劍指專業領域零部件級3D生成！Meta聯手牛津推出全新多視圖擴散模型

新智元報導  

編輯：alan

【新智元導讀】對於專業應用和創意工作流來說，除了高質量的形狀和紋理，更需要可以獨立操作的「零部件級3D模型」。為此，Meta與牛津大學的研究人員推出了全新的多視圖擴散模型。

當前AI生成的3D模型，已經擁有相當高的質量。

但這些生成結果通常只是單個物體的某種表示（比如隱式神經場、高斯混合或網格），而不包含結構信息。

對於專業應用和創意工作流來說，除了高質量的形狀和紋理，更需要可以獨立操作的「零部件級3D模型」。

比如上圖中的幾個例子，3D模型應該由多個有意義的部分組成，可以分離、組合與編輯。

而上圖中的效果，正是出自Meta與牛津大學的研究人員推出的全新多視圖擴散模型——PartGen。

項目地址：https://silent-chen.github.io/PartGen

PartGen可以使用文本、圖像或非結構化3D對象作為輸入，生成上面說的「子結構可分離」的3D模型。

同一些SOTA生成工作流類似，PartGen也採用兩階段方案，以消除零部件分割和重建的歧義：

首先，多視圖生成器根據給定條件，生成3D對象的多個視圖，由第一個多視圖擴散模型提取一組合理且視圖一致的部分分割，將對象劃分為多個部分。

然後，第二個多視圖擴散模型將每個部分分開，填充遮擋並饋送到3D重建網絡，對這些補充完整的視圖進行3D重建。

PartGen在生成過程中考慮了整個對象的上下文，以確保各部分緊密集成。這種生成式補全模型可以彌補由於遮擋而丟失的信息，還原出完全不可見的部分。

作者在合成以及真實的3D資產上評估了PartGen，如圖所示，其性能大大優於之前的類似方法。

作者還將PartGen部署到真實的下遊應用程序，例如3D零件編輯，以證明模型的實力。

零部件級3D生成

零件很重要，因為零件可以支持重用、編輯或者動畫。

人類藝術家在製作3D模型時，會自然地以這種角度考慮。

比如一個人的模型可以分解成衣服和配飾，以及各種解剖特徵（頭髮、眼睛、牙齒、四肢等）。

零件承載的信息和功能也很重要，比如不同的部分可能具有不同的動畫或不同的材質。

零件還可以單獨替換、刪除或編輯。比如在影片遊戲中，角色更換武器或衣服。

另外，由於其語義意義，零部件對於機器人、具身人工智能和空間智能等3D理解和應用也很重要。

PartGen將現有3D生成方法從非結構化，升級為零部件組合的方法，從而解決了兩個關鍵問題：

1）如何自動將3D對象分割成多個部分；

2）如何提取高質量、完整的3D零部件，即使是在外觀部分遮擋、或者根本看不到的情況下。

多視圖零部件分割

3D對象分割並沒有所謂的「黃金標準」。因此，分割方法應該對合理的部分分割的分佈進行建模，而不是對單個分割進行建模。

可以使用概率擴散模型來學習這項任務，從而有效地捕捉和建模這種模糊性。

作為整個生成流程的第一階段，研究人員將零件分割轉換為隨機多視圖一致性著色問題（stochastic multi-view-consistent colouring problem），利用經過微調的多視圖圖像生成器，在3D對象的多個視圖中生成顏色編碼的分割圖。

作者不假設任何確定性的零件分類法——分割模型從藝術家創建的大量數據中學習，如何將對象分解為多個部分。

考慮將多數圖圖像作為輸入，模型的任務就是預測多個部分的mask。給定一個映射，將分割圖渲染為多視圖RGB圖像，然後對預訓練模型進行微調。

作者使用VAE將多視圖圖像編碼到潛在空間中，並將其與噪聲潛在空間堆疊起來，作為擴散網絡的輸入。

這種方法有兩個優勢：首先是利用了預訓練的圖像生成器，保證了天生具有視圖一致性；其次，生成方法允許簡單地從模型中重新采樣來進行多個合理的分割。

上下文部分補全

對於第二個問題，即在3D中重建分割的零件，普遍的方法是在現有的對象視圖中屏蔽零件，然後使用3D重建網絡進行恢復。

然而，當零件被嚴重遮擋時，這項任務相當於非模態重建，是高度模糊的，確定性重構網絡無法很好地解決。

本文建議微調另一個多視圖生成器來補全部分的視圖，同時考慮整個對象的上下文。

類似於上一個階段，研究人員將預訓練的VAE分別應用於蒙版圖像和上下文圖像，產生2 × 8個通道，並將它們與8D噪聲圖像和未編碼的部分掩碼堆疊在一起，獲得擴散模型的25通道輸入。

通過這種方式，即使零件在原始輸入視圖中僅部分可見，甚至不可見，也可以可靠地重建這些零件。此外，生成的部分可以很好地組合在一起，形成一個連貫的3D對象。

最後一步是在3D中重建零件。因為零件視圖已經是完整且一致的，所以可以簡單地使用重建網絡來生成預測，此階段的模型不需要特殊的微調。

訓練數據

為了訓練模型，研究人員從140k 3D藝術家生成的資產集合中構建了數據集（商業來源獲得AI訓練許可）。數據集中的示例對象如圖3所示。

對於方法中涉及微調的三個模型，每個模型的數據預處理方式都不同。

為了訓練多視圖生成器模型，首先必須將目標多視圖圖像（4個視圖組成）渲染到完整對象。

作者從正交方位角和20度仰角對4個視圖進行著色，並將它們排列在2 × 2網格中。

在文本條件下，訓練數據由多視圖圖像對及其文本標題組成，選擇10k最高質量的資產，並使用類似CAP3D的工作流生成它們的文本標題。

在圖像條件下，使用所有140k模型數據，設置隨機采樣以單個渲染的形式出現。

為了訓練零件分割和補全網絡，還需要渲染多視圖零件圖像及其深度圖。

由於不同的創作者對部分分解有不同的想法，因此作者過濾掉數據集中可能缺乏語義的過於精細的部分（首先剔除佔用對象體積小於5%的部分，然後刪除具有10個以上部分或由單個整體組成的資產）。

最終的數據集包含45k個對象（210k個零部件）。

下遊應用

下圖給出了幾個應用示例：部件感知文本到3D生成、部件感知圖像到3D生成，以及真實世界的3D對象分解。

如圖所示，PartGen可以有效地生成具有不同部件的3D對象，即使在嚴重重疊的情況下，例如小熊軟糖。

給定一個來自GSO（Google Scanned Objects）的3D對象，渲染不同的視圖以獲得圖像網格，圖6的最後一行顯示，PartGen可以有效地分解現實世界的3D對象。

當3D對象被分解之後，它們就可以通過文本輸入進一步修改。如圖7所示，PartGen可以根據文本提示有效地編輯零件的形狀和紋理。

參考資料：

https://x.com/MinghaoChen23/status/1871809184620323279