GenXD：生成任意 3D 和 4D 場景

核心概念

GenXD 是一個基於擴散模型的通用框架，可以從單張或多張圖像生成高品質、時空一致的 3D 和 4D 場景。

摘要

GenXD: Generating Any 3D and 4D Scenes
Yuyang Zhao, Chung-Ching Lin, Kevin Lin, Zhiwen Yan, Linjie Li, Zhengyuan Yang, Jianfeng Wang, Gim Hee Lee, Lijuan Wang
ICLR 2025

本研究旨在開發一個通用的 3D 和 4D 場景生成框架，能夠從單張或多張圖像生成高品質、時空一致的場景。

從以下內容提煉的關鍵洞見

GenXD: Generating Any 3D and 4D Scenes

by Yuyang Zhao,... 於 arxiv.org 11-05-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.02319.pdf

深入探究

GenXD 如何應用於虛擬現實和增強現實等領域？

GenXD 作為一個通用的 3D 和 4D 場景生成模型，在虛擬現實 (VR) 和增強現實 (AR) 領域有著廣泛的應用前景：

虛擬場景構建: GenXD 可以根據單張或多張圖片生成逼真的 3D 場景，並渲染出不同視角的畫面，這對於快速構建 VR 遊戲、虛擬旅遊、虛擬展廳等場景非常有幫助，可以大幅降低開發成本。
虛擬角色動畫生成: GenXD 可以生成包含物體運動的 4D 動態場景，這可以用於生成虛擬角色的動畫，例如根據使用者輸入的動作指令，生成角色的動作序列，增強 VR 交互體驗。
AR 場景增強: GenXD 可以根據相機拍攝的真實場景，生成與之匹配的虛擬物體或特效，並將其融合到真實場景中，例如在手機 AR 遊戲中，根據真實環境生成虛擬角色和道具，提升遊戲的趣味性和沉浸感。
虛擬試衣/試妝: GenXD 可以根據使用者提供的圖片，生成不同服裝或妝容的 3D 模型，並疊加到使用者的影像上，實現虛擬試衣、試妝等功能，提升線上購物體驗。
總之，GenXD 的多視角生成能力、動態場景生成能力以及對真實場景的理解能力，使其在 VR/AR 領域有著巨大的應用潛力，可以推動這些領域的發展。

如果訓練數據中沒有包含相機運動，GenXD 是否仍然能夠生成合理的 4D 場景？

即使訓練數據中沒有包含相機運動，GenXD 仍然有可能生成合理的 4D 場景，但效果可能會打折扣。
這是因為：

GenXD 的多視角時空模組設計: GenXD 的核心是其多視角時空模組，該模組可以將相機運動和物體運動分離，即使在沒有相機運動的數據上訓練，GenXD 仍然可以學習到物體運動的規律，並生成包含物體運動的 4D 場景。
數據集的影響: 雖然缺乏相機運動的數據會限制 GenXD 對相機運動的學習，但如果訓練數據集中包含豐富的物體運動樣本，GenXD 仍然可以學習到合理的物體運動模式，並生成自然的 4D 場景。
然而，缺乏相機運動數據的訓練會導致以下問題：

相機運動生成能力不足: 由於缺乏學習樣本，GenXD 可能無法生成多樣化且符合真實規律的相機運動軌跡，導致生成的 4D 場景缺乏動感和真實感。
物體運動與場景的協調性問題: 由於無法學習相機運動與物體運動之間的關係，GenXD 生成的物體運動可能與場景缺乏協調性，例如物體運動方向與場景不符，導致生成的 4D 場景不夠自然。
總之，雖然 GenXD 可以通過學習物體運動來生成 4D 場景，但為了獲得最佳效果，建議在訓練數據中包含豐富的相機運動樣本，以便 GenXD 可以學習到更真實、更自然的 4D 場景生成模式。

如何評估生成場景的真實性和可信度？

評估生成場景的真實性和可信度，可以從以下幾個方面入手：
1. 圖像質量評估:

傳統圖像質量指標: 使用 PSNR、SSIM、LPIPS 等指標評估生成圖像的清晰度、結構相似性和感知質量，與真實圖像進行比較。
感知評估: 邀請人類評估者對生成圖像的真實感、自然度等方面進行主觀評分，例如使用 MOS (Mean Opinion Score) 方法。
2. 3D 一致性評估:

幾何一致性: 評估生成場景中不同視角的幾何關係是否一致，例如使用深度圖比較、點雲配準等方法。
光照一致性: 評估生成場景中不同視角的光照效果是否一致，例如使用光照估計、陰影分析等方法。
3. 物理規律和語義一致性評估:

物理規律: 評估生成場景中物體的運動、碰撞、光影變化等是否符合物理規律，例如使用物理引擎模擬、運動軌跡分析等方法。
語義一致性: 評估生成場景的內容是否符合常識和邏輯，例如使用場景識別、物體檢測等方法。
4. 新視角生成能力評估:

插值視角生成: 評估模型能否根據已知視角生成合理的插值視角圖像，檢驗模型對場景空間結構的理解能力。
未知視角生成: 評估模型能否根據已知視角生成合理的未知視角圖像，檢驗模型對場景空間結構的推廣能力。
5. 與其他方法的比較:

與其他 3D/4D 生成方法進行比較，例如在相同數據集和評估指標下比較生成結果的優劣。
需要注意的是，沒有一個單獨的指標可以完全評估生成場景的真實性和可信度，應該綜合考慮多個方面的因素。 此外，人類評估者的主觀感受也是評估的重要參考依據。