• 項目主頁：https://tau-yihouxiang.github.io/projects/X-Ray/X-Ray.html
• 論文地址：https://arxiv.org/abs/2404.14329
• 代碼地址：https://github.com/tau-yihouxiang/X-Ray
• 數(shù)據(jù)集：https://huggingface.co/datasets/yihouxiang/X-Ray

如今的生成式AI在人工智能領(lǐng)域迅猛發(fā)展，在計算機(jī)視覺中，圖像和視頻生成技術(shù)已日漸成熟，如Midjourney、Stable Video Diffusion [1]等模型廣泛應(yīng)用。然而，三維視覺領(lǐng)域的生成模型仍面臨挑戰(zhàn)。

目前的3D模型生成技術(shù)通常基于多角度視頻生成和重建，如SV3D模型[2]，通過生成多角度視頻并結(jié)合神經(jīng)輻射場(NeRF)或者3D高斯渲染模型（3D Gaussian Splatting技術(shù)逐步構(gòu)建3D物體。這種方法主要限制在只能生成簡單的、無自遮擋的三維物體，且無法呈現(xiàn)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得整個生成過程復(fù)雜而且不完美，顯示出該技術(shù)的復(fù)雜性和局限性。

究其原因，在于目前缺乏靈活高效且容易泛化的3D Representation (3D表示)。

圖1. X-Ray序列化3D表示

X射線能夠穿透并記錄關(guān)鍵物體內(nèi)外表面信息，受到這個啟發(fā)，新加坡國立大學(xué)(NUS)胡濤博士帶領(lǐng)研究團(tuán)隊發(fā)布了一種全新的3D表示—X-Ray，它能夠序列化地表示從相機(jī)攝像角度看過去的物體的逐層次的物體表面形狀和紋理，可以充分利用視頻生成模型的優(yōu)勢來生成3D物體，可以同時生成物體的內(nèi)外3D結(jié)構(gòu)。

本文將詳細(xì)展示X-Ray技術(shù)的原理、優(yōu)勢及其廣泛的應(yīng)用前景。

圖2. 與基于渲染的3D模型生成方法比較。

技術(shù)革新：物體內(nèi)外表面的3D表示方法

X-Ray表示：從相機(jī)中心開始朝向物體方向的H×W個矩陣點發(fā)射射線。在每條射線方向上，逐個記錄與物體的表面相交點的L個包含深度、法向量和顏色等的三維屬性數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)組織成L×H×W的形式，實現(xiàn)任意3D模型的張量表示，這就是該團(tuán)隊提出的X-Ray表示方法。

值得注意的是，該表示形式與視頻格式一樣，因此可以用視頻生成模型做3D生成模型。具體過程如下。

圖3. 不同層數(shù)的X-Ray示例樣本。

1.編碼過程: 3D模型轉(zhuǎn)X-Ray

給定一個3D模型，通常是三維網(wǎng)格，首先設(shè)置一個相機(jī)觀測該模型，然后通過光線投影算法(Ray Casting Algorithm)來記錄每個相機(jī)射線與物體相交的所有表面的屬性，包括該表面的深度，法向量，顏色等，為了指示方便，用表示該位置是否存在表面。

然后，獲取所有相機(jī)射線等相交表面點，即可得到一個完整的X-Ray 3D表達(dá)，如下表達(dá)式和圖3所示。

通過編碼過程，將一個任意的3D模型轉(zhuǎn)化為X-Ray，它和視頻格式是一樣的，并且具有不同的幀數(shù)，通常情況下，幀數(shù)L=8 足夠表示一個3D物體。

2.解碼過程：X-Ray轉(zhuǎn)3D模型

給定一個X-Ray，也可以通過解碼過程轉(zhuǎn)化回3D模型，這樣只需要通過生成X-Ray即可生成3D模型。具體過程包括點云生成過程和點云重建表面兩個過程。

• X-Ray到點云：X-Ray很容易轉(zhuǎn)化為點云，該點云中的每個點除了有3D點的位置坐標(biāo)，還具有顏色和法向量信息。

其中r_0,r_d分別是相機(jī)射線的起點和歸一化方向，通過對每個相機(jī)射線的處理，就可以獲得一個完整的點云。

• 點云到三維網(wǎng)格：接下來就是將點云轉(zhuǎn)化為三維網(wǎng)格的過程，這是一個被研究了很多年的技術(shù)，因為這些點云具有法向量，所以采用Screened Poisson 算法直接將點云轉(zhuǎn)化為三維網(wǎng)格模型，即最終的3D模型。

基于X-Ray表示的3D模型生成

為了生成高分辨率的多樣3D X-Ray模型，該團(tuán)隊使用了與視頻格式相似的視頻擴(kuò)散模型架構(gòu)。這個架構(gòu)可以處理連續(xù)的3D信息，并通過上采樣模塊來提高X-Ray的質(zhì)量，生成高精度的3D輸出。擴(kuò)散模型負(fù)責(zé)從噪聲數(shù)據(jù)逐步生成細(xì)節(jié)豐富的3D圖像，上采樣模塊則增強(qiáng)圖像分辨率和細(xì)節(jié)，以達(dá)到高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)具體如圖4所示。

