Bridging the gap between reconstruction and synthesis

Aplicat embargament des de la data de defensa fins el 15 de gener de 20223D reconstruction and image synthesis are two of the main pillars in computer vision. Early works focused on simple tasks such as multi-view reconstruction and texture synthesis. With the spur of Deep Learning, the field has rapidly progressed, making it possible to achieve more complex and high level tasks. For example, the 3D reconstruction results of traditional multi-view approaches are currently obtained with single view methods. Similarly, early pattern based texture synthesis works have resulted in techniques that allow generating novel high-resolution images. In this thesis we have developed a hierarchy of tools that cover all these range of problems, lying at the intersection of computer vision, graphics and machine learning. We tackle the problem of 3D reconstruction and synthesis in the wild. Importantly, we advocate for a paradigm in which not everything should be learned. Instead of applying Deep Learning naively we propose novel representations, layers and architectures that directly embed prior 3D geometric knowledge for the task of 3D reconstruction and synthesis. We apply these techniques to problems including scene/person reconstruction and photo-realistic rendering. We first address methods to reconstruct a scene and the clothed people in it while estimating the camera position. Then, we tackle image and video synthesis for clothed people in the wild. Finally, we bridge the gap between reconstruction and synthesis under the umbrella of a unique novel formulation. Extensive experiments conducted along this thesis show that the proposed techniques improve the performance of Deep Learning models in terms of the quality of the reconstructed 3D shapes / synthesised images, while reducing the amount of supervision and training data required to train them. In summary, we provide a variety of low, mid and high level algorithms that can be used to incorporate prior knowledge into different stages of the Deep Learning pipeline and improve performance in tasks of 3D reconstruction and image synthesis.La reconstrucció 3D i la síntesi d'imatges són dos dels pilars fonamentals en visió per computador. Els estudis previs es centren en tasques senzilles com la reconstrucció amb informació multi-càmera i la síntesi de textures. Amb l'aparició del "Deep Learning", aquest camp ha progressat ràpidament, fent possible assolir tasques molt més complexes. Per exemple, per obtenir una reconstrucció 3D, tradicionalment s'utilitzaven mètodes multi-càmera, en canvi ara, es poden obtenir a partir d'una sola imatge. De la mateixa manera, els primers treballs de síntesi de textures basats en patrons han donat lloc a tècniques que permeten generar noves imatges completes en alta resolució. En aquesta tesi, hem desenvolupat una sèrie d'eines que cobreixen tot aquest ventall de problemes, situats en la intersecció entre la visió per computador, els gràfics i l'aprenentatge automàtic. Abordem el problema de la reconstrucció i la síntesi 3D en el món real. És important destacar que defensem un paradigma on no tot s'ha d'aprendre. Enlloc d'aplicar el "Deep Learning" de forma naïve, proposem representacions novedoses i arquitectures que incorporen directament els coneixements geomètrics ja existents per a aconseguir la reconstrucció 3D i la síntesi d'imatges. Nosaltres apliquem aquestes tècniques a problemes com ara la reconstrucció d'escenes/persones i a la renderització d'imatges fotorealistes. Primer abordem els mètodes per reconstruir una escena, les persones vestides que hi ha i la posició de la càmera. A continuació, abordem la síntesi d'imatges i vídeos de persones vestides en situacions quotidianes. I finalment, aconseguim, a través d'una nova formulació única, connectar la reconstrucció amb la síntesi. Els experiments realitzats al llarg d'aquesta tesi demostren que les tècniques proposades milloren el rendiment dels models de "Deepp Learning" pel que fa a la qualitat de les reconstruccions i les imatges sintetitzades alhora que redueixen la quantitat de dades necessàries per entrenar-los. En resum, proporcionem una varietat d'algoritmes de baix, mitjà i alt nivell que es poden utilitzar per incorporar els coneixements previs a les diferents etapes del "Deep Learning" i millorar el rendiment en tasques de reconstrucció 3D i síntesi d'imatges.Postprint (published version

