054 Differentiable refraction-tracing for mesh reconstruction of transparent objects

Zhangwenniu 于 2023-11-24 发布

文章信息

标题

Differentiable refraction-tracing for mesh reconstruction of transparent objects

用于透明物体网格重建的可谓折射追踪算法

作者

JIAHUI LYU∗, Shenzhen University,深圳大学。

BOJIAN WU∗, Alibaba Group,吴博剑,在2020年论文发表的时候,已经作为阿里巴巴的团队参加论文的编写了。吴博剑的主页是:https://bojianwu.github.io/

DANI LISCHINSKI, The Hebrew University of Jerusalem

学校全称:耶路撒冷希伯来大学;国家:以色列。希伯来大学(The Hebrew University of Jerusalem),简称希大,是犹太民族的第一所大学,同时也是犹太民族在其祖先发源地获得文化复兴的象征,全球大学高研院联盟成员。希大始创于1918年,落成于1925年。其校园除斯科普司山校区外,还有吉瓦特拉姆校区、雷霍伏特校区和英科雷姆校区。希大现已发展成为一所充满活力、集教学和研究于一体的世界一流大学。

作者Dani Lischinski的个人主页是https://www.cs.huji.ac.il/~danix/, 他的研究方向是图形学、图像和视频处理、计算机视觉,涉及面比较广。

DANIEL COHEN-OR, Shenzhen University,深圳大学。该作者的主页是https://danielcohenor.com/,主要研究方向是计算机图形学、视觉计算、几何建模。近期,主要在做生成模型方向的工作。

HUI HUANG†, Shenzhen University,深圳大学,通讯作者。 †Corresponding author: Hui Huang (hhzhiyan@gmail.com)

黄惠,加拿大不列颠哥伦比亚大学(UBC)数学博士,深圳大学首批腾讯冠名特聘教授,教育部长江学者特聘教授,计算机科学与技术一级博士点学科带头人,国家科技创新领军,科技部中青年创新领军,国自然优秀青年基金获得者,英国皇家牛顿高级学者,广东省杰出人才,南粤巾帼十杰,广东省三八红旗手标兵,广东省自然科学基金研究团队、广东省高等学校创新团队、深圳市高层次人才孔雀团队带头人。现任深圳大学计算机与软件学院院长,可视计算研究中心主任,广东省3D内容制作工程技术中心主任。研究领域为计算机图形学,在三维获取与点云表示、几何建模与场景理解等前沿方向保持国际领先水平。主持(完成)国家自然科学基金8项(重点类 5 项)和科技部 973 前期研究专项(结题优秀)。现为国际顶级期刊ACM TOG和IEEE TVCG编委,SIGGRAPH技术论文咨询委员会和EUROGRAPHICS执行委员会唯一华人代表。2020年获中国计算机学会自然科学一等奖,2022年获中国图象图形学学会高等教育成果二等奖,2022、2023连续入选AMiner计算机图形学领域“全球最具影响力学者提名”和“全球顶尖女性学者”。主页https://vcc.tech/~huihuang

发表信息

论文发表时间:2020年,被SIGGRAPH Asia录用。文章的缩写为DRT。该文章后续被TOG录用(ACM Transactions on Graphics), TOG主页https://dl.acm.org/journal/tog.

引用信息

@article{DRT,
title = {Differentiable Refraction-Tracing for Mesh Reconstruction of Transparent Objects},
author = {Jiahui Lyu and Bojian Wu and Dani Lischinski and Daniel Cohen-Or and Hui Huang},
journal = {ACM Transactions on Graphics (Proceedings of SIGGRAPH ASIA 2020)},
volume = {39},
number = {6},
pages = {195:1--195:13},
year = {2020},
}

论文链接

该文章展示在深圳大学可视计算研究中心(Visual Computing Research Center, VCC)的主页上,HomePage为https://vcc.tech/research/2020/DRT.

论文下载的链接是: https://csse.szu.edu.cn/attachment/cglr/1646560808_DRT.pdf

论文的在dl.acm.org上的链接是: https://dl.acm.org/doi/abs/10.1145/3414685.3417815.

GitHub上的主页链接是: https://github.com/lvjiahui/DRT .

