3D 가우시안 스플래팅을 이용한 스트리밍 가능한 동적 장면을 위한 계층적 일관 운동 (HiCoM)

Основные понятия

본 논문에서는 스트리밍 가능한 동적 장면의 온라인 재구성을 위한 효율적인 프레임워크인 HiCoM을 제안하며, 계층적 일관 운동 메커니즘을 통해 빠르고 효율적인 학습과 압축된 표현을 가능하게 하여 실시간 3D 비디오 합성 및 스트리밍에 적합하도록 설계되었습니다.

Аннотация

HiCoM: 3D 가우시안 스플래팅을 이용한 스트리밍 가능한 동적 장면을 위한 계층적 일관 운동

본 연구에서는 멀티뷰 비디오 스트림에서 스트리밍 가능한 동적 장면을 온라인으로 재구성하는 데 있어 학습, 렌더링 및 저장 효율성 측면의 문제점을 해결하고자 합니다.

본 논문에서는 세 가지 핵심 구성 요소를 갖춘 HiCoM이라는 새로운 프레임워크를 제안합니다.

섭동 스무딩 전략: 첫 번째 프레임에서 콤팩트하고 강력한 초기 3DGS 표현을 학습하기 위해 섭동 스무딩 전략을 사용합니다. 이를 통해 가우시안 수를 줄이고 과적합을 완화하며 프레임 전체에서 일관된 품질을 위한 기반을 마련합니다.
계층적 일관 운동 메커니즘: 3D 가우시안의 고유한 불균일 분포 및 국소적 일관성을 활용하여 프레임 간의 움직임을 빠르고 정확하게 학습하는 계층적 일관 운동 메커니즘을 도입합니다. 장면을 여러 영역으로 나누고 가우시안의 불균일 분포로 인해 실제로 몇 개의 영역에만 가우시안 원시 요소가 포함되어 있음을 인식합니다. 이러한 비어 있지 않은 영역 내에서 움직임을 명시적으로 모델링하여 동일한 영역의 가우시안이 동일한 움직임 패턴을 공유하도록 합니다. 이러한 영역은 더 작은 영역으로 나눌 수 있으므로 각 가우시안의 움직임을 해당 가우시안이 속한 모든 수준의 영역의 결합된 움직임에 의해 결정할 수 있습니다. 이러한 계층적 일관 운동 메커니즘은 거친 입도에서 미세한 입도까지 움직임을 포착하고 최소한의 매개변수 집합만 필요로 하므로 빠른 수렴을 용이하게 합니다. 따라서 영역 내 및 영역 간의 고유한 구조와 일관성은 프레임 간 장면 변화를 신속하게 학습할 수 있도록 지원합니다.
지속적인 개선: 장면 내용의 중요한 업데이트를 더 잘 수용하기 위해 추가 가우시안을 도입합니다. 이러한 새로운 가우시안은 진화하는 장면과의 지속적인 일관성을 보장하기 위해 초기 3DGS 표현에 신중하게 통합됩니다. 3DGS의 간결함을 유지하기 위해 장면 표현에 큰 영향을 미치지 않는 동일한 수의 낮은 불투명도 가우시안이 다음 프레임 학습 전에 제거됩니다. 초기 3DGS 표현에 대한 이러한 지속적인 개선을 통해 진화하는 장면에 최대한 가깝게 유지하여 이후 학습을 용이하게 합니다.
병렬 학습 전략: 또한 여러 프레임을 동시에 학습할 수 있는 병렬 학습 전략을 도입하여 성능 저하를 최소화하면서 학습 효율성을 크게 향상시킵니다.

Ключевые выводы из

HiCoM: Hierarchical Coherent Motion for Streamable Dynamic Scene with 3D Gaussian Splatting

by Qiankun Gao,... в arxiv.org 11-13-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.07541.pdf

Дополнительные вопросы

HiCoM을 실외 또는 더 복잡한 환경에 적용할 경우 어떤 문제가 발생할 수 있으며, 이를 해결하기 위한 방법은 무엇일까요?

HiCoM은 주로 실내 장면으로 구성된 데이터셋을 사용하여 학습 및 평가되었기 때문에, 실외 또는 더 복잡한 환경에 적용할 경우 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

복잡한 조명 변화 및 동적 요소: 실외 환경은 실내 환경에 비해 조명 변화가 심하며, 햇빛, 그림자, 반사 등 다양한 요소가 동적으로 변화합니다. HiCoM의 현재 구조는 이러한 복잡한 조명 변화를 완벽하게 모델링하기에 충분하지 않을 수 있습니다. 또한, 나무, 사람, 자동차 등 움직임이 복잡하고 예측하기 어려운 동적 요소들이 많이 존재합니다.
대규모 장면: 실외 환경은 실내 환경에 비해 훨씬 넓고 복잡하며, 이는 3D Gaussian Splatting 표현에 필요한 Gaussian primitive의 수를 크게 증가시켜 메모리 사용량 증가 및 렌더링 속도 저하를 야기할 수 있습니다.
Occlusion 처리: 실외 환경에서는 다양한 객체들의 가림 현상이 빈번하게 발생합니다. HiCoM은 이러한 occlusion을 완벽하게 처리하지 못할 수 있으며, 이는 렌더링 결과의 정확도를 저하시킬 수 있습니다.
이러한 문제들을 해결하기 위한 방법은 다음과 같습니다.

