项目主页：https://repo-sam.inria.fr/fungraph/3d-gaussian-splatting/

ACM 计算机图形学领域最顶级的期刊

代码：https://github.com/graphdeco-inria/gaussian-splatting

辐射场方法最近彻底改变了用多张照片或视频捕获的场景的新颖视图合成。 然而实现高视觉质量仍然需要训练和渲染成本高昂的神经网络，而最近更快的方法不可避免地会牺牲速度来换取质量。 对于无界且完整的场景（而不是孤立的物体）和 1080p 分辨率渲染，当前任何方法都无法实现实时显示速率。我们引入了三个关键要素，使我们能够在保持竞争性训练的同时实现最先进的视觉质量，重要的是允许以 1080p 分辨率进行高质量实时 (≥30fps) 新颖视图合成。 首先，从相机校准期间产生的稀疏点开始，我们用 3D 高斯表示场景，保留连续体积辐射场的所需属性以进行场景优化，同时避免在空白空间中进行不必要的计算； 其次，我们对 3D 高斯进行交错优化/密度控制，特别是优化各向异性协方差以实现场景的准确表示； 第三，我们开发了一种快速可见性感知渲染算法，该算法支持anisotropic（各向异性） splatting，既加速训练又允许实时渲染。 我们在几个已建立的数据集上展示了最先进的视觉质量和实时渲染

我们方法的输入是一组静态场景的图像，以及由 SfM 校准的相应摄像机，这会产生稀疏点云作为side effect。 从这些点出发，我们创建了一组 3D 高斯，由位置（均值）、协方差矩阵和不透明度定义，这允许非常灵活的优化机制。 这会产生 3D 场景的相当紧凑的表示，部分原因是高度各向异性的体积片可用于紧凑地表示精细结构。 辐射场的方向外观分量（颜色）通过球谐函数 (SH) 表示，遵循标准实践。 我们的算法继续通过 3D 高斯参数的一系列优化步骤来创建辐射场表示，即位置、协方差和 SH 系数与高斯密度自适应控制的操作交织在一起。 我们方法效率的关键是基于图块的光栅化器，它允许各向异性图块的混合，通过快速排序尊重可见性顺序。 快速光栅化器还包括通过跟踪累积值的快速向后传递，而对可以接收梯度的高斯数量没有限制。 我们的方法的概述如上图所示。

1、DreamFusion（谷歌）

项目主页：https://dreamfusion3d.github.io/

paper: https://arxiv.org/abs/2209.14988

code: https://github.com/ashawkey/stable-dreamfusion

该文章解决的是3D重建领域的少视角重建(Sparse-view Reconstruction)问题，结合了扩散模型和NeRF。

摘要

最近扩散模型在上亿级别的文本-图像对数据上训练在文本图像生成上取得巨大的进展，将这种方法应用于3D合成，需要大规模的有标签的3D数据集和高效的架构来去噪3D数据，而这两者目前都不存在。在这项工作中，通过使用预先训练好的二维的文本到图像的扩散模型来绕开这些限制进行文本到3D的合成。本文引入一种基于概率密度蒸馏的损失函数，可以使用2D的扩散模型作为先验用于优化参数化图像生成器。使用这个损失函数就像一个DeepDream-like的过程，(这里的DeepDream是谷歌提出，使用梯度上升的方法可视化网络每一层的特征，即用一张噪声图像输入网络，反向更新的时候不更新网络权重，而是更新初始图像的像素值，以这种训练图像的方式可视化网络)。本文梯度下降优化一个随机初始化的3D模型使得任意随机视角随机渲染的图像都达到较低的损失。生成的模型可以任意修改，不需要三维数据，也不需要修改扩散模型。

本文的方法和DreamFields的方法类似，但是用一个2D扩散模型蒸馏推导而来的损失函数取代CLIP。这个损失函数是通过概率密度蒸馏而来的，就是用KL- divergence最小化前向过程和反向的概率密度，这里的反向过程是是与训练好的2D扩散模型，因为反向过程也是一个估计score的过程，所以我理解这就是他叫 score distillation sampling的原因吧。

该工作基于的3D表示方法也是NeRF中的一种。事实上，基于NeRF的重建方法通常需要针对特定场景的大量的视图，并且对于训练集中出现频率较少的视角，其关于该视角的重建结果也会很差。而对于少视角3D重建，虽然最近已经有很多工作结合了深度网络和渲染公式来完成这样的任务，但是它们要么缺乏3D一致性，要么感知质量比较差。

