Light field reconstruction from multi-view images

Kang Han studied recovering the 3D world from multi-view images. He proposed several algorithms to deal with occlusions in depth estimation and effective representations in view rendering. the proposed algorithms can be used for many innovative applications based on machine intelligence, such as autonomous driving and Metaverse

Rekonstruktion und skalierbare Detektion und Verfolgung von 3D Objekten

The task of detecting objects in images is essential for autonomous systems to categorize, comprehend and eventually navigate or manipulate its environment. Since many applications demand not only detection of objects but also the estimation of their exact poses, 3D CAD models can prove helpful since they provide means for feature extraction and hypothesis refinement. This work, therefore, explores two paths: firstly, we will look into methods to create richly-textured and geometrically accurate models of real-life objects. Using these reconstructions as a basis, we will investigate on how to improve in the domain of 3D object detection and pose estimation, focusing especially on scalability, i.e. the problem of dealing with multiple objects simultaneously.Objekterkennung in Bildern ist für ein autonomes System von entscheidender Bedeutung, um seine Umgebung zu kategorisieren, zu erfassen und schließlich zu navigieren oder zu manipulieren. Da viele Anwendungen nicht nur die Erkennung von Objekten, sondern auch die Schätzung ihrer exakten Positionen erfordern, können sich 3D-CAD-Modelle als hilfreich erweisen, da sie Mittel zur Merkmalsextraktion und Verfeinerung von Hypothesen bereitstellen. In dieser Arbeit werden daher zwei Wege untersucht: Erstens werden wir Methoden untersuchen, um strukturreiche und geometrisch genaue Modelle realer Objekte zu erstellen. Auf der Grundlage dieser Konstruktionen werden wir untersuchen, wie sich der Bereich der 3D-Objekterkennung und der Posenschätzung verbessern lässt, wobei insbesondere die Skalierbarkeit im Vordergrund steht, d.h. das Problem der gleichzeitigen Bearbeitung mehrerer Objekte

Hardware Acceleration of Neural Graphics

Rendering and inverse-rendering algorithms that drive conventional computer graphics have recently been superseded by neural representations (NR). NRs have recently been used to learn the geometric and the material properties of the scenes and use the information to synthesize photorealistic imagery, thereby promising a replacement for traditional rendering algorithms with scalable quality and predictable performance. In this work we ask the question: Does neural graphics (NG) need hardware support? We studied representative NG applications showing that, if we want to render 4k res. at 60FPS there is a gap of 1.5X-55X in the desired performance on current GPUs. For AR/VR applications, there is an even larger gap of 2-4 OOM between the desired performance and the required system power. We identify that the input encoding and the MLP kernels are the performance bottlenecks, consuming 72%,60% and 59% of application time for multi res. hashgrid, multi res. densegrid and low res. densegrid encodings, respectively. We propose a NG processing cluster, a scalable and flexible hardware architecture that directly accelerates the input encoding and MLP kernels through dedicated engines and supports a wide range of NG applications. We also accelerate the rest of the kernels by fusing them together in Vulkan, which leads to 9.94X kernel-level performance improvement compared to un-fused implementation of the pre-processing and the post-processing kernels. Our results show that, NGPC gives up to 58X end-to-end application-level performance improvement, for multi res. hashgrid encoding on average across the four NG applications, the performance benefits are 12X,20X,33X and 39X for the scaling factor of 8,16,32 and 64, respectively. Our results show that with multi res. hashgrid encoding, NGPC enables the rendering of 4k res. at 30FPS for NeRF and 8k res. at 120FPS for all our other NG applications

