從單張高度模糊 RGB 影像生成 3D 形狀的機率式 Transformer 模型

Conceitos essenciais

本文提出了一種基於 Transformer 的新型自回歸模型 PT43D，用於從單張可能包含高度模糊物件觀察結果的 RGB 影像生成 3D 形狀的機率分佈，並透過模擬產生遮擋和視角截斷的影像-形狀訓練對，以及採用交叉注意力機制，有效提升模型在真實場景中的效能。

Resumo

文獻摘要

本研究提出了一種名為 PT43D 的新型模型，旨在從單張可能包含高度模糊物件觀察結果的 RGB 影像生成 3D 形狀的機率分佈。

研究背景

從單張 RGB 影像生成 3D 形狀在機器人等領域具有重要應用價值。現有方法通常針對包含清晰完整物件視覺描述的影像，而未考慮在現實情況中常見的遮擋或截斷情況。

研究方法

為了解決這個問題，本研究提出了一種基於 Transformer 的自回歸模型 PT43D。該模型採用以下關鍵技術：

• 形狀壓縮和離散化：使用 P-VQ-VAE 將 3D 形狀壓縮成低維度、離散網格表示，並使用碼本對特徵嵌入進行索引。
• 影像編碼器：採用預先訓練的 "ViT-B/32" CLIP 模型提取輸入影像特徵。
• 條件交叉注意力模組：建立影像編碼和網格序列之間的連結，確保輸出網格序列包含用於後續操作的必要影像特徵。
• 自回歸建模：使用 Transformer 模型自回歸地預測每個網格位置的潛在特徵索引，並使用預先訓練的解碼器生成最終的 3D 形狀。

資料增強

為了處理遮擋或視角截斷等真實場景，本研究從 ShapeNet 建立模擬影像-形狀訓練對，並使用 PartNet 的部分級別註釋建立多個可能的真實形狀與單一影像的對應關係。

實驗結果

在合成數據集和真實數據集（ScanNet）上的實驗結果表明，PT43D 模型在生成品質和合理生成多樣性方面均優於現有最佳方法。

主要貢獻

• 提出了第一種從高度模糊 RGB 影像生成 3D 形狀的機率式方法，利用交叉注意力機制有效地從輸入影像中識別最相關的感興趣區域，使不同的輸出假設都能與輸入影像良好對齊。
• 提出了一種合成數據增強方法，透過在訓練期間設定一個影像映射到多個可能的真實形狀，從而實現有效的多假設生成。這種合成數據增強方法能夠進行預先訓練，在對真實數據進行微調時顯著改善形狀重建結果。

Estatísticas

平均而言，每個渲染圖都能準確地映射到兩個真實形狀，可見部分的 l2 chamfer 距離低於 0.04。
在實驗中，將 k 設定為 6，與相似群組內的平均模型數量一致。

Citações

"我們的方法旨在模擬表示潛在 3D 形狀的機率分佈，並以輸入影像作為條件。"
"我們的目標是生成能夠捕捉到解釋輸入影像觀察結果的可能重建分佈的形狀。"

Principais Insights Extraídos De

PT43D: A Probabilistic Transformer for Generating 3D Shapes from Single Highly-Ambiguous RGB Images

by Yiheng Xiong... às arxiv.org 11-05-2024

https://arxiv.org/pdf/2405.11914.pdf

Perguntas Mais Profundas

除了生成單一物件的 3D 形狀外，這個方法如何應用於重建更複雜的場景，例如包含多個物件和背景的場景？

這個方法目前專注於從單一物件的 RGB 影像生成 3D 形狀，對於重建更複雜的場景，需要進行一些擴展和改進：

物件偵測與分割： 首先需要應用物件偵測和影像分割技術，將場景中的不同物件和背景分離。這可以透過訓練物件偵測模型 (例如 YOLO 或 Faster R-CNN) 來實現，並使用實例分割模型 (例如 Mask R-CNN) 獲得每個物件的像素級分割遮罩。