在3D生成领域，DreamFusion使用文本扩散模型优化3D表示，并且取得了非常好的效果。

如上图，这是DreamFusion的架构图，右边一部分就是Diffusion Model，这里用的是一个预训练的模型，左边一部分就是NeRF，是一个目标场景的3D表示，虽然画的花里胡哨的，但是其实思路非常直白简单：训练的时候锁住Diffusion的梯度，增加视角guidance，用生成结果来优化和训练NeRF；泛化阶段只需要使用优化后的NeRF就可以了。在这里，Diffsuion的作用是根据文本生成相应视角和内容的图片，NeRF的作用是约束3D一致性。

2、Magic3D（NVIDIA）

高分辨率文本到3D内容创建：

项目主页：https://deepimagination.cc/Magic3D/

论文：https://arxiv.org/abs/2211.10440

人们只需要输入一段文字比如「一只坐在睡莲上的蓝色箭毒蛙」，AI 就能给你生成个纹理造型俱全的 3D 模型出来。Magic3D 还可以执行基于提示的 3D 网格编辑：给定低分辨率 3D 模型和基本提示，可以更改文本从而修改生成的模型内容。此外，作者还展示了保持画风，以及将 2D 图像样式应用于 3D 模型的能力。

类似于 DreamFusion 用文本生成 2D 图像，再将其优化为体积 NeRF（神经辐射场）数据的流程，Magic3D 使用两阶段生成法，用低分辨率生成的粗略模型再优化到更高的分辨率。

英伟达的方法首先使用低分辨率扩散先验获得粗糙模型，并使用稀疏 3D 哈希网格结构进行加速。用粗略表示作为初始，再进一步优化了带纹理的 3D 网格模型，该模型具有与高分辨率潜在扩散模型交互的高效可微分渲染器。

Magic3D 可以在 40 分钟内创建高质量的 3D 网格模型，比 DreamFusion 快 2 倍（后者平均需要 1.5 小时），同时还实现了更高的分辨率。

Magic3D 可以在较短的计算时间内根据文本 prompt 合成高度详细的 3D 模型。Magic3D 通过改进 DreamFusion 中的几个主要设计选择来使用文本 prompt 合成高质量的 3D 内容。

具体来说，Magic3D 是一种从粗到精的优化方法，其中使用不同分辨率下的多个扩散先验来优化 3D 表征，从而生成视图一致的几何形状以及高分辨率细节。Magic3D 使用监督方法合成 8 倍高分辨率的 3D 内容，速度也比 DreamFusion 快 2 倍。

Magic3D 的整个工作流程分为两个阶段：

• 在第一阶段，该研究优化了类似于 DreamFusion 的粗略神经场表征，以实现具有基于哈希网格（hash grid）的内存和计算的高效场景表征。
• 在第二阶段该方法切换到优化网格表征。这个步骤很关键，它允许该方法在高达 512 × 512 的分辨率下利用扩散先验。由于 3D 网格适用于快速图形渲染，可以实时渲染高分辨率图像，因此该研究利用基于光栅化的高效微分渲染器和相机特写来恢复几何纹理中的高频细节。

3、Point-E（OpenAI）

Point·E，可以依据文本提示直接生成 3D 点云：

项目主页：https://openai.com/research/point-e

Github: https://github.com/openai/point-e

通常意义上，文本到 3D 合成的方法分为两类：

方法 1：直接在成对的 (text, 3D) 数据或无标签的 3D 数据上训练生成模型。

此类方法虽然可以利用现有的生成模型方法，有效地生成样本，但由于缺乏大规模 3D 数据集，因此很难扩展到复杂的文本提示。

方法 2：利用预先训练好的 text-to-image 模型，优化可区分的 3D 表征。

此类方法通常能够处理复杂多样的文本提示，但每个样本的优化过程都代价高昂。此外，由于缺乏强大的 3D prior，此类方法可能会陷入 local minima（无法与有意义或连贯的 3D 目标一一对应）。

Point·E 结合了 text-to-image 模型以及 image-to-3D 模型，综合以上两种方法的优势，进一步提升了 3D 建模的效率，只需要一个 GPU、一两分钟即可完成文本到 3D 点云的转换。

Point·E 中，text-to-image 模型利用了大型语料库 （text, image pair)，使其对复杂的文本提示也能处理得当；image-to-3D 模型则是在一个较小的数据集 (image, 3D pair) 上训练的。

用 Point·E 依据文本提示生成 3D 点云的过程分为三个步骤：

1、依据文本提示，生成一个合成视图 (synthetic view)

GLIDE – 基于扩散模型的文本图像生成大模型

2、依据合成视图，生成 coarse point cloud (1024 point)

3、基于低分辨率点云和合成视图，生成 fine point cloud (4096 Point)

由于数据格式和数据质量对训练结果影响巨大，Point·E 借助 Blender，将所有训练数据都转换为了通用格式。

Blender 支持多种 3D 格式，并配有优化的渲染 engine。Blender 脚本将模型统一为一个 bounding cube，配置一个标准的 lighting 设置，最后使用 Blender 内置的实时渲染 engine 导出 RGBAD 图像。

4、Zero-1-to-3: Zero-shot One Image to 3D Object

项目链接：

https://zero123.cs.columbia.edu/

源码：

https://github.com/cvlab-columb

Method

We learn a view-conditioned diffusion model that can subsequently control the viewpoint of an image containing a novel object (left). Such diffusion model can also be used to train a NeRF for 3D reconstruction (right). Please refer to our paper for more details or checkout our code for implementation.

