GI-GS：基於高斯樣條的全局照明分解逆向渲染

المفاهيم الأساسية

本文提出了一種名為 GI-GS 的新型逆向渲染框架，利用 3D 高斯樣條 (3DGS) 和延遲著色技術，實現了逼真的新視圖合成和重新照明。

الملخص

GI-GS：基於高斯樣條的全局照明分解逆向渲染
這篇研究論文介紹了 GI-GS，一個基於 3D 高斯樣條 (3DGS) 的新型逆向渲染框架。該框架旨在從輸入圖像中估計場景的物理屬性，例如材質、幾何形狀和照明，並應用於新視圖合成和重新照明等下游任務。
研究目標：

克服現有基於 NeRF 的逆向渲染方法渲染速度慢、難以準確模擬複雜光線交互作用的局限性。
提出一個基於 3DGS 的逆向渲染框架，實現對材質、幾何形狀和全局照明的準確估計。
方法：
GI-GS 框架分為三個階段：

幾何重建:

採用香草 3DGS 流程重建場景幾何。
為每個高斯基元添加法線屬性，並使用從深度圖導出的偽法線進行優化。

直接照明建模:

使用延遲著色技術，將深度圖、法線圖和 BRDF 圖渲染到 G 緩衝區中。
從深度圖和法線圖估計遮擋。
利用可學習環境圖和可微分 PBR 流程渲染直接照明下的圖像。

間接照明建模:

基於 G 緩衝區中恢復的幾何形狀，應用可微分路徑追踪來獲得間接照明下的渲染結果。
為了模擬全局幾何形狀，將路徑追踪從屏幕空間擴展到世界空間，使用立方體貼圖來恢復全局幾何形狀並計算間接照明。

主要發現：

GI-GS 在逆向渲染、新視圖合成和重新照明任務中均取得了最先進的性能，優於現有的基於 NeRF 和 3DGS 的方法。
通過結合延遲著色和路徑追踪，GI-GS 能夠在確保實時渲染的同時，實現對全局照明的準確分解。
主要結論：
GI-GS 是一個強大的逆向渲染框架，能夠對複雜的真實場景進行高保真幾何和材質重建，並實現逼真的新視圖合成和重新照明。
意義：
這項研究為基於 3DGS 的逆向渲染提供了一種新的方法，並為各種下游應用（如虛擬現實、增強現實和產品設計）開闢了新的可能性。
局限性和未來研究方向：

該方法沒有考慮間接照明的鏡面反射分量，這需要複雜的蒙特卡羅採樣。
對於複雜的真實場景，使用環境圖作為直接光源可能無法捕捉環境中空間變化的照明。
未來的工作可以探索將額外的幾何約束納入路徑追踪，以進一步提高間接照明的準確性。

الإحصائيات

在 TensoIR 合成數據集上，GI-GS 在新視圖合成和反照率重建方面均優於先前的方法，在 PSNR 指標上取得了最佳成績，同時保持了與其他方法相當的 SSIM 和 LPIPS 分數。
在 Mip-NeRF 360 數據集上，GI-GS 超越了先前基於 3DGS 的逆向渲染方法，在所有指標上均達到了最先進的性能，尤其是在包含更多遮擋的室內場景渲染方面表現出顯著優勢。
將路徑追踪從屏幕空間擴展到世界空間後，GI-GS 的擴展版本 (Ours-Cubemap) 在遮擋區域的建模更加準確和流暢。

اقتباسات

“To overcome these limitations, we propose GI-GS, a novel inverse rendering framework based on 3DGS that achieves accurate estimation of materials and geometry, as well as global illumination decomposition.”
“Our key innovation is to calculate indirect lighting by efficient path tracing based on the deferred shading technique.”
“Notably, to the best of our knowledge, we are among the first to develop a 3DGS-based inverse rendering framework capable of modeling indirect lighting during the relighting process.”

الرؤى الأساسية المستخلصة من

GI-GS: Global Illumination Decomposition on Gaussian Splatting for Inverse Rendering

by Hongze Chen,... في arxiv.org 10-04-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.02619.pdf

استفسارات أعمق

如何將 GI-GS 框架擴展到動態場景的逆向渲染？

將 GI-GS 框架擴展到動態場景的逆向渲染是一個富有挑戰性的問題，需要解決以下幾個關鍵問題：

動態幾何的表示: GI-GS 目前使用靜態的 3D 高斯點雲來表示場景幾何。對於動態場景，需要探索新的方法來表示隨時間變化的幾何形狀，例如：

時間序列 3DGS： 可以使用一系列 3DGS 來表示場景在不同時間點的幾何形狀，並通過插值或神經網絡來生成中間幀的幾何。
變形場: 可以學習一個變形場，將一個標準形狀變換到場景中每個時間點的實際形狀。
隱式函數: 可以使用時間相關的隱式函數來表示動態幾何，例如 Occupancy Networks 或 Neural SDFs。

