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.

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.

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

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。

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。

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。

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.

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。

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.

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...

深层隐式表面在建模通用形状方面表现出色，但并不总是捕获制造物体中存在的规律性，这是简单的几何原始词特别擅长。在本文中，我们提出了一个结合潜在和显式参数的表示，可以将其解码为一组彼此一致的深层隐式和几何形状。结果，我们可以有效地对制成物体共存的复杂形状和高度规则形状进行建模。这使我们能够以有效而精确的方式操纵3D形状的方法。

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。

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。

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/

This work introduces alternating latent topologies (ALTO) for high-fidelity reconstruction of implicit 3D surfaces from noisy point clouds. Previous work identifies that the spatial arrangement of latent encodings is important to recover detail. One school of thought is to encode a latent vector for each point (point latents). Another school of thought is to project point latents into a grid (grid latents) which could be a voxel grid or triplane grid. Each school of thought has tradeoffs. Grid latents are coarse and lose high-frequency detail. In contrast, point latents preserve detail. However, point latents are more difficult to decode into a surface, and quality and runtime suffer. In this paper, we propose ALTO to sequentially alternate between geometric representations, before converging to an easy-to-decode latent. We find that this preserves spatial expressiveness and makes decoding lightweight. We validate ALTO on implicit 3D recovery and observe not only a performance improvement over the state-of-the-art, but a runtime improvement of 3-10$\times$. Project website at https://visual.ee.ucla.edu/alto.htm/.

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/

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。

我们引入了统一的单一和多视图神经隐式3D重建框架VPFusion。 VPFusion使用-3D功能卷获得高质量的重建，以捕获3D结构感知的上下文和像素对齐的图像特征，以捕获精细的本地细节。现有方法使用RNN，功能池或注意力在每个视图中独立计算以进行多视图融合。 RNN遭受长期记忆丧失和置换差异的困扰，而特征池或独立计算的注意力会导致每种视图中的表示形式在最后的合并步骤之前都不知道其他视图。相比之下，我们通过建立基于变压器的成对视图关联来显示改进的多视图融合。特别是，我们提出了一种新颖的交错3D推理和成对视图的关联结构，以跨不同视图的特征体积融合。使用此结构感知和多视图感知功能量，与现有方法相比，我们显示出改进的3D重建性能。 VPFusion还通过合并与像素一致的本地图像功能来进一步提高重建质量，以捕获细节。我们验证了VPFusion在Shapenet和ModelNet数据集上的有效性，在该数据集中，我们在该数据集中胜过或执行最先进的单个和多视图3D形状重建方法。