Text to Image to Novel Views

Here are results of applying Zero-1-to-3 to images generated by Dall-E-2.

5、SceneDreamer：从2D图像中学习生成无限3D场景

来自南洋理工大学 S-Lab 的研究者提出了一个新的框架 SceneDreamer，专注于从海量无标注自然图片中学习无界三维场景的生成模型。

• 项目主页：https://scene-dreamer.github.io/
• 代码：https://github.com/FrozenBurning/SceneDreamer
• 论文：https://arxiv.org/abs/2302.01330
• 在线 Demo：https://huggingface.co/spaces/FrozenBurning/SceneDreamer

为满足元宇宙中对 3D 创意工具不断增长的需求，三维场景生成最近受到了相当多的关注。3D 内容创作的核心是逆向图形学，旨在从 2D 观测中恢复 3D 表征。考虑到创建 3D 资产所需的成本和劳动力，3D 内容创作的最终目标将是从海量的互联网二维图像中学习三维生成模型。最近关于三维感知生成模型的工作在一定程度上解决了这个问题，多数工作利用 2D 图像数据生成以物体为中心的内容（例如人脸、人体或物体）。然而，这类生成任务的观测空间处于有限域中，生成的目标占据了三维空间的有限区域。这就产生了一个问题，我们是否能从海量互联网 2D 图像中学习到无界场景的 3D 生成模型？比如能够覆盖任意大区域，且无限拓展的生动自然景观

想要达成这样的目标，我们面临着如下三个挑战：

1）无界场景缺乏高效三维表征：无边界场景常常占据了一个任意大的欧氏空间，这凸显了高效且具备表现力的底层三维表征的重要性。

2）缺乏内容对齐：已有三维生成工作使用具备对齐性质的数据集（如人脸、人体、常用物体等），这些有界场景中的目标物体通常具备类似的语义、相近的尺度位置和方向。然而，在海量的无标注二维图像中，不同物体或场景常常具备迥异的语义，且拥有多变的尺度、位置和方向。这样缺乏对齐的性质会带来生成模型训练的不稳定性。

3）缺乏相机位姿先验：三维生成模型依赖于准确相机位姿或相机位姿分布的先验来实现图像到三维表征的逆向渲染过程。但互联网自然图像来源于不同的场景和像源，让我们无法获取其相机位姿准确信息或先验。

为此我们提出了一个原则性的对抗学习框架 SceneDreamer，从海量的无标注自然图像中学习生成无界三维场景。该框架包含三个主要模块：1）高效且高表现力的鸟瞰（BEV）三维场景表征；2）学习场景通用表征的生成式神经哈希网格；3）由风格驱动的体积渲染器，并经过对抗学习的方式直接从二维图像中进行训练。

6、 Shap・E，合成 3D 条件生成式模型

• 论文地址：https://arxiv.org/abs/2305.02463
• 项目地址：https://github.com/openai/shap-e

我们先来看一下生成效果。与根据文字生成图像类似，Shap・E 生成的 3D 物体模型主打一个「天马行空」。

本文提出的 Shap・E 是一种在 3D 隐式函数空间上的潜扩散模型，可以渲染成 NeRF 和纹理网格。在给定相同的数据集、模型架构和训练计算的情况下，Shap・E 更优于同类显式生成模型。研究者发现纯文本条件模型可以生成多样化、有趣的物体，更彰显了生成隐式表征的潜力。

不同于 3D 生成模型上产生单一输出表示的工作，Shap-E 能够直接生成隐式函数的参数。训练 Shap-E 分为两个阶段：首先训练编码器，该编码器将 3D 资产确定性地映射到隐式函数的参数中；其次在编码器的输出上训练条件扩散模型。当在配对 3D 和文本数据的大型数据集上进行训练时， 该模型能够在几秒钟内生成复杂而多样的 3D 资产。与点云显式生成模型 Point・E 相比，Shap-E 建模了高维、多表示的输出空间，收敛更快，并且达到了相当或更好的样本质量。

研究者首先训练编码器产生隐式表示，然后在编码器产生的潜在表示上训练扩散模型，主要分为以下两步完成:
1. 训练一个编码器，在给定已知 3D 资产的密集显式表示的情况下，产生隐式函数的参数。编码器产生 3D 资产的潜在表示后线性投影，以获得多层感知器（MLP）的权重；

