3DGS初始化:从SfM稀疏点云到高斯分布
将稀疏点云转化为连续的3D表示
在3DGS(3D Gaussian Splatting)中,我们如何将通过SfM(Structure from Motion)获得的稀疏点云转换为连续的3D高斯分布呢?这就是3DGS初始化要解决的问题。
3D视觉趣闻
- 3DGS技术在2023年被提出后,迅速成为NeRF(神经辐射场)的有力竞争者,因为它能实现实时渲染高质量的3D场景。
- 与NeRF使用神经网络隐式表示3D场景不同,3DGS使用显式的高斯分布来表示场景,这使得渲染速度大大提升。
- 3DGS的初始化过程类似于将一个由点组成的"骨架"转换为一个由高斯分布组成的"血肉",让3D场景更加丰满。
- SfM技术在3DGS初始化中扮演着重要角色,它为3DGS提供了初始的几何结构。
- 3DGS在虚拟现实(VR)和增强现实(AR)领域有广泛应用,能够创建逼真的3D环境和物体。
- 许多大型科技公司如Meta、Google和Apple都在积极研究和应用3DGS技术,用于改进他们的AR/VR产品和地图服务。
- 3DGS技术甚至被应用于电影特效制作,为观众带来更加震撼的视觉体验。
在3DGS中,场景被表示为一组3D高斯分布,每个高斯分布都有位置、协方差矩阵(描述形状和方向)以及颜色和透明度参数。
让我们一起探索如何将SfM生成的稀疏点云转换为这些3D高斯分布!
核心知识点讲解
1 什么是3DGS初始化?
3DGS初始化是指将通过SfM技术获得的稀疏点云转换为3D高斯分布的过程。
在这个过程中,我们需要为每个点分配以下参数:
- 位置:直接使用SfM点云中点的3D坐标
- 协方差矩阵:描述高斯分布的形状和方向
- 颜色和透明度:决定高斯分布的外观属性
🧊 点与高斯:如果把SfM点云比作一堆冰块,那么3DGS初始化就像给每个冰块加上"柔光"效果,让它们变成有体积、有颜色、有透明度的"果冻"。
3DGS技术在多个领域有重要应用:
- 虚拟现实和增强现实:创建逼真的3D环境和物体
- 自动驾驶:构建高精度的3D地图
- 文化遗产保护:数字化保存文物和古迹
- 医学影像:重建器官和组织的3D模型
- 游戏开发:快速创建高质量的游戏场景
2 核心操作1:点云转换为高斯分布
这是最直观的一步。SfM生成的每个3D点直接作为3D高斯分布的中心位置。
设SfM点云中的一个点为 \( P_i = (x_i, y_i, z_i) \),则对应的3D高斯分布中心位置就是 \( \mu_i = (x_i, y_i, z_i) \)。
3 核心操作2:初始化协方差矩阵
协方差矩阵 \( \Sigma \) 决定了3D高斯分布的形状和方向。初始化方法有多种,常见的有:
- 固定大小:为所有高斯分布设置相同的协方差矩阵
- 基于邻近点:根据点周围的邻近点分布来确定协方差矩阵
- 基于重建误差:根据点在不同视角下的重建误差来调整协方差矩阵
一个简单的初始化方法是设置协方差矩阵为一个各向同性的球体:
其中 \( \sigma^2 \) 是一个预设的方差值,可以根据点云的密度来调整。
4 核心操作3:设置初始颜色和透明度
颜色和透明度决定了3D高斯分布的外观。
- 颜色:在3DGS中,颜色通常使用球谐函数(Spherical Harmonics)来表示,以实现更好的视相关颜色效果。在初始化阶段,可以基于点云中点在图像上的投影位置,从对应图像中获取初始颜色值。
- 透明度:初始透明度通常设置为一个较小的值(如0.1),在后续优化中会调整
设点 \( P_i \) 在图像 \( I_j \) 上的投影点为 \( p_{ij} \),对应的颜色为 \( C_{ij} \),则该点的初始颜色可以设置为:
其中 \( N \) 是观测到该点的图像数量。
🧊 点与高斯:如果把SfM点云比作一堆冰块,那么3DGS初始化就像给每个冰块加上"柔光"效果,让它们变成有体积、有颜色、有透明度的"果冻"。
动手实践:用Python实现3DGS初始化
下面我们用Python来实现一个简化的3DGS初始化过程。这段代码将:
- 生成模拟的SfM点云数据
- 将点云转换为3D高斯分布
- 初始化协方差矩阵
- 设置初始颜色和透明度
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
# 设置中文字体
plt.rcParams["font.family"] = ["SimHei", "WenQuanYi Micro Hei", "Heiti TC"]
class SfMPointCloud:
"""
模拟SfM点云数据
"""
def __init__(self, num_points=100):
# 生成随机3D点
self.points = np.random.rand(num_points, 3) * 10 - 5 # 范围[-5, 5]
# 为每个点生成随机颜色(RGB)
self.colors = np.random.rand(num_points, 3)
def get_points(self):
return self.points
def get_colors(self):
return self.colors
class Gaussian3D:
"""
3D高斯分布类
"""
def __init__(self, position, covariance, color, alpha=0.1):