조명 변화 및 동적 요소 모델링: 시간에 따라 변화하는 조명 정보를 명시적으로 모델링하는 Time-varying Neural Radiance Fields (TNRF) 기술을 적용하거나, 동적 요소를 분리하여 별도로 모델링하는 방법을 고려할 수 있습니다. 예를 들어, 빛의 방향과 색상을 시간의 함수로 표현하거나, 움직이는 객체를 개별 Gaussian Splatting으로 모델링하여 움직임을 더 효과적으로 표현할 수 있습니다.
효율적인 표현 및 렌더링: 대규모 장면을 효율적으로 표현하고 렌더링하기 위해 계층적 표현 (Hierarchical representation)이나 Octree 기반 렌더링과 같은 기술을 활용할 수 있습니다. 예를 들어, 장면을 여러 레벨로 나누어 각 레벨에 해당하는 Gaussian Splatting을 생성하고, 시점에 따라 필요한 레벨만 렌더링하여 계산량을 줄일 수 있습니다.
Occlusion 처리 개선: Inverse rendering 기법이나 Depth-based rendering 기법을 활용하여 가림 현상을 더 정확하게 처리할 수 있습니다. 예를 들어, 렌더링 과정에서 깊이 정보를 고려하여 가려진 부분을 제거하거나, 멀리 있는 객체의 영향을 줄여 렌더링 결과의 사실성을 높일 수 있습니다.

HiCoM의 계층적 일관 운동 메커니즘이 가지는 한계점은 무엇이며, 다른 움직임 모델링 기법을 적용할 수 있을까요?

HiCoM의 계층적 일관 운동 메커니즘은 효율적인 움직임 표현을 가능하게 하지만, 다음과 같은 한계점을 가지고 있습니다.

지역적인 움직임 표현: Gaussian primitive들을 특정 영역으로 그룹화하고, 각 영역에 대해 동일한 움직임을 적용하기 때문에, 복잡하고 세밀한 움직임을 표현하는 데 한계가 있습니다. 예를 들어, 사람의 손가락 움직임이나 옷의 펄럭임과 같이 국소적으로 다른 움직임을 보이는 경우, 이를 효과적으로 표현하기 어려울 수 있습니다.
움직임 불연속: 영역 단위로 움직임을 표현하기 때문에, 영역 경계에서 움직임이 부자연스럽게 연결될 수 있습니다.
다른 움직임 모델링 기법을 적용하여 이러한 한계점을 개선할 수 있습니다.

Deformable Gaussian Splatting: 각 Gaussian primitive의 변형을 개별적으로 모델링하여 더욱 유연하고 세밀한 움직임 표현이 가능합니다. 예를 들어, 각 Gaussian primitive에 대한 변형 파라미터를 예측하는 신경망을 사용하여, 영역 경계에 관계없이 부드럽고 자연스러운 움직임을 표현할 수 있습니다.
Mesh-based Deformation: 장면을 3차원 메쉬로 모델링하고, 메쉬의 정점을 움직여 움직임을 표현하는 방법입니다. 메쉬 기반 변형은 사실적인 움직임 표현에 유리하며, 기존 컴퓨터 그래픽스 기술과의 호환성이 높다는 장점이 있습니다.
Particle-based Dynamics: 장면을 입자 집합으로 모델링하고, 물리 법칙에 따라 입자의 움직임을 시뮬레이션하는 방법입니다. 유체나 천과 같이 복잡한 움직임을 사실적으로 표현하는 데 효과적입니다.
어떤 움직임 모델링 기법을 선택할지는 장면의 특성과 원하는 움직임 표현 수준에 따라 결정됩니다.

HiCoM과 같은 동적 장면 재구성 기술이 가상현실 또는 증강현실 기술 발전에 어떤 영향을 미칠 수 있을까요?

HiCoM과 같은 동적 장면 재구성 기술은 가상현실(VR) 및 증강현실(AR) 기술 발전에 다음과 같이 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

몰입감 향상: 기존 VR/AR 환경은 정적인 객체가 주를 이루었지만, HiCoM과 같은 기술을 통해 사용자의 움직임에 따라 실시간으로 변화하는 동적인 가상 환경을 구축할 수 있습니다. 이는 사용자의 몰입감을 크게 향상시켜 더욱 현실적인 경험을 제공합니다. 예를 들어, 스포츠 경기 관람 시 실제 선수들이 움직이는 것처럼 느껴지도록 하거나, 가상 쇼핑몰에서 옷을 입어보는 경험을 더욱 생생하게 만들 수 있습니다.
상호작용성 증대: 사용자는 HiCoM으로 재구성된 동적 객체와 실시간으로 상호 작용할 수 있습니다. 예를 들어, 가상 공간에서 움직이는 공을 잡거나, 가상 캐릭터와 악수를 하는 등 현실과 유사한 상호 작용이 가능해집니다.
콘텐츠 제작 효율성 향상: 기존 VR/AR 콘텐츠 제작에는 많은 시간과 비용이 소요되었지만, HiCoM과 같은 기술은 실제 환경을 간편하게 스캔하고 재구성하여 콘텐츠 제작 과정을 단축시킬 수 있습니다.
새로운 응용 분야 확장: HiCoM은 실시간 방송, 게임, 의료, 교육, 건축 등 다양한 분야에서 혁신적인 VR/AR 경험을 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 실시간 방송을 VR/AR 환경에서 시청하거나, 가상 수술 시뮬레이션을 통해 의료 훈련을 진행할 수 있습니다.
결론적으로 HiCoM과 같은 동적 장면 재구성 기술은 VR/AR 기술의 수준을 한 단계 끌어올려, 사용자들에게 더욱 몰입감 넘치고 상호작용적인 경험을 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.