2. 将编码器应用于数据集，然后在潜在数据集上训练扩散先验。该模型以图像或文本描述为条件。
研究者在一个大型的 3D 资产数据集上使用相应的渲染、点云和文本标题训练所有模型。

3D 编码器:

潜在扩散
生成模型采用基于 transformer 的 Point・E 扩散架构，但是使用潜在向量序列取代点云。潜在函数形状序列为 1024×1024，并作为 1024 个 token 序列输入 transformer，其中每个 token 对应于 MLP 权重矩阵的不同行。因此，该模型在计算上大致相当于基础 Point・E 模型（即具有相同的上下文长度和宽度）。在此基础上增加了输入和输出通道，能在更高维度的空间中生成样本。

7、Make-it-3D：diffusion+NeRF从单张图像生成高保真的三维物体

Title: Make-It-3D: High-Fidelity 3D Creation from A Single Image with Diffusion Prior
Paper: https://arxiv.org/pdf/2303.14184.pdf
Code: https://make-it-3d.github.io/

人类具有一种与生俱来的能力，可以轻松地想象3D几何和虚构出从不同角度看物体的外观，这基于他们对世界的先验知识。

在本文中，研究者的目标是实现类似的目标：从一个真实或人工生成的单张图像中创建高保真度的3D内容。这将为艺术表达和创意开辟新的途径，例如为像Stable Diffusion这样的前沿2D生成模型创建的幻想图像带来3D效果。通过提供一种更易于访问和自动化的创建视觉上惊人的3D内容的方法，研究者希望吸引更广泛的受众加入到轻松的3D建模世界中来。

本文探讨了仅使用单张图像创建高保真度3D内容的问题。这本质上是一项具有挑战性的任务，需要估计潜在的3D几何结构，并同时产生未见过的纹理。为了解决这个问题，论文利用训练好的2D扩散模型的先验知识作为3D生成的监督。论文的方法名为：Make-It-3D，采用两阶段优化pipeline：第一阶段通过在前景视图中结合参考图像的约束和新视图中的扩散先验来优化神经辐射场；第二阶段将粗略模型转化为纹理点云，并利用参考图像的高质量纹理，结合扩散先验进一步提高逼真度。大量实验证明，论文的方法在结果上显著优于先前的方法，实现了预期的重建效果和令人印象深刻的视觉质量。论文的方法是第一个尝试从单张图像为一般对象创建高质量3D内容的方法，可用于text-to-3D的创建和纹理编辑等各种应用。

论文的主要贡献总结如下：

1. 论文提出了Make-It-3D框架，使用2D扩散模型作为3D-aware先验，从单个图像中创建高保真度的3D物体。该框架不需要多视图图像进行训练，并可应用于任何输入图像，无论是真实的还是生成的。
2. 通过两个阶段的创建方案，Make-It-3D是首个实现普适对象高保真3D创建的工作。生成的3D模型展现出精细的几何结构和逼真的纹理，与参考图像相符。
3. 除了图像到3D创建之外，论文的方法还能实现高质量text-to-3D创建和纹理编辑等多种应用。

论文利用了文本-图像生成模型和文本-图像对比模型的先验知识，通过两阶段(Coarse Stage和Refine Stage)的学习来还原高保真度的纹理和几何信息，所提出的两阶段三维学习框架如图2所示。

8、ProlificDreamer：直接文本生成高质量3D内容

论文：《ProlificDreamer: High-Fidelity and Diverse Text-to-3D Generation with Variational Score Distillation》

• 论文链接：https://arxiv.org/abs/2305.16213
• 项目主页：https://ml.cs.tsinghua.edu.cn/prolificdreamer/

清华大学 TSAIL 团队最新提出的文生 3D 新算法 ProlificDreamer，在无需任何 3D 数据的前提下能够生成超高质量的 3D 内容。ProlificDreamer 算法为文生 3D 领域带来重大进展。利用 ProlificDreamer，输入文本 “一个菠萝”，就能生成非常逼真且高清的 3D 菠萝：

