撸猫何必要真猫，一张靓照也可以！斯坦福英伟达3D版神笔马良连屠两榜，3D合成7倍速

编辑：小咸鱼 好困

【新智元导读】近日，来自斯坦福大学和英伟达的研究人员提出了一种新的方法，大幅提升了3D合成任务的计算效率和图像质量，不仅将渲染速度提高了7倍多，而且还将使用的内存降低到16分之一以内。

看一张平面的照片，还原一张3D人脸，对人来说好像不是那么难。

这是因为人的大脑已经做了很多的「脑补」，把单一视角看不到的信息都尽量补全了。

而补全的方式可能需要依赖人们不断积累的经验。

然而，让AI仅用单一视角的2D照片集合，无监督地生成高质量的多视角图像和3D形状，可真是要把它难倒了。

现有的3D GAN要么是计算量太高，要么近似的时候做不到3D一致性。而前者限制了生成图像的质量和分辨率，后者则对多视图一致性和形状质量有不利影响。

近日，来自斯坦福大学和英伟达的研究人员提出了一种全新的方法，在没有过度依赖近似值的情况下，改善了3D GAN的计算效率和图像质量。

https://arxiv.org/pdf/2112.07945.pdf

为此，作者引入了一个富有表现力的显式-隐式混合网络架构，不仅可以实时合成高分辨率的多视图一致性图像，还可以产生高质量的三维几何图形。

通过解耦特征生成和神经渲染，论文的框架能够利用SOTA的二维CNN生成器，如StyleGAN2，并继承其高效性和表现力。

实验结果表明，论文提出的3D GAN在FFHQ和AFHQ Cats数据集上实现了SOTA的3D感知合成效果。

高质量、多视角一致的渲染和详细的几何图形

值得一提的是，文中的方法直接从2D图像的集合中进行训练，而不需要目标特定的形状先验、三维扫描信息或多视图监督信息。

话不多说，上效果！

前方多图预警（doge）。

使用FFHQ和AFHQv2 Cats训练的模型的合成示例

在场景合成的定性实验中，论文中的3D GAN采用的方法既能产生高质量、多视图一致的渲染，又能产生详细的3D几何图形。

GIRAFFE，pi-GAN，Lifting StyleGAN和3D GAN产生的3D人脸效果

在渲染彩色视频时，3D GAN是通过沿着路径移动摄像机，同时固定控制场景的隐码实现的。

在渲染人物的表面时，3D GAN通过提取三维表征的密度场与等值面得到相关信息。

3D GAN框架

3D GAN框架包括几个部分：基于StyleGAN2的特征生成器和映射网络、具有轻量级特征解码器的三平面3D表示模块、神经体积渲染器、超分辨率模块和具有dual discrimination的StyleGAN2鉴别器。

这种架构将特征生成和神经渲染分离开来，并且可以使用强大的StyleGAN2生成器进行三维场景概括，十分优雅。

此外，轻量级3D三平面表示在实现高质量的3D视图实时合成方面，既能保证合成3D视图的表现力又能做到十分高效。

三平面表示法

3D GAN框架中有一个设计非常巧妙的模块：轻量级3D三平面表示。

根据前人的工作，用神经渲染来训练GAN的成本极高。

因此作者采用了一种混合的显式-隐式三维表征，从而尽可能提高神经渲染的效率。

通过结合一个显式骨干，可以产生在三个正交平面上排列的特征，以及一个小型的隐式解码器。

与典型的多层感知器表征方法相比，3D三平面表示方法在速度上提高了7倍以上，而使用的内存却不到16分之一。

如上图a所示，神经隐性表征（NeRF）使用带有位置编码（PE）的全连接层（FC）来表示一个场景，但其查询速度很慢。

上图b中的显式体素化网格（Voxels）使用小型隐式解码器的混合变体，虽然查询速度快，但随着分辨率的提高，其获得的细节也会变少。

而该论文中提出的显式-隐式混合三平面表征方法不仅速度快，而且可以随着分辨率的增加而有效地扩展，在同等容量下可以获得更多细节。

在下图中，左图为完全隐式的Mip-NeRF表示、中间为密集体素网格（Voxels），而3D GAN采用三平面表示。

肉眼可见，三平面合成视图的效果达到了最高质量。

多视图场景的合成视图

实验结果

该论文将3D GAN与三种最先进的三维图像合成方法（π-GAN，GIRAFFE，和Lifting StyleGAN）进行了比较。

在两个数据集上，3D GAN在FID、ID、深度精度和姿态精度指标上，实现了SOTA的性能。

在FFHQ数据集上使用FID、ID、深度精度和姿态精度进行定量评估，在AFHQ Cats使用FID进行评估，128，256，512代表训练和评估的图像分辨率

研究人员还比较了这几种方法在单个英伟达RTX 3090图形处理器上的推理渲染速度。

可以看出，3D GAN方法明显快于π-GAN。

当然，虽然3D GAN比Lifting StyleGAN和GIRAFFE计算成本更高，但是其在图像质量、几何质量和视图一致性上，有非常重大的改进。

不同渲染分辨率下的每秒帧数

其中，3D GAN有使用和没使用三平面缓存（TC）方法的两种变体。实验在单个RTX 3090图形处理器上运行。

实时合成和渲染场景的演示

在未来，富有真实感的3D感知图像合成可以实现3D模型的快速制作、更可控的图像合成等等应用。

再进一步，如果能实现以实时帧率进行场景合成和渲染，那就会为许多令人兴奋的互动应用打开大门。

参考资料：

https://matthew-a-chan.github.io/EG3D/

https://arxiv.org/abs/2112.07945