智東西（公眾號：zhidxcom）
作者 | ZeR0
編輯 | 漠影
智東西6月21日報(bào)道，今日，英偉達(dá)研究院（NVIDIA Research）的新研究在全球計(jì)算機(jī)視覺三大頂級會議之一CVPR 2022（計(jì)算機(jī)視覺與模式識別會議）上亮相。
NVIDIA提出的3D MoMa逆渲染流程方法，展示了一種能將2D照片變成3D物體的新方法。圖形創(chuàng)作者可以快速將物體導(dǎo)入圖形引擎，并修改比例、改變材質(zhì)或嘗試不同的照明效果。
本周，關(guān)于3D MoMa的論文將在CVPR上發(fā)表。其論文名為《從圖像中提取三角形三維模型、材質(zhì)和照明》（Extracting Triangular 3D Models, Materials, and Lighting From Images）。這將是NVIDIA在本次CVPR上發(fā)表的38篇論文之一。
論文地址：https://arxiv.org/abs/2111.12503
項(xiàng)目地址：https://nvlabs.github.io/nvdiffrec/
一、用2D照片快速生成3D物體
3D內(nèi)容建模既需要藝術(shù)建模技能，又需要掌握計(jì)算機(jī)技術(shù)知識。而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化3D建模，可以節(jié)約大量的生產(chǎn)成本，或加速更多樣化的內(nèi)容創(chuàng)建。
其中，逆渲染是將一系列靜態(tài)照片重建為3D物體或場景模型的技術(shù)。NVIDIA圖形學(xué)研究副總裁David Luebke稱：“該技術(shù)長期以來一直是統(tǒng)一計(jì)算機(jī)視覺和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的關(guān)鍵。”
他談道：“NVIDIA 3D MoMa渲染流水線能將逆渲染問題的每個(gè)部分表示為GPU加速的可微分組件，然后使用現(xiàn)代AI機(jī)器和NVIDIA GPU的原始算力快速生成3D物體，且創(chuàng)作者可以在現(xiàn)有工具中自由地導(dǎo)入、編輯和擴(kuò)展這些物體?！?/p>
為了使藝術(shù)家或工程師能夠充分利用3D物體，其形式應(yīng)能夠?qū)胗螒蛞妗?/b>3D建模器和電影渲染器等各種被廣泛使用的工具。
帶有紋理、材質(zhì)的三角網(wǎng)格形式，就是此類3D工具使用的通用語言。
三角網(wǎng)格是用于定義3D圖形和建模形狀的基本框架。游戲工作室和其他創(chuàng)作者習(xí)慣于使用復(fù)雜的攝影測量技術(shù)來創(chuàng)建3D物體，這需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。
近期的神經(jīng)輻射場（Neural Radiance Fields）研究可以快速生成物體或場景的3D模型，但并不是使用易于編輯的三角網(wǎng)格形式。
當(dāng)在單個(gè)NVIDIA Tensor Core GPU上運(yùn)行時(shí)，NVIDIA 3D MoMa能在1小時(shí)內(nèi)生成三角網(wǎng)格模型。該流水線的輸出結(jié)果與創(chuàng)作者現(xiàn)在使用的3D圖形引擎和建模工具直接兼容。
流水線的重建功能包括3D網(wǎng)格模型、材質(zhì)和照明。網(wǎng)格就像由三角形構(gòu)建的3D形狀混凝紙漿模型。有了它，開發(fā)者就可以依照自己的創(chuàng)意對物體進(jìn)行修改。材質(zhì)是疊加在3D網(wǎng)格上的2D紋理，就像人的皮膚一樣。NVIDIA 3D MoMa通過對場景光線進(jìn)行估算，使創(chuàng)作者能夠在日后修改物體上的照明。
相比之下，近年來許多類似的3D重建研究，或者不能輕松支持場景編輯操作，或者犧牲了重建質(zhì)量，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中編碼的材質(zhì)也不能輕易地被編輯或提取成與傳統(tǒng)游戲引擎兼容的形式。
二、為虛擬爵士樂隊(duì)調(diào)校樂器