在数字创作和虚拟现实等领域，从文本到三维模型（Text-to-3D）的技术具有重要的价值和广泛的应用潜力。这种技术可以从简单的文本描述中生成具体的 3D 模型，为设计师、游戏开发者和数字艺术家提供强大的工具。然而，为了根据文本生成准确的 3D 模型，传统方法需要大量的标记 3D 模型数据集。这些数据集需要包含多种不同类型和风格的 3D 模型，并且每个模型都需要与相应的文本描述相关联。创建这样的数据集需要大量的时间和人力资源，目前还没有现成的大规模数据集可供使用。由谷歌提出的 DreamFusion [1] 利用预训练的 2D 文本到图像扩散模型，首次在无需 3D 数据的情况下完成开放域的文本到 3D 的合成。但是 DreamFusion 提出的 Score Distillation Sampling (SDS) [1] 算法生成结果面临严重的过饱和、过平滑、缺少细节等问题。高质量 3D 内容生成目前仍然是非常困难的前沿问题之一。ProlificDreamer 论文提出了 Variational Score Distillation（VSD）算法，从贝叶斯建模和变分推断（variational inference）的角度重新形式化了 text-to-3D 问题。具体而言，VSD 把 3D 参数建模为一个概率分布，并优化其渲染的二维图片的分布和预训练 2D 扩散模型的分布间的距离。可以证明，VSD 算法中的 3D 参数近似了从 3D 分布中采样的过程，解决了 DreamFusion 所提 SDS 算法的过饱和、过平滑、缺少多样性等问题。此外，SDS 往往需要很大的监督权重（CFG=100），而 VSD 是首个可以用正常 CFG（=7.5）的算法。

与以往方法不同，ProlificDreamer 并不单纯优化单个 3D 物体，而是优化 3D 物体对应的概率分布。通常而言，给定一个有效的文本输入，存在一个概率分布包含了该文本描述下所有可能的 3D 物体。基于该 3D 概率分布，我们可以进一步诱导出一个 2D 概率分布。具体而言，只需要对每一个 3D 物体经过相机渲染到 2D，即可得到一个 2D 图像的概率分布。因此，优化 3D 分布可以被等效地转换为优化 2D 渲染图片的概率分布与 2D 扩散模型定义的概率分布之间的距离（由 KL 散度定义）。这是一个经典的变分推断（variational inference）任务，因此 ProlificDreamer 文中将该任务及对应的算法称为变分得分蒸馏（Variational Score Distillation，VSD）。具体而言，VSD 的算法流程图如下所示。其中，3D 物体的迭代更新需要使用两个模型：一个是预训练的 2D 扩散模型（例如 Stable-Diffusion），另一个是基于该预训练模型的 LoRA（low-rank adaptation）。该 LoRA 估计了当前 3D 物体诱导的 2D 图片分布的得分函数（score function），并进一步用于更新 3D 物体。该算法实际上在模拟 Wasserstein 梯度流，并可以保证收敛得到的分布满足与预训练的 2D 扩散模型的 KL 散度最小。

3D表示+2D Diffusion做3D任务的四个流派：

1. 用Diffusion优化3D隐式场（其中Diffusion是预训练的），特别是NeRF相关工作，例如DreamFusion和SparseFusion；
2. 使用3D Unet定制3D Diffusion，特别是point cloud相关工作；
3. 把3D表示拆解并且重新拼接，变成超多通道2D图像，直接复用2D Diffusion，特别是Triplane相关工作，例如3D Neural Field Generation using Triplane Diffusion；
4. 把2D Diffusion的Unet()换成一个renderer+encoder的结构，即间接引入3D约束，例如RenderDiffusion；
5. 将3D约束编码成条件，用来约束2D Diffusion，例如DiffPose；

9： GET3D 英伟达：噪声—->3D物体

A Generative Model of High Quality 3D Textured Shapes Learned from Images (NeurIPS 2022 )

代码：https://github.com/nv-tlabs/GET3D

GET3D 包括两个分支：

1.几何分支：可微的输出任意拓扑的表面mesh

2.纹理分支：根据查询的表面点来产生 texture field，还可以扩展到表面的其他属性，比如材质

训练过程中，一个有效的可微栅格器将生成的带纹理 3D 模型投影到 2D 的高分辨率图片。整个过程都是可微分的，使得整个对抗训练可以从 discriminator 传递到两个分支。

10. DragGAN meets GET3D for interactive mesh generation and editing.

https://github.com/ashawkey/Drag3D

https://github.com/XingangPan/DragGAN

AvatarCLIP：仅用自然语言驱动实现制作3D avatar动画

1. 论文和代码地址

论文地址：https://arxiv.org/abs/2205.08535

代码地址：https://github.com/hongfz16/AvatarCLIP

2. 动机

3D avatar生成在数字时代有至关重要的作用，一般而言，创建一个3Davatar需要创建一个人物形象、绘制纹理、建立骨架并使用捕捉到的动作对其进行驱动。无论哪一个步骤都需要专业人才、大量时间和昂贵的设备，为了让这项技术面向大众，本文提出了AvatarCLIP，一个zero-shot文本驱动的3Davatar生成和动画化的框架。与专业的制作软件不同，这个模型不需要专业知识，仅仅通过自然语言就可以生成想要的avatar。本文主要是利用了大规模的视觉语言预训练模型CLIP来监督人体的生成，包括几何形状、纹理和动画。使用shapeVAE来初始化人类几何形状，进一步进行体渲染，接着进行几何雕刻和纹理生成，利用motionVAE得到运动先验来生成三维动画