self.position = position # 位置 (x, y, z)
self.covariance = covariance # 协方差矩阵 (3x3)
self.color = color # 颜色 (R, G, B)
self.alpha = alpha # 透明度
def __str__(self):
return f"Gaussian3D(position={self.position}, color={self.color}, alpha={self.alpha})"
class GaussianSplattingInitializer:
"""
3DGS初始化器
"""
def __init__(self, point_cloud, initial_sigma=0.1):
self.point_cloud = point_cloud
self.initial_sigma = initial_sigma
self.gaussians = []
def initialize(self):
"""
执行3DGS初始化
"""
points = self.point_cloud.get_points()
colors = self.point_cloud.get_colors()
# 创建单位协方差矩阵
covariance = np.eye(3) * self.initial_sigma**2
# 为每个点创建高斯分布
for i in range(len(points)):
position = points[i]
color = colors[i]
# 创建3D高斯分布
gaussian = Gaussian3D(position, covariance, color)
self.gaussians.append(gaussian)
return self.gaussians
def visualize(self):
"""
可视化点云和初始化的高斯分布
"""
points = self.point_cloud.get_points()
colors = self.point_cloud.get_colors()
fig = plt.figure(figsize=(12, 5))
# 绘制原始点云
ax1 = fig.add_subplot(121, projection='3d')
ax1.scatter(points[:, 0], points[:, 1], points[:, 2], c=colors, s=20)
ax1.set_title('SfM点云')
ax1.set_xlabel('X')
ax1.set_ylabel('Y')
ax1.set_zlabel('Z')
# 绘制高斯分布中心点(与点云相同)
ax2 = fig.add_subplot(122, projection='3d')
ax2.scatter(points[:, 0], points[:, 1], points[:, 2], c=colors, s=20)
ax2.set_title('3DGS初始化(高斯分布中心)')
ax2.set_xlabel('X')
ax2.set_ylabel('Y')
ax2.set_zlabel('Z')
plt.tight_layout()
plt.show()
# 主程序
def main():
# 1. 创建模拟的SfM点云
sfm_cloud = SfMPointCloud(num_points=50)
# 2. 初始化3DGS
initializer = GaussianSplattingInitializer(sfm_cloud, initial_sigma=0.2)
gaussians = initializer.initialize()
# 3. 打印前5个高斯分布信息
print("前5个初始化的3D高斯分布:")
for i in range(min(5, len(gaussians))):
print(f" {i+1}. {gaussians[i]}")
# 4. 可视化结果
initializer.visualize()
if __name__ == "__main__":
main()
总结与思考
通过本节的学习,我们了解了3DGS初始化的核心步骤:
- 将SfM点云中的点作为3D高斯分布的中心位置
- 初始化协方差矩阵以确定高斯分布的形状和方向
- 设置初始颜色和透明度以确定高斯分布的外观
🧠 深入思考:3DGS初始化的质量对后续优化和最终渲染效果有很大影响。如何设计更好的初始化策略来提高重建质量?
练习题
1. 概念理解
为什么需要将SfM点云转换为3D高斯分布,而不是直接使用点云进行渲染?
查看答案
点云是离散的几何表示,缺乏连续性和体积感。3D高斯分布提供了连续的、有体积的表示,使得渲染更加平滑和真实。此外,高斯分布还包含了颜色和透明度信息,可以直接用于渲染。
2. 参数分析
协方差矩阵的初始值对3DGS重建有什么影响?
查看答案
协方差矩阵的初始值决定了高斯分布的初始大小和形状。如果初始值过大,可能导致过度平滑;如果初始值过小,可能导致重建过于稀疏。合适的初始值有助于后续优化过程收敛到更好的结果。
3. 实践探索
修改代码中的初始化策略,尝试不同的协方差矩阵初始化方法,并观察对可视化结果的影响。