一種用于生成3D對象的替代方法

摘要

雖然最近關(guān)于根據(jù)文本提示生成 3D點云的工作已經(jīng)顯示出可喜的結(jié)果，但最先進的方法通常需要多個 GPU 小時來生成單個樣本。這與最先進的生成圖像模型形成鮮明對比，后者在幾秒或幾分鐘內(nèi)生成樣本。在本文中，我們探索了一種用于生成 3D 對象的替代方法，該方法僅需 1-2 分鐘即可在單個 GPU 上生成 3D 模型。

我們的方法首先使用文本到圖像的擴散模型生成單個合成視圖，然后使用以生成的圖像為條件的第二個擴散模型生成 3D 點云。雖然我們的方法在樣本質(zhì)量方面仍未達到最先進的水平，但它的采樣速度要快一到兩個數(shù)量級，為某些用例提供了實際的權(quán)衡。

背景介紹

這種方法實施起來很簡單，只需要在訓(xùn)練期間隨機丟棄條件信息。我們在整個模型中采用這種技術(shù)，使用丟棄概率 為0.1。

簡介

我們不是訓(xùn)練單個生成模型直接生成以文本為條件的點云，而是將生成過程分為三個步驟。首先，我們生成一個以文本標題為條件的綜合視圖。接下來，我們生成一個基于合成視圖的粗略點云（1,024 個點）。最后，我們生成了一個以低分辨率點云和合成視圖為條件的精細點云（4,096 個點）。在實踐中，我們假設(shè)圖像包含來自文本的相關(guān)信息，并且不明確地以文本為條件點云。

1、數(shù)據(jù)集

我們在數(shù)百萬個 3D 模型上訓(xùn)練我們的模型。我們發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)格式和質(zhì)量差異很大，促使我們開發(fā)各種后處理步驟以確保更高的數(shù)據(jù)質(zhì)量。 為了將我們所有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一種通用格式，我們使用 Blender（Community，2018）從 20 個隨機攝像機角度將每個 3D 模型渲染為 RGBAD 圖像，Blender 支持多種 3D 格式并帶有優(yōu)化的渲染引擎。對于每個模型，我們的 Blender 腳本將模型標準化為邊界立方體，配置標準照明設(shè)置，最后使用 Blender 的內(nèi)置實時渲染引擎導(dǎo)出 RGBAD 圖像。

然后，我們使用渲染將每個對象轉(zhuǎn)換為彩色點云。特別地，我們首先通過計算每個 RGBAD 圖像中每個像素的點來為每個對象構(gòu)建一個稠密點云。這些點云通常包含數(shù)十萬個不均勻分布的點，因此我們還使用最遠點采樣來創(chuàng)建均勻的 4K 點云。通過直接從渲染構(gòu)建點云，我們能夠避免嘗試直接從 3D 網(wǎng)格采樣點時可能出現(xiàn)的各種問題，例如模型中包含的采樣點或處理以不尋常文件格式存儲的 3D 模型 。

最后，我們采用各種啟發(fā)式方法來減少數(shù)據(jù)集中低質(zhì)量模型的出現(xiàn)頻率。首先，我們通過計算每個點云的 SVD 來消除平面對象，只保留那些最小奇異值高于某個閾值的對象。接下來，我們通過 CLIP 特征對數(shù)據(jù)集進行聚類（對于每個對象，我們對所有渲染的特征進行平均）。我們發(fā)現(xiàn)一些集群包含許多低質(zhì)量的模型類別，而其他集群則顯得更加多樣化或可解釋。

我們將這些集群分到幾個不同質(zhì)量的容器中，并使用所得容器的加權(quán)混合作為我們的最終數(shù)據(jù)集。

2、查看合成 GLIDE 模型

本文的點云模型以文中數(shù)據(jù)集的渲染視圖為條件，這些視圖都是使用相同的渲染器和照明設(shè)置生成的。因此，為了確保這些模型正確處理生成的合成視圖，我們的目標是顯式生成與數(shù)據(jù)集分布相匹配的 3D 渲染。 為此，我們微調(diào)了 GLIDE，混合了其原始的數(shù)據(jù)集和我們的 3D 渲染數(shù)據(jù)集。由于我們的 3D 數(shù)據(jù)集與原始 GLIDE 訓(xùn)練集相比較小，因此我們僅在 5% 的時間內(nèi)從 3D 數(shù)據(jù)集中采樣圖像，其余 95% 使用原始數(shù)據(jù)集。我們對 100K 次迭代進行了微調(diào)，這意味著該模型已經(jīng)在 3D 數(shù)據(jù)集上進行了多次迭代（但從未兩次看到完全相同的渲染視點）。

