关于Nerf

本文介绍了Nerf技术的发展历程,包括其在提高渲染质量、减少训练数据需求、提升训练和渲染效率、特定场景优化以及与Unity和UnrealEngine的集成。Nerf作为快速发展的领域,在高精度3D重建和虚拟现实领域前景广阔。

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从事3D图形学已经十年有余,以前主要关注在跨平台高效渲染方面,在2021年遇到Nerf的时候,就对其爱不释手,翻看到了2020年的第一篇论文,然后就一直跟踪最新的,发现真是个热门方向,论文层出不断,目前已经成为了三维视觉领域的主流方向。所以从去年就开始着力于传统管线与Nerf的打通,以及将Nerf在unity、UE以及自研渲染引擎中完成更多事情,不过,个人精力始终有限,这些方向也出现了很多优秀的论文已经工程项目。本文只是以此做个记录。

Nerf(神经辐射场)到底是什么?

NeRF Representing Scenes as Neural Radiance Fields for View Synthesis

ECCV 2020 Oral - Best Paper Honorable Mention

Nerf将隐式表达推上了一个新的高度,仅用2D的图像序和姿态作为监督,输出新视角的颜色或者mesh。即可表示复杂的三维场景。

目前Nerf主要集中在几个方向:

方向一:对于单场景渲染质量,主要改进工作有:Mip-Nerf、Nerf++、密拼-nerf-360、Nerf-W、Block-Nerf、Urban-Nerf、CityNerf等

详见我的git:DeallyEngine/Nerf at master · jaccen/DeallyEngine (github.com)

方向二:针对训练的图像数量:原始Nerf大概需要100张左右 ,PixelNerf、MVSNerf、IBRNet等需要几张就可以

方向三:针对训练和渲染速度,原始Nerf需要数十个小时训练一个小场景。instant-ngp等需要5s就可以训练一个场景。原始渲染速率只有0.06fps,而FastNerf、SqueezeNerf等可以达到200fps。BlockNeRF等工作可以重建城市级别的逼真场景,也可以对场景进行不同条件下的光照渲染

方向四:针对特定场景的改进,比如人脸、人体等

方向五:Nerf与Slam结合,在自动驾驶等领域

Nerf与Unity

比较有代表的有:

Nerf与Unreal Engine

比较有代表的有:

Nerf与其他渲染

总结

Nerf作为一个新兴而且发展非常迅速的领域,在高精度快速三维重构、AR、元宇宙等领域会大发异彩。

未来会继续分享关于Nerf深入的东西,已做记录。

### NERF 的代码实现 以下是基于当前引用内容以及专业知识整理的关于 NERF 及其变种(如 K-NeRF 和 Instant Neural Graphics)的相关代码实现资源。 #### 基础 NeRF 实现 基础 NeRF 是由 Mildenhall 等人在 2020 年提出的神经辐射场方法。其实现通常依赖于 PyTorch 或 TensorFlow 构建神经网络,并通过体积渲染方程生成图像。以下是一个经典的 NeRF 实现框架: ```python import torch import torch.nn as nn import torch.optim as optim class NeRF(nn.Module): def __init__(self, depth=8, width=256, input_dim=3, skips=[4]): super(NeRF, self).__init__() layers = [] for i in range(depth): if i == 0: dim = input_dim elif i in skips: dim = width + input_dim else: dim = width linear = nn.Linear(dim, width) layers.append(linear) layers.append(nn.ReLU()) self.layers = nn.Sequential(*layers) self.fc_density = nn.Linear(width, 1) self.fc_color = nn.Linear(width, 3) def forward(self, x): inputs = x for i, layer in enumerate(self.layers): if i in [4]: x = torch.cat([x, inputs], -1) x = layer(x) density = self.fc_density(x) color = self.fc_color(x) return torch.cat([color, density], dim=-1) # Example usage model = NeRF() optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=1e-4) ``` 上述代码定义了一个基本的 NeRF 模型结构,其中 `depth` 表示网络层数,`width` 表示每层隐藏单元数,`input_dim` 为输入维度,默认为位置编码后的三维坐标[^1]。 #### K-NeRF 实现 K-NeRF 是高保真视图合成的一种扩展技术,它优化了传统 NeRF 中的一些性能瓶颈问题。具体来说,K-NeRF 使用更高效的采样策略和简化模型设计来提升运行速度。下面展示的是一个简化的 K-NeRF 实现片段: ```python from nerf import NeRF # Assuming the above class definition is saved in 'nerf.py' class KNeRF(NeRF): def __init__(self, *args, **kwargs): super(KNeRF, self).__init__(*args, **kwargs) def optimize_sampling(self, rays_o, rays_d): """Optimize sampling strategy based on ray directions.""" z_vals = torch.linspace(0., 1., steps=self.num_samples).unsqueeze(0) # Sample points along each ray. pts = rays_o[..., None, :] + rays_d[..., None, :] * z_vals[..., :, None] return pts def render_rays(self, rays_o, rays_d): pts = self.optimize_sampling(rays_o, rays_d) raw_outputs = self(pts.reshape(-1, 3)) colors = raw_outputs[:, :3].reshape(list(pts.shape[:-1]) + [3]) densities = raw_outputs[:, 3:].reshape(list(pts.shape[:-1])) return colors, densities ``` 此代码展示了如何通过对光线方向进行优化采样来进一步增强 NeRF 的表现力[^2]。 #### Block-NeRF 和 Instant Neural Graphics Primitives (INGP) 对于更大规模场景的重建需求,Block-NeRF 提出了分块处理的思想;而 INGP 则引入了一种全新的高效训练机制。两者均旨在解决原版 NeRF 训练时间过长的问题。虽然具体的开源项目可能有所不同,但它们的核心理念都可以从官方 GitHub 库中找到支持[^3]。 例如,Instant NGP 的核心在于使用多分辨率哈希表代替传统的 MLP 参数化形式,从而显著减少内存占用并加快推理过程。相关源码可参见 NVIDIA 官方发布的版本链接。 --- ###
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