谷歌發(fā)明的由2D圖像生成3D圖像技術(shù)解析

谷歌發(fā)明的由2D圖像生成3D圖像的技術(shù)，利用3D估計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像信息的補(bǔ)全以及預(yù)測(cè)，融合了拍攝角度、光照等信息，讓生成的3D圖像看起來更加逼真，這種技術(shù)對(duì)于三維建模以及工業(yè)應(yīng)用都具有極大的指導(dǎo)意義。

谷歌研究人員制作的一個(gè)AI工具，可以把涂鴉變成奇怪的怪物。這款工具名為Chimera Painter，使用機(jī)器學(xué)習(xí)來根據(jù)用戶的粗略草圖生成圖像。

Chimera Painter背后的團(tuán)隊(duì)在一篇博客文章中解釋了他們的方法和動(dòng)機(jī)，稱他們的想法是創(chuàng)造一種 “畫筆，它的行為不像工具，而更像助手”。Chimera Painter只是一個(gè)原型，但如果這樣的軟件變得普遍，它可以減少創(chuàng)造高質(zhì)量藝術(shù)所需的時(shí)間。

這種圖像生成技術(shù)，其實(shí)在三維渲染方面有著非常廣泛的應(yīng)用，其中最具有代表性的工作之一，就是由2D圖像生成3D圖像。我們知道，3D圖像相比于2D圖像多了深度信息這一個(gè)維度，但也就是這一個(gè)差別，導(dǎo)致了3D圖像相比于2D圖像所多出的信息不是一星半點(diǎn)。因此，倘若想要從2D圖像生成3D圖像，其難度之大可想而知。

為此，谷歌在18年10月18日申請(qǐng)了一項(xiàng)名為“通過渲染許多3D視圖來學(xué)習(xí)重構(gòu)3D形狀”的發(fā)明專利（申請(qǐng)?zhí)枺?01880030823.5），申請(qǐng)人為谷歌有限責(zé)任公司。

根據(jù)該專利目前公開的資料，讓我們一起來看看這項(xiàng)從2D圖像到3D圖像的生成方法吧。

該技術(shù)中，主要使用了3D估計(jì)器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如上圖，為使用3D估計(jì)器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來估計(jì)圖像中描繪的面部的3D形狀和紋理，并基于估計(jì)的3D形狀和紋理生成替身的系統(tǒng)示意圖。用戶通過上傳面部圖像105，系統(tǒng)100可以對(duì)照片進(jìn)行處理后生成替身115，這里所說的替身也就是用戶的3D畫像。

在具體的過程中，照片首先由面部識(shí)別引擎110進(jìn)行處理，從而生成用戶的面部圖像特征112，該特征在3D估計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中被處理，基于圖像特征估計(jì)照片中描繪的用戶面部的3D形狀和紋理，從而生成形狀紋理數(shù)據(jù)122。

最后，數(shù)據(jù)122被發(fā)送到3D渲染引擎130中，基于用戶獨(dú)特的面部形狀、紋理特征來生成用戶的3D畫像，并且為了做到更加真實(shí)，渲染引擎可以給出特定的視圖，視圖中融合了相機(jī)角度、光照以及視場(chǎng)的估計(jì)信息，可以讓生成的圖像質(zhì)量更加逼真。

如上圖，為用于用戶3D渲染圖像生成的3D估計(jì)器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)220的系統(tǒng)框圖，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還是相當(dāng)復(fù)雜的，從圖中我們可以看到這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是如何工作的。根據(jù)目前的技術(shù)來看，訓(xùn)練3D估計(jì)器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常有兩個(gè)困難：第一，由3D對(duì)象的圖像和那些3D對(duì)象的3D形狀和紋理組成的訓(xùn)練對(duì)通常是有限的并且難以獲得；第二，訓(xùn)練3D估計(jì)器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可能經(jīng)常導(dǎo)致3D估計(jì)器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)欺騙。

因此，該專利發(fā)明的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分為了監(jiān)督訓(xùn)練回路以及無監(jiān)督訓(xùn)練回路，通過二者相結(jié)合的方式，在完全訓(xùn)練階段期間，僅利用無監(jiān)督訓(xùn)練回路，從而允許估計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出更快地收斂。

因?yàn)闊o監(jiān)督訓(xùn)練回路可以在預(yù)訓(xùn)練階段和完全訓(xùn)練階段兩者期間使用，所以從無監(jiān)督訓(xùn)練回路開始，在預(yù)訓(xùn)練之后，完全訓(xùn)練可以對(duì)大量迭代和大量樣本單獨(dú)利用無監(jiān)督訓(xùn)練回路，來改進(jìn)3D估計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)圖像中的對(duì)象的3D形狀和紋理的能力。

最后，是這種無監(jiān)督訓(xùn)練回路訓(xùn)練的流程圖，系統(tǒng)首先需要獲取對(duì)象圖像的第一圖像特征，該特征就是上述所說用戶面部信息的原始數(shù)據(jù)，其次，將這種第一圖像特征提供給3D估計(jì)器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并獲取3D形狀和紋理。

根據(jù)這些形狀和紋理進(jìn)行3D渲染，并從多個(gè)3D視圖中導(dǎo)出第二圖像特征，基于圖像特征的損失函數(shù)計(jì)算損失，以知道神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反向傳播以得到更加良好的效果以及減少圖像生成的損失。

以上就是谷歌發(fā)明的利用2D圖像生成3D圖像的專利技術(shù)，從2D到3D圖像的轉(zhuǎn)換過程中，由于2D圖像缺少了很多信息，因此該技術(shù)利用3D估計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的補(bǔ)全以及預(yù)測(cè)，并融合了拍攝角度、光照等信息，讓生成的3D圖像看起來更加逼真，這種技術(shù)對(duì)于三維建模以及工業(yè)應(yīng)用都具有極大的指導(dǎo)意義。

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