Svet 3D grafiky prešiel pozoruhodným vývojom, najmä čo sa týka techník používaných na rendering komplexných scén. Tento článok sa ponára do zložitostí troch prelomových technológií, ktoré formovali toto prostredie: NeRF (Neural Radiance Fields), ADOP (Approximate Differentiable One-Pixel Point Rendering), Gaussian Splatting a TRIPS (Trilinear Point Splatting for Real-Time Radiance Field Rendering). Každá z nich predstavuje krok vpred v našej snahe vytvárať čoraz realistickejšie virtuálne svety.
Neural Radiance Fields (NeRF)
NeRF sa objavil ako prelomový prístup, ktorý transformuje zbierku 2D obrázkov na navigovateľnú 3D scénu. Využíva neurónovú sieť na učenie 3D reprezentácie scény vo vysokom rozlíšení, čo umožňuje rendering obrázkov z rôznych uhlov pohľadu s úžasnými detailmi a fotorealizmom. Táto technológia si našla uplatnenie v rôznych oblastiach, od virtuálnej reality až po autonómnu navigáciu.
Instant NeRF: Ďalší krok
Významným pokrokom v technológii NeRF je Instant NeRF. Bol vyvinutý spoločnosťou NVIDIA a výrazne urýchľuje proces, trénuje sa na niekoľkých desiatkach fotografií v priebehu sekúnd a renderuje 3D scénu v milisekundách. Táto rýchla renderingová schopnosť otvára nové možnosti pre aplikácie v reálnom čase a mohla by revolučne zmeniť tvorbu 3D obsahu.
ADOP: Approximate Differentiable One-Pixel Point Rendering
ADOP, čo je skratka pre Approximate Differentiable One-Pixel Point Rendering, je bodovo orientovaná, diferencovateľná neurónová renderingová pipeline predstavená Dariusom Rückertom, Linusom Frankeom a Marcom Stammingerom. Tento systém je navrhnutý tak, aby ako vstup bral kalibrované snímky z kamery a proxy geometriu scény, typicky mračno bodov. Mračno bodov sa následne rasterizuje s naučenými vektormi charakteristík ako farbami a hlboká neurónová sieť sa používa na vyplnenie medzier a zatienenie každého výstupného pixla.
Rasterizér v ADOP renderuje body ako jednopixelové splaty, čo je nielen veľmi rýchle, ale tiež to umožňuje efektívny výpočet gradientov vzhľadom na všetky relevantné vstupné parametre. Vďaka tomu je obzvlášť vhodný pre aplikácie, ktoré vyžadujú renderingové frekvencie v reálnom čase, dokonca aj pre modely s viac ako 100 miliónmi bodov.
Navyše, ADOP obsahuje plne diferencovateľný fyzikálne založený fotometrický model kamery, ktorý zahŕňa expozíciu, vyváženie bielej a funkciu odozvy kamery. Dodržiavaním princípov inverzného renderingu ADOP spresňuje svoj vstup, aby minimalizoval nekonzistencie a optimalizoval kvalitu svojho výstupu. To zahŕňa optimalizáciu štrukturálnych parametrov, ako je poloha kamery, skreslenie objektívu, polohy bodov a charakteristiky, ako aj fotometrické parametre, ako je funkcia odozvy kamery, vinetácia a expozícia a vyváženie bielej pre jednotlivé snímky.
Vzhľadom na svoju schopnosť hladko spracovávať vstupné obrázky s rôznou expozíciou a vyvážením bielej a na svoju schopnosť generovať výstup s vysokým dynamickým rozsahom predstavuje ADOP významný pokrok v oblasti neurónového renderingu. Ak sa zaujímate o počítačovú grafiku, najmä o alternatívy ku Gaussian splattingu, ADOP prístup k bodovej rasterizácii a spresňovaniu scény by mohol byť celkom relevantný pre vašu prácu alebo výskum.
Gaussian Splatting
Presúvajúc sa k tradičným metódam, Gaussian Splatting predstavuje osvedčenú a testovanú techniku pre objemový rendering a grafiku založenú na bodoch. Premieta 3D dáta na 2D rovinu pomocou Gaussových rozdelení, čím vytvára plynulé prechody a renderuje objemové dáta, ako napríklad lekárske snímky, s pôsobivou jasnosťou.
Nedávny vývoj
Nedávne pokroky predstavili 3D Gaussian Splatting (3DGS), ktorý zrýchľuje rýchlosť renderingu a poskytuje explicitnú reprezentáciu scén. To uľahčuje dynamickú rekonštrukciu a úlohy úprav, čím posúva hranice toho, čo sa dá dosiahnuť pomocou tradičných metód splattingu.
TRIPS: Hranica renderingu v reálnom čase
TRIPS predstavuje špičku v oblasti, kombinuje silné stránky Gaussian Splattingu a ADOP (Adaptive Density Point Clouds). Rasterizuje body do obrazovej pyramídy v priestore obrazovky, čo umožňuje rendering veľkých bodov jediným trilineárnym zápisom. Ľahká neurónová sieť potom rekonštruuje detailný obraz bez dier.
Prečo TRIPS vyniká
- Výkon v reálnom čase: TRIPS udržuje frekvenciu 60 snímok za sekundu na štandardnom hardvéri, vďaka čomu je vhodný pre aplikácie v reálnom čase.
- Diferencovateľná renderingová pipeline: Diferencovateľnosť pipeline znamená, že veľkosti a pozície bodov je možné automaticky optimalizovať, čím sa zvyšuje kvalita renderovanej scény.
- Kvalita v náročných scenároch: TRIPS vyniká v renderingu komplexných geometrií a rozsiahlych krajín, pričom poskytuje lepšiu časovú stabilitu a detaily ako predchádzajúce metódy.
TRIPS Pipeline
TRIPS Zdroje
Záver
Cesta od NeRF po TRIPS zachytáva rýchly pokrok v oblasti 3D renderingu scén. Ako sa posúvame smerom k efektívnejším a vysokoverným metódam, potenciál pre vytváranie pohlcujúcich virtuálnych zážitkov sa stáva čoraz hmatateľnejším. Tieto technológie nielen posúvajú hranice v grafike, ale aj pripravujú cestu pre inovácie v rôznych odvetviach, od zábavy po urbanistické plánovanie.
Pre tých, ktorí chcú hlbšie preniknúť do týchto technológií, je k dispozícii množstvo zdrojov, vrátane komplexných recenzií a open-source platforiem, ktoré uľahčujú vývoj projektov NeRF. Budúcnosť 3D renderingu je svetlá a práve technológie ako NeRF, Gaussian Splatting a TRIPS osvetlia cestu vpred.