assets captured under both multi-view and multi-illumination settings. Specifically, for each example, we provide 32 surrounding views illuminated with one white light and two gradient illuminations. In addition to regular multi-view images, gradient illuminations help recover detailed surface normal and spatially-varying material maps, enabling various relighting applications. Inspired by recent advances in neural representation, we further interpret each example into a neural human asset which allows novel view synthesis under arbitrary lighting conditions. We show our neural human assets can achieve extremely high capture performance and are capable of representing fine details such as facial wrinkles and cloth folds. We also validate UltraStage in single image relighting tasks, training neural networks with virtual relighted data from neural assets and demonstrating realistic rendering improvements over prior arts. UltraStage will be publicly available to the community to stimulate significant future developments in various human modeling and rendering tasks.

生产级别的工作流程用于产生令人信服的3D动态人体面孔长期以来依赖各种劳动密集型工具用于几何和纹理生成，运动捕获和索具以及表达合成。最近的神经方法可以使单个组件自动化，但是相应的潜在表示不能像常规工具一样为艺术家提供明确的控制。在本文中，我们提出了一种新的基于学习的，视频驱动的方法，用于生成具有高质量基于物理资产的动态面部几何形状。对于数据收集，我们构建了一个混合多视频测量捕获阶段，与超快速摄像机耦合以获得原始的3D面部资产。然后，我们着手使用单独的VAE对面部表达，几何形状和基于物理的纹理进行建模，我们在各个网络的潜在范围内强加了基于全局MLP的表达映射，以保留各个属性的特征。我们还将增量信息建模为基于物理的纹理的皱纹图，从而达到高质量的4K动态纹理。我们展示了我们在高保真表演者特异性面部捕获和跨认同面部运动重新定位中的方法。此外，我们的基于多VAE的神经资产以及快速适应方案也可以部署以处理内部视频。此外，我们通过提供具有较高现实主义的各种有希望的基于身体的编辑结果来激发我们明确的面部解散策略的实用性。综合实验表明，与以前的视频驱动的面部重建和动画方法相比，我们的技术提供了更高的准确性和视觉保真度。

在这项工作中，我们提出了叙述，这是一种新颖的管道，可以以逼真的方式同时编辑肖像照明和观点。作为一种混合神经形态的面部模型，叙述了几何学感知生成方法和正常辅助物理面部模型的互补益处。简而言之，叙述首先将输入肖像转变为粗糙的几何形状，并采用神经渲染来产生类似于输入的图像，并产生令人信服的姿势变化。但是，反演步骤引入了不匹配，带来了较少面部细节的低质量图像。因此，我们进一步估计了师范的肖像，以增强粗糙的几何形状，从而创建高保真的物理面部模型。特别是，我们融合了神经和身体渲染，以补偿不完善的反转，从而产生了现实和视图一致的新颖透视图像。在重新阶段，以前的作品着重于单一视图肖像重新审议，但也忽略了不同观点之间的一致性，引导不稳定和不一致的照明效果以进行视图变化。我们通过将其多视图输入正常地图与物理面部模型统一，以解决此问题。叙事通过一致的正常地图进行重新进行重新，施加了跨视图的约束并表现出稳定且连贯的照明效果。我们在实验上证明，叙述在先前的工作中取得了更现实的，可靠的结果。我们进一步使用动画和样式转移工具进行介绍，从而分别或组合姿势变化，灯光变化，面部动画和样式转移，所有这些都以摄影质量为单位。我们展示了生动的自由视图面部动画以及3D感知可靠的风格化，可帮助促进各种AR/VR应用程序，例如虚拟摄影，3D视频会议和后期制作。

Indoor scenes typically exhibit complex, spatially-varying appearance from global illumination, making inverse rendering a challenging ill-posed problem. This work presents an end-to-end, learning-based inverse rendering framework incorporating differentiable Monte Carlo raytracing with importance sampling. The framework takes a single image as input to jointly recover the underlying geometry, spatially-varying lighting, and photorealistic materials. Specifically, we introduce a physically-based differentiable rendering layer with screen-space ray tracing, resulting in more realistic specular reflections that match the input photo. In addition, we create a large-scale, photorealistic indoor scene dataset with significantly richer details like complex furniture and dedicated decorations. Further, we design a novel out-of-view lighting network with uncertainty-aware refinement leveraging hypernetwork-based neural radiance fields to predict lighting outside the view of the input photo. Through extensive evaluations on common benchmark datasets, we demonstrate superior inverse rendering quality of our method compared to state-of-the-art baselines, enabling various applications such as complex object insertion and material editing with high fidelity. Code and data will be made available at \url{https://jingsenzhu.github.io/invrend}.

