SPAR3D – Stability AI等机构推出的单试图重建 3D 网络模型

SPAR3D是什么

SPAR3D是Stability AI和伊利诺伊大学香槟分校推出的，先进的单图生成3D模型方法，能从单张图像中高效重建出高质量的3D对象。SPAR3D基于两阶段设计，第一阶段用点扩散模型生成稀疏的3D点云，第二阶段结合采样的点云和输入图像生成高度详细的网格。SPAR3D结合回归模型和生成模型的优势，能准确重建图像中的可见表面，又能合理生成被遮挡部分的几何和纹理细节。SPAR3D在多个数据集上表现出色，推理速度快，支持用户对生成网格的交互式编辑，为单视图3D重建任务提供一种实用且高效的解决方案。

SPAR3D的主要功能

• 单视图3D重建：从单张2D图像中重建出高质量的3D网格模型，适用于增强现实、电影制作、制造业等需要3D建模的场景。
• 快速推理：具有高效的推理速度，每个物体的重建时间仅需0.7秒，适合实时应用需求。
• 支持用户编辑：生成的3D网格支持交互式编辑，用户基于修改点云调整未见表面的细节，如添加物体部件或改善局部细节，满足个性化需求。
• 泛化能力强：不仅在标准数据集上表现优异，多图像和AI生成图像上实现准确的几何结构重建和良好的纹理效果，具有强大的泛化性能。

SPAR3D的技术原理

• 两阶段设计：
  • 点采样阶段：用轻量级的点扩散模型生成稀疏的3D点云。模型基于DDPM框架，用前向过程向原始点云添加噪声，再用后向过程中的去噪器学习去除噪声，生成包含XYZ和RGB信息的点云。点扩散模型的低分辨率特性使得采样速度快，且能初步捕捉物体的基本形状和颜色信息。
  • 网格化阶段：将采样的点云和输入图像作为条件，用大型三平面Transformer生成高分辨率的三平面特征。三平面特征用于估计物体的几何、纹理、光照以及材质属性（如金属度和粗糙度）。基于可微分渲染器进行训练，将预测的几何和材质渲染成图像，与真实图像进行比较，优化模型参数，生成与输入图像高度一致且细节丰富的3D网格。
• 点云作为中间表示：点云作为连接两个阶段的桥梁，为网格化阶段提供必要的几何和颜色信息，支持用户在点云层面上进行编辑，增强模型的灵活性和可交互性。
• 概率建模与逆渲染：在点采样阶段，基于概率建模处理单视图3D重建中的不确定性问题，生成合理的点云分布。在网格化阶段，进行逆渲染，将点云和图像信息融合，估计出物体的详细几何结构和材质属性，解决从单张图像中分离几何、光照和材质的难题。

SPAR3D的项目地址

SPAR3D的应用场景

• 家居设计：用户拍摄家中沙发照片，生成3D模型，在AR中预览不同风格沙发搭配效果，助力购买决策。
• 电影制作：拍摄古堡遗址照片，生成古堡3D模型，特效团队在此基础上创作出符合剧情的宏伟古堡场景。
• 工业设计：拍摄无人机原型照片，生成3D模型，设计师在模型上调整结构，优化无人机性能。
• 游戏开发：拍摄森林照片，生成森林3D模型，开发者添加游戏元素，构建出森林探险场景。
• 文物修复：拍摄破损佛像照片，生成3D模型，专家依此分析结构，制定修复方案，让佛像恢复原貌。