X-Ray 擴(kuò)散生成模型

擴(kuò)散模型在X-Ray生成中使用潛在空間，通常需要自定義開發(fā)向量量化-變分自編碼器（VQ-VAE）[3] 進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，這一缺少現(xiàn)成模型的過程增加了訓(xùn)練負(fù)擔(dān)。

為有效訓(xùn)練高分辨率生成器，該團(tuán)隊采用了級聯(lián)合成策略，通過技術(shù)如Imagen和Stable Cascaded，從低到高分辨率逐步訓(xùn)練，以適應(yīng)有限的計算資源并提高X-Ray圖像質(zhì)量。

具體而言，使用Stable Video Diffusion中的3D U-Net架構(gòu)作為擴(kuò)散模型，生成低分辨率X-Ray，并通過時空注意機(jī)制從2D幀和1D時間序列中提取特征，增強(qiáng)處理和解釋X-Ray能力，這對高質(zhì)量結(jié)果至關(guān)重要。

X-Ray 上采樣模型

前一階段的擴(kuò)散模型僅能從文本或其他圖像生成低分辨率的X-Ray圖像。在隨后的階段，著重提升這些低分辨率X-Ray至更高分辨率。

該團(tuán)隊探索了兩種主要方法：點云上采樣和視頻上采樣。

由于已經(jīng)獲得了形狀和外觀的粗糙表示，將這些數(shù)據(jù)編碼成帶有顏色和法線的點云是一個很直接的過程。

然而，點云表示結(jié)構(gòu)過于松散，不適合進(jìn)行密集預(yù)測，傳統(tǒng)的點云上采樣技術(shù)通常只是簡單增加點的數(shù)量，這對于提升諸如紋理和顏色等屬性可能不夠有效。為了簡化流程并確保整個管道的一致性，選擇使用視頻上采樣模型。

這個模型改編自Stable Video Diffusion（SVD）的時空VAE解碼器，專門從頭開始訓(xùn)練，以4倍的因子上采樣合成的X-Ray幀，同時保持原始的層數(shù)。解碼器能夠在幀級和層級上獨立進(jìn)行注意力操作。這種雙層注意力機(jī)制不僅提高了分辨率，還顯著改善了圖像的整體質(zhì)量。這些功能使得視頻上采樣模型成為在高分辨率X-Ray生成中更加協(xié)調(diào)和有效的解決方案。

圖4：基于X-Ray表示的3D模型生成框架，包括X-Ray擴(kuò)散模型與X-Ray上采樣模型。

實驗

1. 數(shù)據(jù)集：

實驗使用了Objaverse數(shù)據(jù)集的一個篩選子集，從中移除了缺少紋理和不充分提示的條目。

這個子集包含超過60,000個3D對象。對于每個對象，隨機(jī)選擇4個攝像機(jī)視角，覆蓋從-180到180度的方位角和從-45到45度的仰角，攝像機(jī)到對象中心的距離固定為1.5。

然后使用Blender軟件進(jìn)行渲染，并通過trimesh庫提供的光線投射算法生成相應(yīng)的X-Ray。通過這些過程，可以創(chuàng)建超過240,000對圖像和X-Ray數(shù)據(jù)集來訓(xùn)練生成模型。

2. 實現(xiàn)細(xì)節(jié)：

X-Ray擴(kuò)散模型基于Stable Video Diffusion (SVD) 中使用的時空UNet架構(gòu)，進(jìn)行了輕微調(diào)整：模型配置為合成8個通道：1個命中通道，1個深度通道和6個法線通道，與原始網(wǎng)絡(luò)的4個通道相比。

鑒于X-Ray成像與傳統(tǒng)視頻之間的顯著差異，從頭開始訓(xùn)練模型，以彌補(bǔ)X-Ray與視頻領(lǐng)域之間的大差距。訓(xùn)練在8個NVIDIA A100 GPU服務(wù)器上進(jìn)行了一周。在此期間，學(xué)習(xí)率保持在0.0001，使用AdamW優(yōu)化器。

由于不同的X-Ray具有不同數(shù)量的層，將它們填充或裁剪到相同的8層，以便更好地批處理和訓(xùn)練，每層的幀尺寸為64×64。對于上采樣模型，第L層的輸出仍然是8，但每個幀的分辨率提高到256×256，增強(qiáng)了放大X-Ray的細(xì)節(jié)和清晰度，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5：圖像到X-Ray并到3D模型生成

圖6：文本到X-Ray并到3D模型生成

未來展望：新表示帶來無限可能

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)和圖像處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，X-Ray的應(yīng)用前景無限廣闊。

未來，這種技術(shù)可能會與增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）和虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)結(jié)合，為用戶創(chuàng)造出完全沉浸式的3D體驗。教育和訓(xùn)練領(lǐng)域也可以從中受益，例如通過3D重建提供更為直觀的學(xué)習(xí)材料和模擬實驗。

此外，X-Ray技術(shù)在醫(yī)療影像和生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，可能改變?nèi)藗儗?fù)雜生物結(jié)構(gòu)的理解和研究方法。期待它如何改變與三維世界的互動方式。