Stability and Expressiveness of Deep Generative Models

In den letzten Jahren hat Deep Learning sowohl das maschinelle Lernen als auch die maschinelle Bildverarbeitung revolutioniert. Viele klassische Computer Vision-Aufgaben, wie z.B. die Objekterkennung und semantische Segmentierung, die traditionell sehr anspruchsvoll waren, können nun mit Hilfe von überwachten Deep Learning-Techniken gelöst werden. Überwachtes Lernen ist ein mächtiges Werkzeug, wenn annotierte Daten verfügbar sind und die betrachtete Aufgabe eine eindeutige Lösung hat. Diese Bedingungen sind allerdings nicht immer erfüllt. Ein vielversprechender Ansatz ist in diesem Fall die generative Modellierung. Im Gegensatz zu rein diskriminativen Modellen können generative Modelle mit Unsicherheiten umgehen und leistungsfähige Modelle lernen, auch wenn keine annotierten Trainingsdaten verfügbar sind. Obwohl aktuelle Ansätze zur generativen Modellierung vielversprechende Ergebnisse erzielen, beeinträchtigen zwei Aspekte ihre Expressivität: (i) Einige der erfolgreichsten Ansätze zur Modellierung von Bilddaten werden nicht mehr mit Hilfe von Optimierungsalgorithmen trainiert, sondern mit Algorithmen, deren Dynamik bisher nicht gut verstanden wurde. (ii) Generative Modelle sind oft durch den Speicherbedarf der Ausgaberepräsentation begrenzt. In dieser Arbeit gehen wir auf beide Probleme ein: Im ersten Teil der Arbeit stellen wir eine Theorie vor, die es erlaubt, die Trainingsdynamik von Generative Adversarial Networks (GANs), einem der vielversprechendsten Ansätze zur generativen Modellierung, besser zu verstehen. Wir nähern uns dieser Problemstellung, indem wir minimale Beispielprobleme des GAN-Trainings vorstellen, die analytisch verstanden werden können. Anschließend erhöhen wir schrittweise die Komplexität dieser Beispiele. Dadurch gewinnen wir neue Einblicke in die Trainingsdynamik von GANs und leiten neue Regularisierer her, die auch für allgemeine GANs sehr gut funktionieren. Insbesondere ermöglichen unsere neuen Regularisierer erstmals, ein GAN mit einer Auflösung von einem Megapixel zu trainieren, ohne dass wir die Auflösung der Trainingsverteilung schrittweise erhöhen müssen. Im zweiten Teil dieser Arbeit betrachten wir Ausgaberepräsentationen für generative Modelle in 3D und für 3D-Rekonstruktionstechniken. Durch die Einführung von impliziten Repräsentationen sind wir in der Lage, viele Techniken, die in 2D funktionieren, auf den 3D-Bereich auszudehnen ohne ihre Expressivität einzuschränken.In recent years, deep learning has revolutionized both machine learning and computer vision. Many classical computer vision tasks (e.g. object detection and semantic segmentation), which traditionally were very challenging, can now be solved using supervised deep learning techniques. While supervised learning is a powerful tool when labeled data is available and the task under consideration has a well-defined output, these conditions are not always satisfied. One promising approach in this case is given by generative modeling. In contrast to purely discriminative models, generative models can deal with uncertainty and learn powerful models even when labeled training data is not available. However, while current approaches to generative modeling achieve promising results, they suffer from two aspects that limit their expressiveness: (i) some of the most successful approaches to modeling image data are no longer trained using optimization algorithms, but instead employ algorithms whose dynamics are not well understood and (ii) generative models are often limited by the memory requirements of the output representation. We address both problems in this thesis: in the first part we introduce a theory which enables us to better understand the training dynamics of Generative Adversarial Networks (GANs), one of the most promising approaches to generative modeling. We tackle this problem by introducing minimal example problems of GAN training which can be understood analytically. Subsequently, we gradually increase the complexity of these examples. By doing so, we gain new insights into the training dynamics of GANs and derive new regularizers that also work well for general GANs. Our new regularizers enable us - for the first time - to train a GAN at one megapixel resolution without having to gradually increase the resolution of the training distribution. In the second part of this thesis we consider output representations in 3D for generative models and 3D reconstruction techniques. By introducing implicit representations to deep learning, we are able to extend many techniques that work in 2D to the 3D domain without sacrificing their expressiveness