3. 方法

3.1模型概述

下图展示了AvatarCLIP的框架，模型分为两个部分，上面的部分是生成静态的avatar，下面的部分是生成动作。

模型的输入是自然语言描述，body描述、外观描述和动作描述，模型的输出包括一个动画的3Davatar，以及一系列想要的poses。

静态avatar生成分为四步，首先根据SMPL的模板和语言提示初始化Mesh，接下来用NeuS提取mesh的隐式表示，然后使用隐式表示来构建形状和生成纹理，最后进行动画化。motion生成首先生成备选姿势，然后基于备选姿势生成动作序列。最后将动作做序列融入到动画中。

3.2静态avatar生成

3.2.1coarse shape mesh 生成

作为生成虚拟形象的第一步，生成一个粗糙的模板mesh。SMPL 被用作可能的人体形状的来源。如图 3 所示，首先通过对身体形状进行聚类来构建code-book。然后使用CLIP提取code-book和文本中身体形状渲染的特征，以获得最佳匹配的身体形状。

SMPL是通过主成分分析学习的，所以聚类的分布不均衡。通过训练一个shapeVAE，在VAE的隐空间使用K-Means聚类，来实现分类均匀的目的。对于CLIP引导的code-book查询，定义了一个中性状态的身体形状 以及相应的中性状态文本 作为参考。每个条目的得分 在code-book中定义为

最终选择si最大的mesh 作为输出。

3.2.2隐式表达

为了生成高质量的 3D avatar，形状和纹理需要进一步塑造和生成以匹配外观 app 的描述。如前所述，我们选择使用隐式表示，即 Neus，作为此步骤中的基本 3D 表示，因为它在几何和颜色上都具有优势。为了加速优化和控制形状生成，更方便生成动画，所以需要先将生成的粗糙mesh shape转化为隐式表示。

通过使用模板mesh 的多视图渲染{ }优化随机初始化的NeuS 来创建 的等效隐式表示。具体来说，如图4所示，NeuS = { ( ), ( )} 由两个子网组成。SDF网络 ( )以一定点 作为输入，输出与其最近的表面有符号距离。颜色网络 ( )以点 为输入，输出颜色。 ( ) 和 ( ) 都是使用 MLP 实现的。需要注意的是，与NeuS的原始实现相比，这里省略了颜色网络对观看方向的依赖。

视图方向依赖性最初设计用于对视角变化的阴影进行建模。在我们的例子中，对此类阴影效应进行建模是多余的，因为我们的目标是生成具有一致文本的 3D avatar，与原始设计类似， 由三部分损失函数优化：

color是渲染图和ground truth之间的重建损失 reg是SDF正则化的损失 mask是仅仅重建前景的损失

3.2.3形状构建+纹理生成

通过CLIP风格化初始的NeuS N，粗糙的形状 仍应保持，所以通过保留了原来的两个子网络 ( ) 和 ( ) 并引入额外的彩色网络 ( ). 两个颜色网络共享同一SDF网络 ( ) 如图5所示。 ( )和 ( ) 负责模板网格的重建 . ( ) 连同 ( ) 负责风格化部分，并且包括目标隐式3D化身。

形式上，新的NeuS模型 ′ = { ( ), ( ), ( )} 现在由三个子网络组成，其中 ( ) 和 ( ) 由预先培训的 , 和 ( )是随机初始化的颜色网络。

损失函数如下

没有纹理的渲染中颜色是不需要的，我们简单的计算一个灰度的光线通过：

其中A服从一个均匀分布，并随机采样，D= 1-A。通过上面的式子应用到一张图片的每一个像素中，我们可以得到没有纹理渲染的图片。

在实践中，我们发现纹理渲染上的随机着色 有利于生成纹理的均匀性，这将在消融研究中稍后讨论。随机着色打开 类似于无纹理渲染，其正式定义为

上面两种渲染过程的损失函数就损失函数的后两项，定义为：

3.2.4 增强过程

为了增强优化过程的鲁棒性，使用了三种增强手段：背景随机增强；随机相机参数采样；文本提示语义增强。

随机背景增强，使得CLIP能更加focus on 需要生成的对象上，本文采用了图六中展示的背景增强的手段。

为了防止网络找到仅为几个固定相机位置提供合理渲染的捷径解决方案，我们以手动定义的重要性采样方式对每个优化迭代的相机外部参数进行随机采样，以获得更连贯和平滑的结果。我们选择使用相机的“注视”模式，该模式由注视点、相机位置和向上方向组成。

向上的方向一般是人体向上的方向，注视点采用随机采样的方法，相机位置使用半径为 从均匀分布U（1，2）采样，极角 从均匀分布U（0，2 ), 方位角 从高斯分布N（0， /3）采样，使得相机在大多数迭代中指向化身的前方。

