3D Gaussion Splatting | 3D高斯 | 抛

3D高斯（3D Gaussian Splatting for Real-Time Radiance Field Rendering）

首先，我们来看一下3D高斯的特点是什么？3D模型组成表面的方法通常有两种，一种是由方块组成，另一种是由三角形组成，而3D高斯splatting是由椭圆组成的模型。
3D高斯splatting允许在1080p分辨率下实现高质量实时（大于30帧每秒）。在提出该方法时，在现有公开数据集，确保实时渲染，达到sota质量。mipner360在渲染阿相同质量下，需要长达48h的训练时间，无法在高分辨率下实时渲染。

总结一句话：速度快且质量好。使用Insrtant-ngp的速度实现了mipner的渲染质量。

1、文章贡献：

（1）引入了一种各向异性（anisotropic）的3D高斯作为高质量、非结构化的辐射场表达。
（2）实现了使用GPU进行快速可微的渲染，允许各向异性的抛雪球（Splatting）和快速反向传播。
（3）提出了针对3D高斯特性的优化方法，并同时进行自适应密度控制。

2、预备知识（3D高斯公式的推导和其他的相关研究）

（1）由一维高斯推广到三维高斯

经过最终的推导，会得到三维高斯的概率密度函数，由矩阵A和协方差矩阵Σ所决定和控制。

（2）相关NeRF的研究
第一个是PointNeRF，这项研究的贡献如下（绿色部分与3D高斯的思想比较接近）：

• 为每一个点赋予特征向量
• 体渲染时采样点周边的一定领域内的点的特征做线形插值，解码获得颜色值和不透明度
• 自适应点云的生长和剔除

第二个是Plenoxels，最重要的是使用球谐函数来替代原来的体渲染的工作，体素格点存储球谐函数（spherical harmonic）系数，系数做插值得到采样位置的球谐函数。

3、3D高斯具体方法

有了上述的预备知识，到了这一步骤我们就可以开始3D高斯的学习了。

（1）可微的3D高斯Splatting
我们要清除的是3D高斯依旧是一个一个的点，每一个点都是一个3D高斯分布。一维的高斯是一个钟形曲线，二维的高斯是一个像小山包的形状，而三维高斯就像是一个椭球。而3D高斯只要做到一件事情，优化每一个点的参数。

每一个3D高斯的点都存储了以下信息：

• Position（位置信息）：这是一个椭球的中心，也是高斯分布的均值
• Covariance（协方差矩阵）：次变量可以控制椭球的大小，形状和方向
• Opacity（不透明度）：用于控制不透明度，用于Splatting时的渲染
• Spherical harmonics（球谐函数）：球谐函数，你和视角相关的外观

文章中使用的3D高斯函数如下，与上面推导的公式相比，这里缺少了均值μ，这是因为x-μ的作用是为了中心化，但是x已经是中心点了，故而可以省去中心化的步骤。原公式中的系数也被去掉了。

在优化的过程中，为了能够加速优化的过程，通常会将旋转矩阵R转换成四元数进行优化，由9个数转变为了4个数。另一个需要考虑的问题是，如果需要对协方差矩阵进行优化，那么就需要对其进行求导从而进行梯度更新。矩阵A如何对四元数和尺度求偏导？文章中有详细的推导公式。第三个问题为如何进行渲染？也就是说怎么将一个椭球投影成一个平面？文章中引用了在CG领域的其他研究的方法，文章中有写。

（2）优化 Optimization
上面的内容建立了3D高斯的数学模型了，那么优化的过程和优化策略可以说是3D高斯的核心。

• 随机梯度下降：利用梯度下降的方式进行参数的更新。
• CUDA核心：使用物理外挂给算法加速。
• 快速光栅化：使用光栅化开启多线程，并行的提高效率。
• sigmoid和exponential激活函数：使用sigmoid激活函数约束不透明度值域，使用指数激活函数。
• 损失函数：L1损失函数（渲染图像和GT突袭那个求光度误差），SSIM结构相似性误差（用户控制其在细节上的把控）。

（3）自适应高斯控制
我们初始化的点的数量并不是一成不变的，点的数量和分布也会进行变化，目的是为了更好的拟合细节信息。

• 每100次迭代移除不透明度小于阈值的点（透明的点没有必要再优化了）
• 重建不充分的区域往往会有较大的梯度（通过梯度来判断，如果方差大就克隆，如果方差小就分裂）
  • Under-reconstruction：clone（欠重建：例如上图上一排就是一个点无法你和这个结构，于是需要克隆一个点出来）
  • Over-reconstruction：split（过重建：例如图中的下一排，一个点无法完美的覆盖该区域，于是就将一个点分裂成两个点进行匹配）
• 周期性将不透明度重置为0用于去除floaters（漂浮物）
• 周期性移除较大的高斯用于避免重叠

（4）快速可光栅化 Tile-based Rasterizer（加速实时渲染的帧率）

• 把整个图像划分为16*16个tils，每个tiel视锥内挑选可视的3D Gaussian；
• 每个视锥内只取执行度大于99%的高斯，并按照深度排序；
• 并行地在每一个tile上splat；
• 有像素的不透明度达到饱和就停止对应线程；
• 反向传播误差时按tile对高斯进行索引；

4、总结
上面我们基本上就介绍完了3D高斯的关键技术了，那我们现在看一下全部的流程：

从初始的SfM点云出发，以每一个点为中心生成3D高斯。然后利用相机参数把投影点投影到图像平面上（也就是splatting）。接下来从splatting的痕迹中进行快速光栅化，得到渲染的图像。将渲染的图像和Ground Trueth图像求loss。最后沿着蓝色的箭头进行反向传播，还有自适应的密度控制模块，最终传到每一个点上的梯度，决定是否需要克隆或者分裂。梯度同时会传播到Projection中，更新其位置、协方差矩阵、球谐函数、不透明度等参数，完成一次迭代。

项目地址：https://repo-sam.inria.fr/fungraph/3d-gaussian-splatting/
论文地址：https://repo-sam.inria.fr/fungraph/3d-gaussian-splatting/3d_gaussian_splatting_low.pdf
参考博客：
【1】https://zhuanlan.zhihu.com/p/655325345
参考视频：
【1】https://www.bilibili.com/video/av872162410/?vd_source=0c5ad79582f906d810296380161a7988
【2】https://www.bilibili.com/video/BV11e411n79b/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click
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