论文在arxiv上的链接是: https://arxiv.org/abs/2009.09144

文章在深圳大学计算机与软件学院上的主页是: https://csse.szu.edu.cn/pages/research/details?id=118

后人对此文章的评价

文章内容

摘要

Capturing the 3D geometry of transparent objects is a challenging task, ill-suited for general-purpose scanning and reconstruction techniques, since these cannot handle specular light transport phenomena. Existing state-ofthe-art methods, designed specifically for this task, either involve a complex setup to reconstruct complete refractive ray paths, or leverage a data-driven approach based on synthetic training data. In either case, the reconstructed 3D models suffer from over-smoothing and loss of fine detail. This paper introduces a novel, high precision, 3D acquisition and reconstruction method for solid transparent objects. Using a static background with a coded pattern, we establish a mapping between the camera view rays and locations on the background. Differentiable tracing of refractive ray paths is then used to directly optimize a 3D mesh approximation of the object, while simultaneously ensuring silhouette consistency and smoothness. Extensive experiments and comparisons demonstrate the superior accuracy of our method.

获取透明物体的三维几何信息是一个挑战性的任务,不适合使用通用任务的扫描与重建方法,因为这些通用方法无法处理镜面光传播效应。已有的为透明物体重建的技术,要么包含复杂的设定用于重建完整的折射光路,要么基于数据驱动的方法在合成数据集上重建。在这两种情况下,重建的三维模型都存在过渡平滑或者缺失细节的情况。本文提出了一个新的、高精度的三维获取和重建方法,用于对实心透明物体重建。通过使用一个模式编码的背景,我们构建一个在背景板上的位置与相机视角的映射。接下来采用可微分的折射光路追踪,优化物体的三维近似网格,同时保证剪影的一致性和平滑性。大量的实验和比较都证明了我们方法的高准确性。

CCS Concepts: • Computing methodologies → Computer graphics; Shape modeling; Mesh geometry models.

Computing Classification System Concepts: 计算方法 -> 计算机图形学;形状建模;网格几何模型。

Additional Key Words and Phrases: 3D reconstruction, transparent objects, differentiable rendering

其他的关键词及短语:三维重建,透明物体,可微分渲染

介绍

6-231124. Differentiable Refraction-Tracing for Mesh Reconstruction of Transparent Objects. 发表于2020年的SIGGRAPH,后续被ACM TOG录用。

文章解决实心透明物体的重建问题。实心透明物体放置在旋转台上,使用预知模式的黑白条带屏幕作为背景,用固定位置的相机拍摄图片。

通过环境抠图(Environment matting)方法获得掩膜以及透明物体对背景的畸变效果,利用视舱(Visual Hull)方法得到初始化的网格(mesh)。文章通过渐进式的方法,逐步增加网格的密度。

损失函数分为三部分,基于透明物体对光线折射所计算的射线位置与背景板位置的一致性约束,基于预测三维网格在对应视角上投影的剪影与真实剪影的一致性约束,对物体表面相邻顶点间法向量的一致性约束。全部过程是可微的,仅在假设的两次折射光线上对网格顶点优化,假设的玻璃折射率为1.5。

​8-231126. Differentiable Refraction-Tracing for Mesh Reconstruction of Transparent Objects. 文章使用视舱方法从拍摄图像中提取初始三角网格模型。

消融实验表明,前景剪影的约束对最终收敛效果影响最大:面片的投影边界与真实边界做比较,计算梯度时,使边界的负梯度方向指向该边所在中点的物体内外部的相反方向,即内部点梯度指向外部,外部点梯度指向内部,构造时中点梯度的方向指向边界外部,使用内外部符号函数控制反传梯度的方向。

在获取数据方面,实心透明物体的真实值是通过喷漆及扫描相机得到的。文章的四个问题,第一是拍摄时候相机拍摄方向水平,导致透明物体水平方向折痕缺少重建视角;二是假设两次折射,限制空腔或中空透明物的重建;三是物体的均匀性假设,要求预知折射率;四是拍摄环境在暗室内,不考虑反光对物体的影响。

Key Points

1 Introduction

2 Related Work

2.1 Environment Matting

2.2 Transparent surface reconstruction

2.3 Light path triangulation

5.1 Acquisition