ICCV 2021 | 字节跳动利用单张图片做三维重建：将NeRF、MPI结合，提出MINE

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字节跳动视觉技术团队

来自字节跳动视觉技术团队的研究者将 NeRF 和 Multiplane Image（MPI）结合，提出了一种新的三维空间表达方式 MINE。该方法通过对单张图片做三维重建，实现新视角合成和深度估算。

字节跳动视觉技术团队结合 NeRF 和 Multiplane Image（MPI），提出了一种新的三维空间表达方式 MINE。MINE 通过对单张图片做三维重建，实现新视角合成和深度估算。通过引入隐式神经场（NeRF），研究者将 Multiplane Images （MPI）扩展成连续的深度平面。给定单个图片作为输入，MINE 能在相机视锥中的任意深度，预测出一个四通道的图像，四通道包括 RGB 颜色和空间密度。这种任意深度的四通道预测，实际上是对输入图片的视锥的三维重建，以及对被遮挡内容的填充（inpainting）。我们可以利用被重建和填充的视锥方便地渲染出新视角下的 RGB 图片和深度图，并且渲染过程是可导的。

论文地址：https://arxiv.org/pdf/2103.14910.pdf
项目地址：https://github.com/vincentfung13/MINE

在 RealEstate10K，KITTI 和 Flowers Light Fields 数据集上的实验表明，MINE 在新视角合成的性能上大幅超越了当前最前沿的方法。同时，在 iBims-1 和 NYU-v2 的实验表明，团队在没有使用真值深度做监督训练的情况下，获得了和前沿方法接近的深度估计性能。

该研究的训练代码与 pretrain model 已经开源。

相关工作

近年来，在新视角合成这个领域里，最火爆的方法无疑是 ECCV 2020 的 NeRF [5]。与传统的一些手工设计的显式三维表达（Light Fields，LDI，MPI 等）不同，NeRF 把整个三维空间的几何信息与 texture 信息全部用一个 MLP 的权重来表达，输入任意一个空间坐标以及观察角度，MLP 会预测一个 RGB 值和 volume density。目标图片的渲染通过 ray tracing 和 volume rendering 的方式来完成。尽管 NeRF 的效果非常惊艳，但它的缺点也非常明显：

一个模型只能表达一个场景，且优化一个场景耗时久；
per-pixel 渲染较为低效；
泛化能力较差，一个场景需要较多的照片才能训练好。

另外一个与该研究较相关的是 MPI（Multiplane Image）[1, 2, 3]。MPI 包含了多个平面的 RGB-alpha 图片，其中每个平面表达场景在某个深度中的内容，它的主要缺点在于深度是固定及离散的，这个缺点限制了它对三维空间的表达能力。[1, 2, 3] 都能方便地泛化到不同的场景，然而 MPI 各个平面的深度是固定且离散的，这个缺点严重限制了它的效果。

方法综述

该团队采用一个 encoder-decoder 的结构来生成三维表达：

Encoder 是一个全卷积网络，输入为单个 RGB 图片，输出为 feature maps；
Decoder 也是一个全卷积网络，输入为 encoder 输出的 feature map，以及任意深度值（repeat + concat），输出该深度下的 RGB-sigma 图片；
最终的三维表达由多个平面组成，也就是说在一次完整的 forward 中，encoder 需要 inference 一次，而 decoder 需要 inference N 次获得个 N 平面。

获得三维表达后，不再需要任何的网络 inference，渲染任意 target 相机 pose 下的视角只需要两步：

利用 homography wrapping 建立像素点间的 correspondence。可以想象，从 target 相机射出一条光线，这条光线与 target 图片的一个像素点相交，然后，研究者延长这条射线，让它与 source 相机视锥的各个平面相交。相交点的 RGB-sigma 值可以通过 bilinear sampling 获得；
利用 volume rendering 将光线上的点渲染到目标图片像素点上，获得该像素点的 RGB 值与深度。