Neural Rendering and Its Hardware Acceleration: A Review

Neural rendering is a new image and video generation method based on deep learning. It combines the deep learning model with the physical knowledge of computer graphics, to obtain a controllable and realistic scene model, and realize the control of scene attributes such as lighting, camera parameters, posture and so on. On the one hand, neural rendering can not only make full use of the advantages of deep learning to accelerate the traditional forward rendering process, but also provide new solutions for specific tasks such as inverse rendering and 3D reconstruction. On the other hand, the design of innovative hardware structures that adapt to the neural rendering pipeline breaks through the parallel computing and power consumption bottleneck of existing graphics processors, which is expected to provide important support for future key areas such as virtual and augmented reality, film and television creation and digital entertainment, artificial intelligence and the metaverse. In this paper, we review the technical connotation, main challenges, and research progress of neural rendering. On this basis, we analyze the common requirements of neural rendering pipeline for hardware acceleration and the characteristics of the current hardware acceleration architecture, and then discuss the design challenges of neural rendering processor architecture. Finally, the future development trend of neural rendering processor architecture is prospected

PR-NeuS: A Prior-based Residual Learning Paradigm for Fast Multi-view Neural Surface Reconstruction

Neural surfaces learning has shown impressive performance in multi-view surface reconstruction. However, most existing methods use large multilayer perceptrons (MLPs) to train their models from scratch, resulting in hours of training for a single scene. Recently, how to accelerate the neural surfaces learning has received a lot of attention and remains an open problem. In this work, we propose a prior-based residual learning paradigm for fast multi-view neural surface reconstruction. This paradigm consists of two optimization stages. In the first stage, we propose to leverage generalization models to generate a basis signed distance function (SDF) field. This initial field can be quickly obtained by fusing multiple local SDF fields produced by generalization models. This provides a coarse global geometry prior. Based on this prior, in the second stage, a fast residual learning strategy based on hash-encoding networks is proposed to encode an offset SDF field for the basis SDF field. Moreover, we introduce a prior-guided sampling scheme to help the residual learning stage converge better, and thus recover finer structures. With our designed paradigm, experimental results show that our method only takes about 3 minutes to reconstruct the surface of a single scene, while achieving competitive surface quality. Our code will be released upon publication

Efficient Dense Registration, Segmentation, and Modeling Methods for RGB-D Environment Perception

