為了自動(dòng)駕駛，谷歌用NeRF在虛擬世界中重建了舊金山市

來(lái)源：機(jī)器之心 2022-02-14 18:07:22

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訓(xùn)練自動(dòng)駕駛系統(tǒng)需要高精地圖，海量的數(shù)據(jù)和虛擬環(huán)境，每家致力于此方向的科技公司都有自己的方法，Waymo 有自己的自動(dòng)駕駛出租車隊(duì)，英偉達(dá)創(chuàng)建了用于大規(guī)模訓(xùn)練的虛擬環(huán)境 NVIDIA DRIVE Sim 平臺(tái)。近日，來(lái)自 Google AI 和谷歌自家自動(dòng)駕駛公司 Waymo 的研究人員實(shí)踐了一個(gè)新思路，他們嘗試用 280 萬(wàn)張街景照片重建出整片舊金山市區(qū)的 3D 環(huán)境。

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通過(guò)大量街景圖片，谷歌的研究人員們構(gòu)建了一個(gè) Block-NeRF 網(wǎng)格，完成了迄今為止最大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景表征，渲染了舊金山的街景。

該研究提交到 arXiv 上之后，Jeff Dean 立即轉(zhuǎn)推介紹：

Block-NeRF 是一種神經(jīng)輻射場(chǎng)的變體，可以表征大規(guī)模環(huán)境。具體來(lái)說(shuō)，該研究表明，當(dāng)擴(kuò)展 NeRF 以渲染跨越多個(gè)街區(qū)的城市場(chǎng)景時(shí)，將場(chǎng)景分解為多個(gè)單獨(dú)訓(xùn)練的 NeRF 至關(guān)重要。這種分解將渲染時(shí)間與場(chǎng)景大小分離，使渲染能夠擴(kuò)展到任意大的環(huán)境，并允許對(duì)環(huán)境進(jìn)行逐塊更新。

該研究采用幾項(xiàng)架構(gòu)更改，使得 NeRF 對(duì)數(shù)月內(nèi)不同環(huán)境條件下捕獲的數(shù)據(jù)具有魯棒性，為每個(gè)單獨(dú)的 NeRF 添加了外觀嵌入、學(xué)習(xí)姿態(tài)細(xì)化和可控曝光，并提出了一種用于對(duì)齊相鄰 NeRF 之間外觀的程序，以便無(wú)縫組合。

《NeRF: Representing Scenes as Neural Radiance Fields for View Synthesis》是 UC Berkeley 研究人員在 ECCV 2020 上的一篇論文，獲得了最佳論文提名。其提出一種隱式 3D 場(chǎng)景表征，不同于顯示場(chǎng)景表征（如點(diǎn)云、網(wǎng)格 mesh），其原理是求解穿過(guò)場(chǎng)景的任何光線的顏色，從而渲染合成新視角的 2D 場(chǎng)景圖片。

NeRF 在給定一組姿態(tài)相機(jī)圖像的情況下，實(shí)現(xiàn)了照片般逼真的重建和新型視圖合成。NeRF 早期的工作往往側(cè)重于小規(guī)模和以對(duì)象為中心的重建。盡管現(xiàn)在有些方法可以重建單個(gè)房間或建筑物大小的場(chǎng)景，但這些方法仍然范圍有限，不能擴(kuò)展到城市規(guī)模的環(huán)境。由于模型容量有限，將這些方法應(yīng)用于大型環(huán)境通常會(huì)導(dǎo)致明顯的偽影和低視覺(jué)保真度。

重建大規(guī)模環(huán)境在自動(dòng)駕駛、航空測(cè)量等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。例如創(chuàng)建大范圍的高保真地圖，為機(jī)器人定位、導(dǎo)航等應(yīng)用提供先驗(yàn)知識(shí)。此外，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)通常通過(guò)重新模擬以前遇到的場(chǎng)景來(lái)進(jìn)行評(píng)估，然而任何與記錄存在的偏差都可能改變車輛的軌跡，因此需要沿著路徑進(jìn)行高保真的視圖渲染。除了基本的視圖合成，以場(chǎng)景為條件的 NeRF 還能夠改變環(huán)境照明條件，例如相機(jī)曝光、天氣或一天中不同的時(shí)間，這可用于進(jìn)一步增強(qiáng)模擬場(chǎng)景。

論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2202.05263

項(xiàng)目鏈接：https://waymo.com/intl/zh-cn/research/block-nerf/

如上圖所示，谷歌此次提出的 Block-NeRF 是一種通過(guò)使用多個(gè)緊湊的 NeRF 表征環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模場(chǎng)景重建的方法。在推理時(shí)，Block-NeRF 無(wú)縫結(jié)合給定區(qū)域的相關(guān) NeRF 的渲染。上圖的示例使用 3 個(gè)月內(nèi)收集的數(shù)據(jù)重建了舊金山的阿拉莫廣場(chǎng)社區(qū)。Block-NeRF 可以更新環(huán)境的各個(gè)塊，而無(wú)需對(duì)整個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行重新訓(xùn)練。

