AtomGS：將高斯散射原子化，以實現高保真輻射場

核心概念

AtomGS 通過將高斯分佈約束為更均勻的「原子高斯」並與場景幾何精確對齊，從而改進了 3D 高斯散射 (3DGS) 技術，在渲染品質和幾何精度方面均有所提升。

要約

AtomGS：將高斯散射原子化，以實現高保真輻射場

論文概述

本論文介紹了一種名為 AtomGS 的新型輻射場重建方法，旨在解決現有 3D 高斯散射 (3DGS) 技術中存在的限制。3DGS 因其在新型視圖合成和實時渲染速度方面的優越能力而備受關注，但其混合優化和自適應密度控制策略可能會導致結果欠佳。具體而言，3DGS 可能會優先考慮優化大型高斯分佈，而犧牲了對較小高斯分佈的充分密集化，從而導致幾何形狀出現噪點和模糊偽影。

AtomGS 方法

AtomGS 由兩個主要組成部分組成：原子化擴散和幾何引導優化。

• 原子化擴散：此過程將各種大小的橢球高斯分佈約束為更均勻大小的「原子高斯」。這種策略通過更加重視與場景細節相一致的密集化，增強了具有精細特徵區域的表示。與傳統高斯分佈不同，原子高斯分佈是尺寸均勻的各向同性球體，這確保了它們與場景實際 3D 幾何形狀更緊密地對齊。
• 幾何引導優化：此方法結合了邊緣感知法線損失，有效地平滑了平坦表面，同時保留了複雜的細節。通過將從 2D 邊緣檢測器得出的權重整合到曲率圖中來計算此損失函數。

結果與貢獻

在多個基準數據集上進行的評估表明，AtomGS 在渲染品質方面優於現有的最先進方法。此外，它在幾何重建方面也達到了具有競爭力的精度，並且與其他基於 SDF 的方法相比，訓練速度顯著提高。

AtomGS 的主要貢獻總結如下：

1. 引入了一種原子化擴散策略，旨在通過改進具有精細細節區域的 3D 幾何精度來提高渲染品質。
2. 設計了一種邊緣感知法線損失，通過在形狀不規則的區域保留細節的同時減少平坦表面上的噪點，從而提高重建精度。
3. 所提出的 AtomGS 在多個基準數據集上均取得了最先進的性能，在渲染品質和幾何精度方面均表現出色。

統計

AtomGS 在 Mip-NeRF360 數據集上的平均訓練時間為 0.28 小時，最終模型大小為 749MB。
相比之下，3DGS 在 Mip-NeRF360 數據集上的訓練時間為 0.40 小時，模型大小為 869MB。

引用

「AtomGS 通過我們提出的原子化擴散過程和邊緣感知法線損失，通過戰略性地部署原子高斯來細化 3DGS，以確保對複雜場景的詳細覆蓋。」
「與 3DGS 相比，AtomGS 為在哪裡集中高斯以更好地進行 3D 幾何優化提供了精確的指導。」

抽出されたキーインサイト

AtomGS: Atomizing Gaussian Splatting for High-Fidelity Radiance Field

by Rong Liu, Ru... 場所 arxiv.org 11-12-2024

https://arxiv.org/pdf/2405.12369.pdf

深掘り質問

AtomGS 如何處理場景中包含高度反光或半透明材質的區域？

AtomGS 在處理高度反光或半透明材質區域時，會面臨與先前 3DGS 方法類似的挑戰。由於其核心原理基於幾何形狀的精確排列和密度控制，對於需要複雜光線交互作用才能準確呈現的材質類型，例如鏡面反射或半透明材質，AtomGS 可能無法產生完全準確的結果。
具體來說，高度反光的表面會對光線造成複雜的反射，而 AtomGS 的高斯分佈模型難以捕捉這些細微的光線變化。同樣地，半透明材質需要模擬光線穿透物體後的散射現象，這也超出了 AtomGS 主要基於幾何形狀表示的能力範圍。
雖然 AtomGS 並未明確解決這些材質類型的局限性，但論文作者在結論中提到，他們未來將致力於開發更先進的修剪或合併策略，以期在處理複雜材質時，在視覺品質和高斯分佈數量之間取得更好的平衡。

AtomGS 的原子化策略在處理極其複雜的環境時，是否會導致高斯分佈數量過多，從而影響渲染性能？

的確，AtomGS 的原子化策略在處理極其複雜的環境時，有可能因為需要大量的 Atom Gaussian 來表示所有細節，而導致高斯分佈數量過多，進而影響渲染性能。
論文中提到，相較於原始的 3DGS 方法，AtomGS 通常可以用更少的高斯分佈數量來達到更好的視覺效果。然而，對於場景複雜度極高的情況，原子化策略可能會生成過多的高斯分佈，因為它傾向於在細節密集的區域進行更精細的分割和排列。
論文作者也意識到這個問題，並表示未來將著重於開發更優化的修剪或合併策略，以在不損失細節呈現的情況下，盡可能減少高斯分佈的數量，從而提升渲染效率。

未來是否有可能將 AtomGS 的概念擴展到其他基於顯式表示的渲染技術中？

AtomGS 的核心概念，即通過更均勻、精確地排列基本圖元來提升渲染品質和幾何精確度，的確有潛力被擴展到其他基於顯式表示的渲染技術中。
例如，點雲渲染技術可以借鑒 AtomGS 的原子化策略，將點雲分佈更均匀地排列在場景表面，並根據局部幾何特徵調整點雲密度，以提升渲染結果的精確度和視覺真實感。
此外，基於體素的渲染技術也可以從 AtomGS 的幾何引導優化中獲益。通過分析場景幾何形狀，可以更有效地分配體素資源，將更多體素集中在細節豐富的區域，並簡化平滑區域的表示，從而提升渲染效率和細節呈現效果。
總體而言，AtomGS 的概念為基於顯式表示的渲染技術提供了新的思路，未來可望應用於更廣泛的領域，並促進渲染技術的發展。