到目前为止，在整个优化过程中没有引入人类先验，这可能会导致在错误的身体部位生成纹理或不为重要的身体部位创建纹理，这将在稍后的消融研究中显示。为了防止此类问题，我们建议通过以语义感知的方式增强提示，在优化过程中明确引入人类先验。例如，如图7所示，如果 app=“乔布斯”，我们将增加 应用到两个附加提示 face=“史蒂夫·乔布斯的脸”和 back=“史蒂夫·乔布斯的背影”。对于每四次迭代，相机的注视点被设置为面部的中心，以获得面部的渲染，这将由提示进行监督 面对“面部增强”直接监督面部的生成，这对生成的化身的质量很重要，因为人类对面部更敏感。对于第二增强提示， back被用作相应的文本，以明确地指导化身背部的生成。

3.2.5动画生成

首先，中每个顶点的最近邻居 在模板网格的顶点中检索 . 混合中每个顶点的权重 从中最近的顶点复制 . 其次，使用反向LBS算法来带来avatar的站立姿势 站回零姿势 0。顶点 被转换为 0 . 最后 0可以由任何姿势驱动 使用LBS算法。因此，对于任何姿势，动画avatar都可以正式定义为:

LBS算法是线性混合蒙皮，用户在几何模型给上选择一系列控制单元，并计算几何模型受这些控制单元的影响权重，用户拖动控制单元，几何模型随着控制单元发生对应的变化。

3.3motion 生成

根据经验，CLIP不能直接估计运动序列和自然语言描述之间的相似性。它也缺乏评估运动序列的平滑性或合理性的能力。这两个限制表明，仅使用CLIP监督很难生成运动。因此，必须引入其他模块来提供运动先验。然而，CLIP能够评估渲染的人体姿势和描述之间的相似性。此外，类似的姿势可以被视为预期运动的参考。基于以上观察，我们提出了一个两阶段运动生成过程：1）由CLIP引导的候选姿态生成。2） 使用具有候选姿势作为参考的运动先验来生成运动序列。

3.3.1生成candidate pose

我们首先从AMASS数据集创建code-book。为了减少维度，VPoser用于将姿势编码为 ∈ R ，然乎使用K-Means聚类来建立code-book Bz，每一个Bz然后通过解码器解码为一些列的姿势 。

给定的文本描述 运动，每个姿势特征 从代码本中计算与文本特征的相似度 , 其用于选择Top-K条目作为候选姿势。

3.3.2motion VAE

本文提出了一种双重方法来生成与运动描述匹配的目标运动序列 运动

1） motionVAE被训练以捕获人类运动先验。

2） 我们使用候选姿态优化motion VAE的潜在代码 作为参考。

motion VAE包含encoder、decoder和重参数模块。

encoder模块包括projection layer、positional embedding layer 、几个transformer encoder块和output layer。输出等于

重参数模块生成一个高斯分布，两个全连接层分别计算均值和方差

随机潜在编码z从得到的高斯分布中采样，潜在编码通过decoder解码得到motion序列

训练motion VAE过程中的损失函数定义为：

3.3.3生成运动序列

使用预训练的motion VAE，我们尝试优化其潜在代码 以合成运动序列 Θ = motion ( )。提出了三个优化约束：

Lpose 是解码后的动作序列 Θ 和候选姿势 之间的重构项。给定参考带来 = { 1, 2,., }，目标是构建一个与这些姿势足够接近的动作序列。我们建议最小化 与其最近的帧Θ 之间的距离，其中 ∈ {1, 2,., } 和 ∈ {1, 2,., }。形式上，重建损失定义为

根据经验，仅使用重建损失 Lpose，生成的运动往往是过度平滑的。Ldelta 测量运动的范围，以防止运动过于平滑。作为对过度平滑运动的惩罚项。在增加 λ6 时会产生更强烈的运动。

L clips 鼓励运动中的每个单一姿势匹配输入运动描述。缺乏对姿势排序的监督将导致不稳定的生成结果。此外，候选姿势可能只对最终运动序列的一小部分有贡献，这将导致意外的运动片段。为了解决这两个问题，我们设计了一个附加的CLIP引导损失项：

是姿势Θ和文本描述之间的相似度得分。 clip ( ) = 是一个单调递增的函数，因此 L clip 对序列中的后面姿势给予更高的惩罚。通过上述 CLIP 引导的术语，整个运动序列将与运动更加一致。

4.实验

4.1总体结果

上图展示了具有多种身体形状，外观多样，质量高。它们由生成的与输入描述合理且一致的运动序列驱动。在zero-shot style中，AvatarClip 能够生成avatar和动作并且动画化，利用预训练模型中的先验信息。最初需要专业软件专家知识的化身生成和动画的整个过程现在可以在我们提出的模型帮助下简单地由自然语言驱动。