重建如此大規(guī)模的環(huán)境會(huì)帶來(lái)額外的挑戰(zhàn)，包括瞬態(tài)物體（汽車和行人）的存在、模型容量的限制以及內(nèi)存和計(jì)算限制。此外，在一致的條件下，極不可能在一次捕獲中收集如此大環(huán)境的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。相反，環(huán)境不同部分的數(shù)據(jù)可能需要來(lái)自不同的數(shù)據(jù)收集工作，這會(huì)在場(chǎng)景幾何（例如，建筑工作和停放的汽車）以及外觀（例如，天氣條件和一天中不同的時(shí)間）中引入差異。

方法

該研究通過(guò)外觀嵌入和學(xué)習(xí)姿態(tài)細(xì)化來(lái)擴(kuò)展 NeRF，以應(yīng)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)中的環(huán)境變化和姿態(tài)錯(cuò)誤，同時(shí)還為 NeRF 添加了曝光條件，以提供在推理過(guò)程中修改曝光的能力。添加這些變化之后的模型被研究者稱為 Block-NeRF。擴(kuò)大 Block-NeRF 的網(wǎng)絡(luò)容量將能夠表征越來(lái)越大的場(chǎng)景。然而，這種方法本身有許多限制：渲染時(shí)間隨著網(wǎng)絡(luò)的大小而變化，網(wǎng)絡(luò)不再適合單個(gè)計(jì)算設(shè)備，更新或擴(kuò)展環(huán)境需要重新訓(xùn)練整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究者提出將大型環(huán)境劃分為多個(gè)單獨(dú)訓(xùn)練的 Block-NeRF，然后在推理時(shí)動(dòng)態(tài)渲染和組合。單獨(dú)建模這些 Block-NeRF 可以實(shí)現(xiàn)最大的靈活性，擴(kuò)展到任意大的環(huán)境，并提供以分段方式更新或引入新區(qū)域的能力，而無(wú)需重新訓(xùn)練整個(gè)環(huán)境。要計(jì)算目標(biāo)視圖，只需渲染 Block-NeRF 的子集，然后根據(jù)它們相對(duì)于相機(jī)的地理位置進(jìn)行合成。為了實(shí)現(xiàn)更無(wú)縫的合成，谷歌提出了一種外觀匹配技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化它們的外觀嵌入，將不同的 Block-NeRF 進(jìn)行視覺(jué)對(duì)齊。

圖 2：重建場(chǎng)景被分成了多個(gè) Block-NeRF，每個(gè) Block-NeRF 都在特定 Block-NeRF 原點(diǎn)坐標(biāo)（橙色點(diǎn)）的某個(gè)原型區(qū)域（橙色虛線）內(nèi)的數(shù)據(jù)上進(jìn)行訓(xùn)練。

該研究在 mipNeRF 的基礎(chǔ)上構(gòu)建了 Block-NeRF 實(shí)現(xiàn)，改善了因輸入圖像從許多不同距離觀察場(chǎng)景造成的損害 NeRF 性能的混疊問(wèn)題。研究人員結(jié)合了來(lái)自 NeRF in the Wild (NeRF-W) 的技術(shù)，該技術(shù)在將 NeRF 應(yīng)用于 Photo Tourism 數(shù)據(jù)集中的地標(biāo)時(shí)，為每個(gè)訓(xùn)練圖像添加一個(gè)潛在代碼以處理不一致的場(chǎng)景外觀。NeRF-W 從數(shù)千張圖像中為每個(gè)地標(biāo)創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的 NeRF，而谷歌的新方法結(jié)合了許多 NeRF，從數(shù)百萬(wàn)張圖像中重建一個(gè)連貫的大環(huán)境，并結(jié)合了學(xué)習(xí)相機(jī)姿態(tài)細(xì)化。

圖 3. 新模型是 mip-NeRF 中提出的模型的擴(kuò)展。

一些基于 NeRF 的方法使用分割數(shù)據(jù)來(lái)隔離和重建視頻序列中的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)對(duì)象（如人或汽車）。由于該研究主要關(guān)注重建環(huán)境本身，所以在訓(xùn)練期間簡(jiǎn)單地選擇屏蔽掉動(dòng)態(tài)對(duì)象。

為了動(dòng)態(tài)選擇相關(guān)的 Block-NeRF 進(jìn)行渲染，并在遍歷場(chǎng)景時(shí)以平滑的方式進(jìn)行合成，谷歌優(yōu)化了外觀代碼以匹配光照條件，并使用基于每個(gè) Block-NeRF 到新視圖的距離計(jì)算的插值權(quán)重。