One perspective for artificial intelligence research is to build machines that perform tasks autonomously in our complex everyday environments. This setting poses challenges to the development of perception skills: A robot should be able to perceive its location and objects in its surrounding, while the objects and the robot itself could also be moving. Objects may not only be composed of rigid parts, but could be non-rigidly deformable or appear in a variety of similar shapes. Furthermore, it could be relevant to the task to observe object semantics. For a robot acting fluently and immediately, these perception challenges demand efficient methods. This theses presents novel approaches to robot perception with RGB-D sensors. It develops efficient registration, segmentation, and modeling methods for scene and object perception. We propose multi-resolution surfel maps as a concise representation for RGB-D measurements. We develop probabilistic registration methods that handle rigid scenes, scenes with multiple rigid parts that move differently, and scenes that undergo non-rigid deformations. We use these methods to learn and perceive 3D models of scenes and objects in both static and dynamic environments. For learning models of static scenes, we propose a real-time capable simultaneous localization and mapping approach. It aligns key views in RGB-D video using our rigid registration method and optimizes the pose graph of the key views. The acquired models are then perceived in live images through detection and tracking within a Bayesian filtering framework. An assumption frequently made for environment mapping is that the observed scene remains static during the mapping process. Through rigid multi-body registration, we take advantage of releasing this assumption: Our registration method segments views into parts that move independently between the views and simultaneously estimates their motion. Within simultaneous motion segmentation, localization, and mapping, we separate scenes into objects by their motion. Our approach acquires 3D models of objects and concurrently infers hierarchical part relations between them using probabilistic reasoning. It can be applied for interactive learning of objects and their part decomposition. Endowing robots with manipulation skills for a large variety of objects is a tedious endeavor if the skill is programmed for every instance of an object class. Furthermore, slight deformations of an instance could not be handled by an inflexible program. Deformable registration is useful to perceive such shape variations, e.g., between specific instances of a tool. We develop an efficient deformable registration method and apply it for the transfer of robot manipulation skills between varying object instances. On the object-class level, we segment images using random decision forest classifiers in real-time. The probabilistic labelings of individual images are fused in 3D semantic maps within a Bayesian framework. We combine our object-class segmentation method with simultaneous localization and mapping to achieve online semantic mapping in real-time. The methods developed in this thesis are evaluated in experiments on publicly available benchmark datasets and novel own datasets. We publicly demonstrate several of our perception approaches within integrated robot systems in the mobile manipulation context.Effiziente Dichte Registrierungs-, Segmentierungs- und Modellierungsmethoden für die RGB-D Umgebungswahrnehmung In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit Herausforderungen der visuellen Wahrnehmung für intelligente Roboter in Alltagsumgebungen. Solche Roboter sollen sich selbst in ihrer Umgebung zurechtfinden, und Wissen über den Verbleib von Objekten erwerben können. Die Schwierigkeit dieser Aufgaben erhöht sich in dynamischen Umgebungen, in denen ein Roboter die Bewegung einzelner Teile differenzieren und auch wahrnehmen muss, wie sich diese Teile bewegen. Bewegt sich ein Roboter selbständig in dieser Umgebung, muss er auch seine eigene Bewegung von der Veränderung der Umgebung unterscheiden. Szenen können sich aber nicht nur durch die Bewegung starrer Teile verändern. Auch die Teile selbst können ihre Form in nicht-rigider Weise ändern. Eine weitere Herausforderung stellt die semantische Interpretation von Szenengeometrie und -aussehen dar. Damit intelligente Roboter unmittelbar und flüssig handeln können, sind effiziente Algorithmen für diese Wahrnehmungsprobleme erforderlich. Im ersten Teil dieser Arbeit entwickeln wir effiziente Methoden zur Repräsentation und Registrierung von RGB-D Messungen. Zunächst stellen wir Multi-Resolutions-Oberflächenelement-Karten (engl. multi-resolution surfel maps, MRSMaps) als eine kompakte Repräsentation von RGB-D Messungen vor, die unseren effizienten Registrierungsmethoden zugrunde liegt. Bilder können effizient in dieser Repräsentation aggregiert werde, wobei auch mehrere Bilder aus verschiedenen Blickpunkten integriert werden können, um Modelle von Szenen und Objekte aus vielfältigen Ansichten darzustellen. Für die effiziente, robuste und genaue Registrierung von MRSMaps wird eine Methode vorgestellt, die Rigidheit der betrachteten Szene voraussetzt. Die Registrierung schätzt die Kamerabewegung zwischen den Bildern und gewinnt ihre Effizienz durch die