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...

We propose a novel method for high-quality facial texture reconstruction from RGB images using a novel capturing routine based on a single smartphone which we equip with an inexpensive polarization foil. Specifically, we turn the flashlight into a polarized light source and add a polarization filter on top of the camera. Leveraging this setup, we capture the face of a subject with cross-polarized and parallel-polarized light. For each subject, we record two short sequences in a dark environment under flash illumination with different light polarization using the modified smartphone. Based on these observations, we reconstruct an explicit surface mesh of the face using structure from motion. We then exploit the camera and light co-location within a differentiable renderer to optimize the facial textures using an analysis-by-synthesis approach. Our method optimizes for high-resolution normal textures, diffuse albedo, and specular albedo using a coarse-to-fine optimization scheme. We show that the optimized textures can be used in a standard rendering pipeline to synthesize high-quality photo-realistic 3D digital humans in novel environments.

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。

我们解决了从由一个未知照明条件照射的物体的多视图图像（及其相机姿势）从多视图图像（和它们的相机姿势）恢复物体的形状和空间变化的空间变化的问题。这使得能够在任意环境照明下呈现对象的新颖视图和对象的材料属性的编辑。我们呼叫神经辐射分解（NERFVERTOR）的方法的关键是蒸馏神经辐射场（NERF）的体积几何形状[MILDENHALL等人。 2020]将物体表示为表面表示，然后在求解空间改变的反射率和环境照明时共同细化几何形状。具体而言，Nerfactor仅使用重新渲染丢失，简单的光滑度Provers以及从真实学中学到的数据驱动的BRDF而无任何监督的表面法线，光可视性，Albedo和双向反射率和双向反射分布函数（BRDF）的3D神经领域-world brdf测量。通过显式建模光可视性，心脏请能够将来自Albedo的阴影分离，并在任意照明条件下合成现实的软或硬阴影。 Nerfactor能够在这场具有挑战性和实际场景的挑战和捕获的捕获设置中恢复令人信服的3D模型进行令人满意的3D模型。定性和定量实验表明，在各种任务中，内容越优于基于经典和基于深度的学习状态。我们的视频，代码和数据可在peoptom.csail.mit.edu/xiuming/projects/nerfactor/上获得。

传统上，本征成像或内在图像分解被描述为将图像分解为两层：反射率，材料的反射率;和一个阴影，由光和几何之间的相互作用产生。近年来，深入学习技术已广泛应用，以提高这些分离的准确性。在本调查中，我们概述了那些在知名内在图像数据集和文献中使用的相关度量的结果，讨论了预测所需的内在图像分解的适用性。虽然Lambertian的假设仍然是许多方法的基础，但我们表明，对图像形成过程更复杂的物理原理组件的潜力越来越意识到，这是光学准确的材料模型和几何形状，更完整的逆轻型运输估计。考虑使用的前瞻和模型以及驾驶分解过程的学习架构和方法，我们将这些方法分类为分解的类型。考虑到最近神经，逆和可微分的渲染技术的进步，我们还提供了关于未来研究方向的见解。

给定一组场景的图像，从新颖的观点和照明条件中重新渲染了这个场景是计算机视觉和图形中的一个重要且具有挑战性的问题。一方面，计算机视觉中的大多数现有作品通常对图像形成过程（例如直接照明和预定义的材料，以使场景参数估计可进行。另一方面，成熟的计算机图形工具允许对所有场景参数进行复杂的照片现实光传输的建模。结合了这些方法，我们通过学习神经预先计算的辐射转移功能，提出了一种在新观点下重新考虑的场景方法，该方法使用新颖的环境图隐含地处理全球照明效应。在单个未知的照明条件下，我们的方法可以仅在场景的一组真实图像上进行监督。为了消除训练期间的任务，我们在训练过程中紧密整合了可区分的路径示踪剂，并提出了合成的OLAT和真实图像丢失的组合。结果表明，场景参数的恢复分离在目前的现状，因此，我们的重新渲染结果也更加现实和准确。