動態材質和照明的處理: 動態場景中的材質和照明也可能隨時間變化。需要開發新的方法來捕捉這些變化，例如：

時間相關的材質屬性： 可以將材質屬性（如反照率、粗糙度等）表示為時間的函數，並通過神經網絡來學習這些函數。
動態環境光照貼圖： 可以使用時間相關的環境光照貼圖來表示動態照明，並通過捕捉場景中的動態光源來更新這些貼圖。

高效的渲染和優化: 處理動態場景會顯著增加計算量。需要探索新的方法來提高渲染和優化的效率，例如：

基於體素的渲染： 可以使用基於體素的渲染方法來加速動態場景的渲染，例如 Voxel Cone Tracing 或 Sparse Voxel Octrees。
基於學習的優化： 可以使用基於學習的優化方法來加速動態場景的逆向渲染，例如可微分渲染和元學習。

總之，將 GI-GS 框架擴展到動態場景需要在幾何表示、材質和照明處理以及高效渲染和優化方面進行創新。

如果場景中的照明條件非常複雜，例如包含多個彩色光源，GI-GS 的性能會受到怎樣的影響？

如果場景中的照明條件非常複雜，例如包含多個彩色光源，GI-GS 的性能可能會受到以下幾個方面的影響：

環境光照貼圖的精度: GI-GS 使用環境光照貼圖來表示直接光照。如果場景中包含多個彩色光源，環境光照貼圖需要更高的分辨率和動態範圍才能準確地捕捉光照信息。這會增加内存消耗和渲染時間。

間接光照計算的複雜度: 多個彩色光源會導致更複雜的光線反射和折射，從而增加間接光照計算的複雜度。GI-GS 使用基於路徑追踪的方法來計算間接光照，這在處理複雜照明條件時可能會變得非常耗時。

材質屬性估計的準確性: 複雜的照明條件會增加材質屬性估計的難度。GI-GS 使用基於物理的渲染模型來估計材質屬性，這在處理複雜光照條件下可能會產生偏差。

為了解決這些問題，可以考慮以下幾種方法：

使用更高階的環境光照貼圖表示方法: 例如球諧函數或光場，可以更有效地表示複雜的照明環境。
改進間接光照計算方法: 例如使用更先進的蒙特卡洛採樣方法或基於學習的方法，可以提高間接光照計算的效率和準確性。
結合先驗信息來提高材質屬性估計的準確性: 例如使用數據驅動的方法或基於深度學習的方法，可以從複雜的照明條件下更準確地估計材質屬性。
總之，GI-GS 在處理複雜照明條件時會面臨一些挑戰，但通過採用更先進的技術和方法，可以提高其在這些場景下的性能。

基於 3DGS 的逆向渲染方法在虛擬現實和增強現實等領域有哪些潛在的應用？

基於 3DGS 的逆向渲染方法在虛擬現實和增強現實等領域具有巨大的應用潛力，主要體現在以下幾個方面：

虛擬場景重建: 3DGS 可以從多視角圖像中高效地重建出高質量的虛擬場景，並支持實時渲染。這對於虛擬現實遊戲、虛擬旅遊、虛擬展覽等應用非常有價值，可以讓用戶身臨其境地體驗虛擬世界。

增強現實互動: 3DGS 可以準確地估計場景的幾何和材質信息，這對於實現逼真的 AR 互動至關重要。例如，可以利用 3DGS 渲染虛擬物體在真實場景中的陰影、反射和折射效果，讓虛擬物體看起來更加真實。

虛擬角色和物體創建: 3DGS 可以用於從真實世界中捕捉角色和物體的外觀和動作，並將其轉換為虛擬模型。這可以大大簡化虛擬角色和物體的創建流程，並提高其真實感。

光照和材質編輯: 3DGS 可以將場景分解為幾何、材質和光照等組成部分，並支持對這些組成部分進行獨立編輯。這為虛擬場景的藝術創作提供了更大的靈活性，例如可以輕鬆地改變場景的光照氛圍或物體的材質屬性。

基於移動設備的 AR/VR 應用: 3DGS 的高效渲染能力使其非常適合應用於移動設備上的 AR/VR 應用。例如，可以使用 3DGS 在手機或平板電腦上創建實時的 AR 互動體驗，或開發輕量級的 VR 應用。

總之，基於 3DGS 的逆向渲染方法為虛擬現實和增強現實等領域帶來了新的可能性，可以創造更加逼真、互動和沉浸式的用戶體驗。隨著技術的進一步發展，相信 3DGS 在這些領域的應用將會越來越廣泛。