Ausnutzung der kompakten multi-resolutionalen Darstellung der Karten. Die Registrierungsmethode erzielt hohe Bildverarbeitungsraten auf einer CPU. Wir demonstrieren hohe Effizienz, Genauigkeit und Robustheit unserer Methode im Vergleich zum bisherigen Stand der Forschung auf Vergleichsdatensätzen. In einem weiteren Registrierungsansatz lösen wir uns von der Annahme, dass die betrachtete Szene zwischen Bildern statisch ist. Wir erlauben nun, dass sich rigide Teile der Szene bewegen dürfen, und erweitern unser rigides Registrierungsverfahren auf diesen Fall. Unser Ansatz segmentiert das Bild in Bereiche einzelner Teile, die sich unterschiedlich zwischen Bildern bewegen. Wir demonstrieren hohe Segmentierungsgenauigkeit und Genauigkeit in der Bewegungsschätzung unter Echtzeitbedingungen für die Verarbeitung. Schließlich entwickeln wir ein Verfahren für die Wahrnehmung von nicht-rigiden Deformationen zwischen zwei MRSMaps. Auch hier nutzen wir die multi-resolutionale Struktur in den Karten für ein effizientes Registrieren von grob zu fein. Wir schlagen Methoden vor, um aus den geschätzten Deformationen die lokale Bewegung zwischen den Bildern zu berechnen. Wir evaluieren Genauigkeit und Effizienz des Registrierungsverfahrens. Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich der Verwendung unserer Kartenrepräsentation und Registrierungsmethoden für die Wahrnehmung von Szenen und Objekten. Wir verwenden MRSMaps und unsere rigide Registrierungsmethode, um dichte 3D Modelle von Szenen und Objekten zu lernen. Die räumlichen Beziehungen zwischen Schlüsselansichten, die wir durch Registrierung schätzen, werden in einem Simultanen Lokalisierungs- und Kartierungsverfahren (engl. simultaneous localization and mapping, SLAM) gegeneinander abgewogen, um die Blickposen der Schlüsselansichten zu schätzen. Für das Verfolgen der Kamerapose bezüglich der Modelle in Echtzeit, kombinieren wir die Genauigkeit unserer Registrierung mit der Robustheit von Partikelfiltern. Zu Beginn der Posenverfolgung, oder wenn das Objekt aufgrund von Verdeckungen oder extremen Bewegungen nicht weiter verfolgt werden konnte, initialisieren wir das Filter durch Objektdetektion. Anschließend wenden wir unsere erweiterten Registrierungsverfahren für die Wahrnehmung in nicht-rigiden Szenen und für die Übertragung von Objekthandhabungsfähigkeiten von Robotern an. Wir erweitern unseren rigiden Kartierungsansatz auf dynamische Szenen, in denen sich rigide Teile bewegen. Die Bewegungssegmente in Schlüsselansichten werden zueinander in Bezug gesetzt, um Äquivalenz- und Teilebeziehungen von Objekten probabilistisch zu inferieren, denen die Segmente entsprechen. Auch hier liefert unsere Registrierungsmethode die Bewegung der Kamera bezüglich der Objekte, die wir in einem SLAM Verfahren optimieren. Aus diesen Blickposen wiederum können wir die Bewegungssegmente in dichten Objektmodellen vereinen. Objekte einer Klasse teilen oft eine gemeinsame Topologie von funktionalen Elementen, die durch Formkorrespondenzen ermittelt werden kann. Wir verwenden unsere deformierbare Registrierung, um solche Korrespondenzen zu finden und die Handhabung eines Objektes durch einen Roboter auf neue Objektinstanzen derselben Klasse zu übertragen. Schließlich entwickeln wir einen echtzeitfähigen Ansatz, der Kategorien von Objekten in RGB-D Bildern erkennt und segmentiert. Die Segmentierung basiert auf Ensemblen randomisierter Entscheidungsbäume, die Geometrie- und Texturmerkmale zur Klassifikation verwenden. Wir fusionieren Segmentierungen von Einzelbildern einer Szene aus mehreren Ansichten in einer semantischen Objektklassenkarte mit Hilfe unseres SLAM-Verfahrens. Die vorgestellten Methoden werden auf öffentlich verfügbaren Vergleichsdatensätzen und eigenen Datensätzen evaluiert. Einige unserer Ansätze wurden auch in integrierten Robotersystemen für mobile Objekthantierungsaufgaben öffentlich demonstriert. Sie waren ein wichtiger Bestandteil für das Gewinnen der RoboCup-Roboterwettbewerbe in der RoboCup@Home Liga in den Jahren 2011, 2012 und 2013

Neural Radiance Fields: Past, Present, and Future

The various aspects like modeling and interpreting 3D environments and surroundings have enticed humans to progress their research in 3D Computer Vision, Computer Graphics, and Machine Learning. An attempt made by Mildenhall et al in their paper about NeRFs (Neural Radiance Fields) led to a boom in Computer Graphics, Robotics, Computer Vision, and the possible scope of High-Resolution Low Storage Augmented Reality and Virtual Reality-based 3D models have gained traction from res with more than 1000 preprints related to NeRFs published. This paper serves as a bridge for people starting to study these fields by building on the basics of Mathematics, Geometry, Computer Vision, and Computer Graphics to the difficulties encountered in Implicit Representations at the intersection of all these disciplines. This survey provides the history of rendering, Implicit Learning, and NeRFs, the progression of research on NeRFs, and the potential applications and implications of NeRFs in today's world. In doing so, this survey categorizes all the NeRF-related research in terms of the datasets used, objective functions, applications solved, and evaluation criteria for these applications.Comment: 413 pages, 9 figures, 277 citation