传统的多视图光度立体声（MVP）方法通常由多个不相交阶段组成，从而导致明显的累积错误。在本文中，我们提出了一种基于隐式表示的MVP的神经反向渲染方法。给定通过多个未知方向灯照亮的非陆层物体的多视图图像，我们的方法共同估计几何形状，材料和灯光。我们的方法首先采用多光图像来估计每视图正常地图，这些图用于使从神经辐射场得出的正态定向。然后，它可以根据具有阴影可区分的渲染层共同优化表面正态，空间变化的BRDF和灯。优化后，重建的对象可用于新颖的视图渲染，重新定义和材料编辑。合成数据集和真实数据集的实验表明，与现有的MVP和神经渲染方法相比，我们的方法实现了更准确的形状重建。我们的代码和模型可以在https://ywq.github.io/psnerf上找到。

创建高质量的动画和可重新可靠的3D人体化身的独特挑战是对人的眼睛进行建模。合成眼睛的挑战是多重的，因为它需要1）适当的表示眼和眼周区域的适当表示，以进行连贯的视点合成，能够表示弥漫性，折射和高度反射表面，2）2）脱离皮肤和眼睛外观这样的照明使其可以在新的照明条件下呈现，3）捕获眼球运动和周围皮肤的变形以使重新注视。传统上，这些挑战需要使用昂贵且繁琐的捕获设置来获得高质量的结果，即使那样，整体上的眼睛区域建模仍然难以捉摸。我们提出了一种新颖的几何形状和外观表示形式，该形式仅使用一组稀疏的灯光和摄像头，可以捕获高保真的捕获和感性动画，观察眼睛区域的综合和重新定位。我们的杂种表示将眼球的显式参数表面模型与眼周区域和眼内部的隐式变形体积表示结合在一起。这种新颖的混合模型旨在解决具有挑战性的面部面积的各个部分 - 明确的眼球表面允许在角膜处建模折射和高频镜面反射，而隐性表示非常适合通过模拟低频皮肤反射。球形谐波可以代表非表面结构，例如头发或弥漫性体积物体，这两者都是显式表面模型的挑战。我们表明，对于高分辨率的眼睛特写，我们的模型可以从看不见的照明条件下的新颖观点中综合高保真动画的目光。

Google Research Basecolor Metallic Roughness Normal Multi-View Images NeRD Volume Decomposed BRDF Relighting & View synthesis Textured MeshFigure 1: Neural Reflectance Decomposition for Relighting. We encode multiple views of an object under varying or fixed illumination into the NeRD volume.We decompose each given image into geometry, spatially-varying BRDF parameters and a rough approximation of the incident illumination in a globally consistent manner. We then extract a relightable textured mesh that can be re-rendered under novel illumination conditions in real-time.

在过去几年中，许多面部分析任务已经完成了惊人的性能，其中应用包括来自单个“野外”图像的面部生成和3D面重建。尽管如此，据我们所知，没有方法可以从“野外”图像中产生渲染的高分辨率3D面，并且这可以归因于：（a）可用数据的跨度进行培训（b）缺乏可以成功应用于非常高分辨率数据的强大方法。在这项工作中，我们介绍了一种能够从单个“野外”图像中重建光电型渲染3D面部几何和BRDF的第一种方法。我们捕获了一个大型的面部形状和反射率，我们已经公开了。我们用精确的面部皮肤漫射和镜面反射，自遮挡和地下散射近似来定义快速面部光电型拟型渲染方法。有了这一点，我们训练一个网络，将面部漫射和镜面BRDF组件与烘焙照明的形状和质地一起脱颖而出，以最先进的3DMM配件方法重建。我们的方法通过显着的余量优于现有技术，并从单个低分辨率图像重建高分辨率3D面，这可以在各种应用中呈现，并桥接不一体谷。

最近的神经渲染方法通过用神经网络预测体积密度和颜色来证明了准确的视图插值。虽然可以在静态和动态场景上监督这种体积表示，但是现有方法隐含地将完整的场景光传输释放到一个神经网络中，用于给定场景，包括曲面建模，双向散射分布函数和间接照明效果。与传统的渲染管道相比，这禁止在场景中改变表面反射率，照明或构成其他物体。在这项工作中，我们明确地模拟了场景表面之间的光传输，我们依靠传统的集成方案和渲染方程来重建场景。所提出的方法允许BSDF恢复，具有未知的光条件和诸如路径传输的经典光传输。通过在传统渲染方法中建立的表面表示的分解传输，该方法自然促进了编辑形状，反射率，照明和场景组成。该方法优于神经，在已知的照明条件下可发光，并为refit和编辑场景产生现实的重建。我们验证了从综合和捕获的视图上了解的场景编辑，致密和反射率估算的建议方法，并捕获了神经数据集的子集。