為了確保我們始終對分布渲染進行采樣（而不是僅在 5% 的時間內(nèi)對其進行采樣），我們在每個 3D 渲染的文本提示中添加了一個特殊標記，表明它是 3D 渲染；然后我們在測試時使用此標記進行采樣。

3、點云擴散

值得注意的是，我們沒有為這個模型使用位置編碼。因此，模型本身對于輸入點云是排列不變的（盡管輸出順序與輸入順序相關(guān)）。

4、點云上采樣

對于圖像擴散模型，最好的質(zhì)量通常是通過使用某種形式的層級結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的，其中低分辨率基礎(chǔ)模型產(chǎn)生輸出，然后由另一個模型進行上采樣。我們采用這種方法來生成點云，首先使用大型基礎(chǔ)模型生成 1K 點，然后使用較小的上采樣模型上采樣到 4K 點。

值得注意的是，我們模型的計算需求隨點數(shù)的增加而增加，因此對于固定模型大小，生成 4K 點的成本是生成 1K 點的四倍。 我們的上采樣器使用與我們的基本模型相同的架構(gòu)，為低分辨率點云提供額外的條件標記。為了達到 4K 點，上采樣器以 1K 點為條件并生成額外的 3K 點，這些點被添加到低分辨率點云中。我們通過一個單獨的線性嵌入層傳遞條件點，而不是用于 的線性嵌入層，從而允許模型將條件信息與新點區(qū)分開來，而無需使用位置嵌入。

5、點云網(wǎng)格

對于基于渲染的評估，我們不直接渲染生成的點云。相反，我們將點云轉(zhuǎn)換為帶紋理的網(wǎng)格并使用 Blender 渲染這些網(wǎng)格。從點云生成網(wǎng)格是一個經(jīng)過充分研究的問題，有時甚至是一個難題。我們的模型生成的點云通常有裂縫、異常值或其他類型的噪聲，使問題特別具有挑戰(zhàn)性。

為此，我們簡要嘗試使用預(yù)訓(xùn)練的 SAP 模型（Peng 等人，2021 年），但發(fā)現(xiàn)生成的網(wǎng)格有時會丟失點云中存在的大部分形狀或重要的形狀細節(jié)。我們沒有訓(xùn)練新的 SAP 模型，而是選擇了一種更簡單的方法。 為了將點云轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格，我們使用基于回歸的模型來預(yù)測給定點云的對象的符號距離場，然后將行進立方體 (Lorensen & Cline, 1987) 應(yīng)用于生成的 SDF 以提取網(wǎng)格。然后，我們使用距離原始點云最近的點的顏色為網(wǎng)格的每個頂點分配顏色。

實驗結(jié)果

由于通過文本條件合成3D是一個相當新的研究領(lǐng)域，因此還沒有針對此任務(wù)的標準基準集。然而，其他幾項工作使用 CLIP R-Precision 評估 3D 生成，我們在表 1 中與這些方法進行了比較。除了 CLIP R-Precision 之外，我們還注意到報告的每種方法的采樣計算要求。

雖然我們的方法比當前最先進的方法表現(xiàn)要差些，但我們注意到此評估的兩個微妙之處，它們可以解釋部分（但可能不是全部）這種差異：

與 DreamFusion 等基于多視圖優(yōu)化的方法不同，Point E 不會明確優(yōu)化每個視圖以匹配文本提示。這可能會導(dǎo)致 CLIP R-Precision 降低，因為某些物體不容易從所有角度識別。

我們的方法生成的點云必須在渲染前進行預(yù)處理。將點云轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格是一個難題，我們使用的方法有時會丟失點云本身中存在的信息。

總結(jié)與展望

本文介紹了 Point E，一個用于從文本生成點云的方法，它首先生成合成視圖，然后生成以這些視圖為條件的彩色點云。我們發(fā)現(xiàn) Point E 能夠根據(jù)文本提示有效地生成多樣化和復(fù)雜的 3D 形狀。希望我們的方法可以作為文本到 3D這一塊研究領(lǐng)域進一步工作的起點。

審核編輯：劉清