Learning geometric and lighting priors from natural images

Comprendre les images est d’une importance cruciale pour une pléthore de tâches, de la composition numérique au ré-éclairage d’une image, en passant par la reconstruction 3D d’objets. Ces tâches permettent aux artistes visuels de réaliser des chef-d’oeuvres ou d’aider des opérateurs à prendre des décisions de façon sécuritaire en fonction de stimulis visuels. Pour beaucoup de ces tâches, les modèles physiques et géométriques que la communauté scientifique a développés donnent lieu à des problèmes mal posés possédant plusieurs solutions, dont généralement une seule est raisonnable. Pour résoudre ces indéterminations, le raisonnement sur le contexte visuel et sémantique d’une scène est habituellement relayé à un artiste ou un expert qui emploie son expérience pour réaliser son travail. Ceci est dû au fait qu’il est généralement nécessaire de raisonner sur la scène de façon globale afin d’obtenir des résultats plausibles et appréciables. Serait-il possible de modéliser l’expérience à partir de données visuelles et d’automatiser en partie ou en totalité ces tâches ? Le sujet de cette thèse est celui-ci : la modélisation d’a priori par apprentissage automatique profond pour permettre la résolution de problèmes typiquement mal posés. Plus spécifiquement, nous couvrirons trois axes de recherche, soient : 1) la reconstruction de surface par photométrie, 2) l’estimation d’illumination extérieure à partir d’une seule image et 3) l’estimation de calibration de caméra à partir d’une seule image avec un contenu générique. Ces trois sujets seront abordés avec une perspective axée sur les données. Chacun de ces axes comporte des analyses de performance approfondies et, malgré la réputation d’opacité des algorithmes d’apprentissage machine profonds, nous proposons des études sur les indices visuels captés par nos méthodes.Understanding images is needed for a plethora of tasks, from compositing to image relighting, including 3D object reconstruction. These tasks allow artists to realize masterpieces or help operators to safely make decisions based on visual stimuli. For many of these tasks, the physical and geometric models that the scientific community has developed give rise to ill-posed problems with several solutions, only one of which is generally reasonable. To resolve these indeterminations, the reasoning about the visual and semantic context of a scene is usually relayed to an artist or an expert who uses his experience to carry out his work. This is because humans are able to reason globally on the scene in order to obtain plausible and appreciable results. Would it be possible to model this experience from visual data and partly or totally automate tasks? This is the topic of this thesis: modeling priors using deep machine learning to solve typically ill-posed problems. More specifically, we will cover three research axes: 1) surface reconstruction using photometric cues, 2) outdoor illumination estimation from a single image and 3) camera calibration estimation from a single image with generic content. These three topics will be addressed from a data-driven perspective. Each of these axes includes in-depth performance analyses and, despite the reputation of opacity of deep machine learning algorithms, we offer studies on the visual cues captured by our methods

iNeRF: Inverting Neural Radiance Fields for Pose Estimation

We present iNeRF, a framework that performs mesh-free pose estimation by "inverting" a Neural RadianceField (NeRF). NeRFs have been shown to be remarkably effective for the task of view synthesis - synthesizing photorealistic novel views of real-world scenes or objects. In this work, we investigate whether we can apply analysis-by-synthesis via NeRF for mesh-free, RGB-only 6DoF pose estimation - given an image, find the translation and rotation of a camera relative to a 3D object or scene. Our method assumes that no object mesh models are available during either training or test time. Starting from an initial pose estimate, we use gradient descent to minimize the residual between pixels rendered from a NeRF and pixels in an observed image. In our experiments, we first study 1) how to sample rays during pose refinement for iNeRF to collect informative gradients and 2) how different batch sizes of rays affect iNeRF on a synthetic dataset. We then show that for complex real-world scenes from the LLFF dataset, iNeRF can improve NeRF by estimating the camera poses of novel images and using these images as additional training data for NeRF. Finally, we show iNeRF can perform category-level object pose estimation, including object instances not seen during training, with RGB images by inverting a NeRF model inferred from a single view.Comment: Website: http://yenchenlin.me/inerf