Reflections on glossy objects contain valuable and hidden information about the surrounding environment. By converting these objects into cameras, we can unlock exciting applications, including imaging beyond the camera's field-of-view and from seemingly impossible vantage points, e.g. from reflections on the human eye. However, this task is challenging because reflections depend jointly on object geometry, material properties, the 3D environment, and the observer viewing direction. Our approach converts glossy objects with unknown geometry into radiance-field cameras to image the world from the object's perspective. Our key insight is to convert the object surface into a virtual sensor that captures cast reflections as a 2D projection of the 5D environment radiance field visible to the object. We show that recovering the environment radiance fields enables depth and radiance estimation from the object to its surroundings in addition to beyond field-of-view novel-view synthesis, i.e. rendering of novel views that are only directly-visible to the glossy object present in the scene, but not the observer. Moreover, using the radiance field we can image around occluders caused by close-by objects in the scene. Our method is trained end-to-end on multi-view images of the object and jointly estimates object geometry, diffuse radiance, and the 5D environment radiance field.

我们人类正在进入虚拟时代，确实想将动物带到虚拟世界中。然而，计算机生成的（CGI）毛茸茸的动物受到乏味的离线渲染的限制，更不用说交互式运动控制了。在本文中，我们提出了Artemis，这是一种新型的神经建模和渲染管道，用于生成具有外观和运动合成的清晰神经宠物。我们的Artemis可以实现互动运动控制，实时动画和毛茸茸的动物的照片真实渲染。我们的Artemis的核心是神经生成的（NGI）动物引擎，该动物发动机采用了有效的基于OCTREE的动物动画和毛皮渲染的代表。然后，该动画等同于基于显式骨骼翘曲的体素级变形。我们进一步使用快速的OCTREE索引和有效的体积渲染方案来生成外观和密度特征地图。最后，我们提出了一个新颖的阴影网络，以在外观和密度特征图中生成外观和不透明度的高保真细节。对于Artemis中的运动控制模块，我们将最新动物运动捕获方法与最近的神经特征控制方案相结合。我们引入了一种有效的优化方案，以重建由多视图RGB和Vicon相机阵列捕获的真实动物的骨骼运动。我们将所有捕获的运动馈送到神经角色控制方案中，以生成具有运动样式的抽象控制信号。我们将Artemis进一步整合到支持VR耳机的现有引擎中，提供了前所未有的沉浸式体验，用户可以与各种具有生动动作和光真实外观的虚拟动物进行紧密互动。我们可以通过https://haiminluo.github.io/publication/artemis/提供我们的Artemis模型和动态毛茸茸的动物数据集。

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。

照片中的户外场景的照片拟实的编辑需要对图像形成过程的深刻理解和场景几何，反射和照明的准确估计。然后可以在保持场景Albedo和几何形状的同时进行照明的微妙操纵。我们呈现NERF-OSR，即，基于神经辐射场的户外场景复兴的第一种方法。与现有技术相比，我们的技术允许仅使用在不受控制的设置中拍摄的户外照片集合的场景照明和相机视点。此外，它能够直接控制通过球面谐波模型所定义的场景照明。它还包括用于阴影再现的专用网络，这对于高质量的室外场景致密至关重要。为了评估所提出的方法，我们收集了几个户外站点的新基准数据集，其中每个站点从多个视点拍摄和不同的时间。对于每个定时，360度环境映射与颜色校准Chequerboard一起捕获，以允许对实际真实的真实数据进行准确的数值评估。反对本领域的状态的比较表明，NERF-OSR能够以更高的质量和逼真的自阴影再现来实现可控的照明和视点编辑。我们的方法和数据集将在https://4dqv.mpi-inf.mpg.de/nerf-OSR/上公开可用。

我们介绍了Doublefield，这是一个新颖的框架，结合了高保真人体重建和渲染的表面场和辐射场的优点。在DoubleField中，表面字段和辐射字段通过共享特征嵌入和表面引导采样策略相关联。此外，将视图到视图变压器被引入熔丝多视图特征，并直接从高分辨率输入学习视图依赖性功能。通过DoubleField和视图到视图变压器的建模功能，我们的方法显着提高了几何形状和外观的重建质量，同时支持直接推理，现场特定的高分辨率FineTuning和快速渲染。 Doublefield的功效通过多个数据集的定量评估和真实世界稀疏多视图系统的定性结果验证，显示了其高质量人体模型重建和光学真实自由观点人类渲染的优异能力。数据和源代码将公开用于研究目的。请参阅我们的项目页面：http：//www.liuyebin.com/dbfield/dbfield.html。