重建效果

鑒于數(shù)據(jù)的不同部分可能在不同的環(huán)境條件下被捕獲，算法遵循 NeRF-W 并使用生成式潛在優(yōu)化（Generative Latent Optimization，GLO）來(lái)優(yōu)化 perimage 外觀嵌入向量。這使得 NeRF 可以解釋幾個(gè)外觀變化的條件，例如變化的天氣和照明。同時(shí)還可以操縱這些外觀嵌入，以在訓(xùn)練數(shù)據(jù)中觀察到的不同條件之間進(jìn)行插值（例如多云與晴朗的天空，或白天和黑夜）。

圖 4. 外觀代碼允許模型展示出不同的照明和天氣條件。

整個(gè)環(huán)境可以由任意數(shù)量的 Block-NeRF 組成。為了提高效率，研究人員利用兩種過(guò)濾機(jī)制僅渲染給定目標(biāo)視點(diǎn)的相關(guān)區(qū)塊，這里只考慮目標(biāo)視點(diǎn)設(shè)定半徑內(nèi)的 Block-NeRF。此外，系統(tǒng)對(duì)于每個(gè)候選者都會(huì)計(jì)算相關(guān)的可見(jiàn)性。如果平均可見(jiàn)度低于閾值，則丟棄 Block-NeRF。圖 2 提供了一個(gè)可見(jiàn)性過(guò)濾的示例?？梢?jiàn)性可以快速計(jì)算，因?yàn)樗木W(wǎng)絡(luò)獨(dú)立于顏色網(wǎng)絡(luò)，并且不需要以目標(biāo)圖像分辨率進(jìn)行渲染。過(guò)濾后，通常有 1 到 3 個(gè) Block-NeRF 需要合并。

圖 5. 谷歌的模型包含曝光條件，這有助于解釋訓(xùn)練數(shù)據(jù)中存在的曝光量變化，允許用戶在推理過(guò)程中以人類可解釋的方式更改輸出圖像的外觀。

為了重建整個(gè)城市場(chǎng)景，研究人員在錄制街景時(shí)捕獲長(zhǎng)期序列數(shù)據(jù)（超過(guò) 100 秒），并在幾個(gè)月內(nèi)在特定目標(biāo)區(qū)域重復(fù)捕獲不同序列。谷歌使用從 12 個(gè)攝像頭捕獲的圖像數(shù)據(jù)，這些攝像頭共同提供 360° 視圖。其中 8 個(gè)攝像頭從車頂提供完整的環(huán)視圖，另外 4 個(gè)攝像頭位于車輛前部，指向前方和側(cè)面。每個(gè)相機(jī)以 10 Hz 的頻率捕獲圖像并存儲(chǔ)一個(gè)標(biāo)量曝光值。車輛姿態(tài)是已知的，并且所有攝像機(jī)都經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)。

借助這些信息，該研究在一個(gè)共同的坐標(biāo)系中計(jì)算相應(yīng)的相機(jī)光線原點(diǎn)和方向，同時(shí)將相機(jī)的滾動(dòng)快門考慮在內(nèi)。

圖 6. 當(dāng)渲染基于多個(gè) Block-NeRF 的場(chǎng)景時(shí)，該算法使用外觀匹配來(lái)獲得整個(gè)場(chǎng)景的一致樣貌。給定一個(gè) Block-NeRF（圖左）的固定目標(biāo)外觀，算法會(huì)優(yōu)化相鄰 Block-NeRF 的外觀以匹配。在此示例中，外觀匹配了在 Block-NeRF 中產(chǎn)生一致的夜間外觀。

圖 7. 多段數(shù)據(jù)的模型消融結(jié)果。外觀嵌入有助于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)避免添加云霧幾何體來(lái)解釋天氣和光照等環(huán)境變化。移除曝光會(huì)略微降低了準(zhǔn)確度。姿態(tài)優(yōu)化有助于銳化結(jié)果并消除重復(fù)對(duì)象的重影，如在第一行的電線桿上觀察到的那樣。

未來(lái)展望

谷歌研究人員表示，新方法仍然有一些問(wèn)題有待解決，比如部分車輛和陰影沒(méi)有被正確移除，植被因?yàn)橥庥^隨季節(jié)變化而在虛擬環(huán)境中變得模糊。同時(shí)，訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的時(shí)間不一致（例如施工工作）無(wú)法被 AI 自動(dòng)處理，需要手動(dòng)重新訓(xùn)練受影響的區(qū)域。

此外，目前無(wú)法渲染包含動(dòng)態(tài)對(duì)象的場(chǎng)景限制了 Block-NeRF 對(duì)機(jī)器人閉環(huán)模擬任務(wù)的適用性。將來(lái)，這些問(wèn)題或許可以通過(guò)在優(yōu)化過(guò)程中學(xué)習(xí)瞬態(tài)對(duì)象來(lái)解決，或者直接對(duì)動(dòng)態(tài)對(duì)象進(jìn)行建模。

關(guān)鍵詞：為了自動(dòng)駕駛，谷歌用NeRF在虛擬世界中重建