場景圖表示： 為了處理場景中物件之間的關係，可以使用場景圖 (Scene Graph) 來表示物件及其空間關係。場景圖可以捕捉物件之間的語義和空間關係，例如 "桌子在椅子旁邊" 或 "燈在桌子上面"。

多物件生成與組合： 針對場景中的每個物件，可以使用 PT43D 方法生成其 3D 形狀。然後，根據場景圖中物件之間的空間關係，將這些生成的 3D 形狀組合成一個完整的場景。

背景重建： 對於背景，可以使用單深度影像重建或基於體積 (Voxel) 的方法進行重建。

總之，將 PT43D 方法應用於更複雜的場景重建需要結合多種電腦視覺技術，包括物件偵測、影像分割、場景圖表示和多物件生成與組合。

如果輸入的 RGB 影像包含大量的噪點或其他影像失真，這個方法的效能會受到什麼影響？

如果輸入的 RGB 影像包含大量的噪點或其他影像失真，PT43D 方法的效能會受到一定程度的影響，主要原因如下：

特徵提取受限： PT43D 方法使用預先訓練的 CLIP 模型作為影像編碼器，從輸入影像中提取特徵。大量的噪點或影像失真會影響 CLIP 模型的特征提取能力，導致提取的特征不夠準確，進而影響 3D 形狀生成的準確性。

注意力機制混淆： PT43D 方法使用交叉注意力機制來識別輸入影像中最相關的區域，用於形狀生成。噪點或影像失真會混淆注意力機制，使其無法準確地關注到與物件相關的區域，導致生成的形狀出現偏差。

訓練資料偏差： PT43D 方法使用合成數據集進行訓練，這些數據集通常不包含大量的噪點或影像失真。因此，當模型遇到真實世界中常見的噪點或失真時，其泛化能力會受到影響。

為了減輕噪點和影像失真對 PT43D 方法的影響，可以考慮以下策略：

影像預處理： 在將影像輸入 PT43D 模型之前，可以使用影像預處理技術 (例如去噪、去模糊等) 來降低噪點和失真的影響。

魯棒性訓練： 在訓練 PT43D 模型時，可以考慮在訓練數據集中加入一定比例的噪點和失真影像，以提高模型對這些干擾因素的魯棒性。

多模態融合： 可以考慮將 RGB 影像與其他感知模態 (例如深度資訊) 相結合，以提供更豐富、更魯棒的輸入資訊，進而提高 3D 形狀生成的準確性。

這個研究提出的方法能否與其他感知技術（例如深度感測器）相結合，以進一步提高 3D 形狀生成的準確性和魯棒性？

將 PT43D 方法與其他感知技術（例如深度感測器）相結合，可以有效提高 3D 形狀生成的準確性和魯棒性。

深度資訊彌補 RGB 影像的不足： 深度感測器可以提供場景中物體的深度資訊，彌補 RGB 影像在遮擋、光照變化和紋理單一等情況下資訊不足的缺點。將深度資訊與 RGB 影像融合，可以為 3D 形狀生成提供更完整、更準確的場景資訊。

多模態特徵融合： 可以將深度資訊和 RGB 影像分別輸入到不同的編碼器中，提取多模態特徵，並在特徵層面進行融合。這種多模態特徵融合可以更全面地捕捉場景的幾何和外觀資訊，提高 3D 形狀生成的準確性。

深度資訊引導注意力機制： 可以利用深度資訊來引導 PT43D 方法中的交叉注意力機制，使其更準確地關注到與物件相關的區域，避免噪點或背景資訊的干擾。

聯合訓練： 可以將 PT43D 模型與深度估計模型進行聯合訓練，使得兩個模型互相促進，共同提高性能。

總之，將 PT43D 方法與深度感測器等其他感知技術相結合，可以充分利用不同模態資訊的互補性，有效提高 3D 形狀生成的準確性和魯棒性，為機器人、自動駕駛、虛擬現實等應用提供更可靠的 3D 環境感知能力。