為了展示NVIDIA 3D MoMa的功能，NVIDIA的研究和創(chuàng)意團(tuán)隊(duì)首先從不同角度收集了五種爵士樂隊(duì)樂器（小號、長號、薩克斯、架子鼓和單簧管）的約100張圖片。
NVIDIA 3D MoMa將2D圖像重建為每種樂器的3D表示，并以網(wǎng)格形式呈現(xiàn)。
然后，NVIDIA團(tuán)隊(duì)將這些樂器從原始場景中取出，并將其導(dǎo)入NVIDIA Omniverse 3D模擬平臺中進(jìn)行編輯。
在任何傳統(tǒng)圖形引擎中，創(chuàng)作者都能輕松為形狀調(diào)換由NVIDIA 3D MoMa生成的材質(zhì)，就像給網(wǎng)格穿上不同的衣服一樣。
例如，該團(tuán)隊(duì)對小號模型采取了這種做法，將原來的塑料材質(zhì)，快速更換成黃金、大理石、木材或軟木。
創(chuàng)作者可以將新編輯的物體放入任何虛擬場景中。NVIDIA團(tuán)隊(duì)將這些樂器放入了經(jīng)典的圖形渲染質(zhì)量測試康奈爾盒中。
他們證明了虛擬樂器對光線的反應(yīng)與在物理世界中完全一樣：閃亮的銅管樂器反射出亮光，啞光的鼓皮則會吸收光線。
這些通過逆渲染生成的新物體可以作為復(fù)雜動(dòng)畫場景的構(gòu)成要素。
▲虛擬爵士樂隊(duì)
三、高效的逆渲染方法，整體研究思路概述
總體來說，研究人員提出了一種高效的逆渲染方法，能從多視角圖像中提取具有空間變化的材料和環(huán)境照明的未知拓?fù)淙蔷W(wǎng)格，它們可以部署在任何傳統(tǒng)圖形引擎中而未經(jīng)修改。
▲研究方法的概述
NVIDIA團(tuán)隊(duì)假設(shè)在一個(gè)未知的環(huán)境光照條件下，有相應(yīng)的攝像機(jī)位姿和背景分割掩模來指示這些圖像中的物體，進(jìn)行3D重建。
該方法學(xué)習(xí)曲面網(wǎng)格的拓?fù)浜晚旤c(diǎn)位置，而無需對3D幾何圖形進(jìn)行任何初始猜測。其目標(biāo)表示由三角網(wǎng)格、空間變化的材質(zhì)（存儲在2D紋理中）和照明（一個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍的環(huán)境探針）組成。
該方法的核心是基于可變性四面體網(wǎng)格的可微分曲面模型，并通過一種新的可微分分割和近似方法將其擴(kuò)展到支持空間變化的材料和高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）環(huán)境照明。
研究人員使用高度優(yōu)化的可微分光柵與延遲遮光，聯(lián)合優(yōu)化幾何、材料和照明。生成的3D模型無需轉(zhuǎn)換，就能部署在手機(jī)、web瀏覽器等任意支持三角渲染的設(shè)備上，并以交互速率呈現(xiàn)。
▲NVIDIA團(tuán)隊(duì)從2D監(jiān)督中聯(lián)合學(xué)習(xí)拓?fù)?、材質(zhì)、照明，重建三角網(wǎng)格，無需修改即可在標(biāo)準(zhǔn)游戲引擎中使用
實(shí)驗(yàn)表明，該研究提取的模型可用于場景編輯、材料分解和高質(zhì)量視圖插值，所有這些模型都在基于三角形的渲染器（光柵器和路徑跟蹤器）中以交互速率運(yùn)行。
結(jié)語：將助力簡化創(chuàng)意團(tuán)隊(duì)的工作流程
在論文最后，本篇論文作者提到，這項(xiàng)研究的主要限制是簡化了陰影模型，沒有考慮全局照明或陰影。這一選擇是有意加速優(yōu)化，但受制于材質(zhì)提取和重照明。
隨著可微分路徑追蹤的研究取得新進(jìn)展，研究人員期待在未來的工作中去除這一限制。其他限制還包括靜態(tài)照明假設(shè)、沒有優(yōu)化攝像機(jī)位姿、訓(xùn)練期間高計(jì)算資源和內(nèi)存消耗等。
當(dāng)然，每當(dāng)涉及場景重建方法，大眾普遍會關(guān)心深度偽造問題。對此，研究人員稱尚未察覺或預(yù)見到其方法的負(fù)面用途。
總的來說，NVIDIA這項(xiàng)能幫助創(chuàng)作者快速將2D照片變成3D物體、兼容現(xiàn)代3D引擎和建模工具的新研究，將有助于進(jìn)一步簡化建筑師、設(shè)計(jì)師、概念藝術(shù)家和游戲開發(fā)者等創(chuàng)意團(tuán)隊(duì)的工作流程，為他們騰出更多發(fā)揮創(chuàng)意的時(shí)間。