Scale 校正

MINE 可以利用 structure-from-motion 计算的相机参数与点云进行场景的学习，在这种情况下，深度是 ambiguous 的。由于在这个方法中，深度采样的范围是固定的。所以需要计算一个 scale factor，使网络预测的 scale 与 structure-from-motion 的 scale 进行对齐。团队利用通过 Structure from Motion 获得的每个图片的可见 3D 点 P 以及网络预测的深度图 Z 计算 scale factor：

获得 scale factor 后，对相机的位移进行 scale：

需要注意的是，由于需要和 ground truth 比较，所以在训练和测试时需要做 scale calibration。而在部署时不需要做这一步。

端到端的训练

MINE 可以仅通过 RGB 图片学习到场景的三维几何信息，训练 Loss 主要由两部分组成：

1.Reconsturction loss——计算渲染出的 target 图片与 ground truth 的差异：

2.Edge-aware smoothness loss——确保在图片颜色没有突变的地方，深度也不会突变，这里主要参考了 monodepth2 [6] 种的实现：

3.Sparse disparity loss——在训练集各场景的 scale 不一样时，利用 structure-from-motion 获得的稀疏点云辅助场景几何信息的学习：

实验结果

新视角合成

在 KITTI 数据集上，可以看出，此方法在生成质量上大幅超越了当前的 SOTA——把 SSIM 从 0.733 提高到了 0.822。同时，可看出增加预测的平面数，生成图片的质量也会提高，由于这并不会改变模型的参数量，所以可以看出，采样平面的深度越稠密，就越利于场景表达的学习。在图片可视化上，MINE 生成的图片形变和 artefacts 明显更少。

单目深度估计

利用在 RealEstate10K 上训练的模型，在 NYU 以及 iBims-1 数据集上测试了单目深度估计的结果。虽然只有 RGB 和 sparse 深度监督，但 MINE 在单目深度估计任务上取得了非常接近全监督的 3DKenBurns 的性能，并大幅超越了其他弱监督的方法。其中，和 MPI 相比，此方法更不受图片 texture 的影响，在 texture 丰富的区域依然能生成平滑的深度图。

MINE 与 MPI、NeRF 的比较

MINE 是 MPI 的一种连续深度的扩展，相比于 MPI 和 NeRF，MINE 有几个明显的优势：

与 NeRF 相比，MINE 能够泛化到训练集没有出现过的场景；
与 NeRF 的逐点渲染相比，MINE 的渲染非常高效；
与 MPI 相比，MINE 的深度是连续的，能稠密地表示相机的视锥；
MPI 通过 alpha 合成（alpha compositing）进行渲染，但该方法与射线上点之间的距离无关，而 MINE 利用 volume rendering 解决了这个限制。

然而，MINE 也有一些自身的局限性：

由于输入是单张图片，MINE 无法表达相机视锥以外的三维空间；
由于 MINE 的输入里没有观察角度，所以其无法对一些复杂的 view-dependent 效果（如光盘上的彩虹等）进行建模。

参考文献：

[1]. Tinghui Zhou, Richard Tucker, John Flynn, Graham Fyffe, Noah Snavely. Stereo Magnification: Learning View Synthesis using Multiplane Images. (SIGGRAPH 2018)

[2]. Ben Mildenhall, Pratul P. Srinivasan, Rodrigo Ortiz-Cayon, Nima Khademi Kalantari, Ravi Ramamoorthi, Ren Ng, Abhishek Kar. Local Light Field Fusion: Practical View Synthesis with Prescriptive Sampling Guidelines. (SIGGRAPH 2019)

[3]. Richard Tucker, Noah Snavely. Single-View View Synthesis with Multiplane Images. (CVPR 2020)

[4]. Meng-Li Shih, Shih-Yang Su, Johannes Kopf, Jia-Bin Huang. 3D Photography using Context-aware Layered Depth Inpainting. (CVPR 2020)

[5]. Ben Mildenhall, Pratul P. Srinivasan, Matthew Tancik, Jonathan T. Barron, Ravi Ramamoorthi, Ren Ng. NeRF: Representing Scenes as Neural Radiance Fields for View Synthesis. (ECCV 2020)

[6]. Clement Godard, Oisin Mac Aodha, Michael Firman, Gabriel Brostow. Digging Into Self-Supervised Monocular Depth Estimation. (ICCV 2019)

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