4.2Avatar 生成

4.2.1消融实验

1)背景增强的设计

2)低纹理渲染的监督

3)纹理渲染的随机阴影

4)语义感知提示增强。

图12所示的消融设置是通过随后将上述四种设计添加到baseline中形成的。如图12的前两列所示，背景增强对纹理生成有很大影响，如果没有背景增强，纹理会变得非常暗。比较第二列和第三列，添加对无纹理渲染的监督可以大大提高几何体质量。“消融2”的几何结构有很多随机凸起，这会使表面产生噪音。而“消融3”的几何结构是光滑的，并有详细的衣服褶皱。如“消融3”和“消融4”所示，在纹理渲染图上添加随机阴影有助于生成更均匀的纹理。例如，《消融3》中的“唐纳德·特朗普”上身比下身更亮，这在《消融4》中有所改进。如果没有人体语义的意识，前面的四个设置无法为化身生成正确的面部。最后一列使用语义感知提示增强，在面部生成方面具有最佳结果。

4.2.2coarse shape 生成

对于这一部分，我们设计了两种直观的基线方法，（i）SMPL上的直接优化 （ii）VAE潜在空间上的直接优化。如图13（a）所示，两种优化方法都无法生成与描述文本一致的身体形状。即使是相反的文本指导（例如“kinny”和“overweight”）也会导致相同的优化方向。相比之下，我们的方法稳健地生成与输入文本一致的合理身体形状。我们方法的更多样的定性结果如图13（b）所示。

4.2.3形状雕刻和纹理生成的定性结果

广泛的驾驶文本。在广泛的实验中，我们的方法能够从广泛的外观描述中生成化身，包括三种类型：1）名人，2）虚构人物和3）描述人的一般词语，如图17所示。如图17（a）所示，给定名人姓名作为外观描述，生成了名人最具标志性的服装。由于我们的语义感知提示增强设计，人脸也能正确生成。对于图17（b）所示的虚构角色生成，可以正确生成大多数文本描述的化身。有趣的是，对于具有复杂几何形状的配件的角色（例如“蝙蝠侠”的头盔、“艾尔莎”的服装），优化过程有从模板人体中“生长”出新结构的趋势。至于一般描述，我们的方法可以处理非常广泛的范围，包括常见的工作名称（例如“教授”、“医生”）、描述某个年龄段的人的词语（例如“青少年”、“老年公民”）和其他幻想职业（如“女巫”、“巫师”）。可以观察到，除了化身本身之外，还可以生成它们各自的标志性对象。例如，“园丁”用手抓花和草。

尽管上面实验和演示了大量的生成结果，但在生成宽松服装和配饰时仍存在失败案例。例如，如图17所示，“艾尔莎”的服装和“奇异博士”的斗篷并没有生成。夸张的头发和胡须（如裹着面包的阿甘）的几何形状也很难正确生成。这是由优化过程中的重建损失引起的。不鼓励“生长”，允许对几何结构进行非常有限的更改。

Zero-Shot Controlling Ability：如图18所示，我们可以通过调整语义感知提示增强来控制化身上生成的人脸，例如，比尔·盖茨穿着钢铁侠套装。此外，我们可以通过直接的文本指导来控制化身的服装，例如“穿着白衬衫的史蒂夫·乔布斯”。

Concept Mixing：如图14所示，我们展示了将奇幻元素与名人混合的示例。在保持可识别身份的同时，奇幻元素与avatar自然融合。

Geometry Quality：低纹理渲染监督的关键设计主要有助于几何生成。我们主要将AvatarCLIP与基于NeRF的改编的Dream Field进行比较。如图19所示，我们的方法在几何质量方面始终优于Dream Fields。可以生成详细的肌肉形状、盔甲曲线和布料褶皱。

除了生成质量，我们还研究了我们算法的鲁棒性与baseline Text2Mesh相比。对于每种方法，我们都使用相同的五个随机种子，对同一提示进行五次独立运行。如图20所示，我们的方法能够以高质量和与输入文本一致的方式输出结果。Text2Mesh在大多数运行中失败，这表明网格的表示对于优化是不稳定的，尤其是在监督薄弱的情况下。

4.3 motion生成

4.3.1消融实验

为了评估我们在基于参考的动画模块中的设计选择的有效性（即提出的三个约束项，运动VAE作为运动先验的使用），我们将我们的方法与两个基线方法进行了比较，如图21所示。

对于“刷牙”，（i）生成无序和不相关的姿势序列。（ii）也未能生成合理的运动，这是由于其盲目地关注于重建无序的候选姿势所导致的。通过引入重新加权机制，我们的方法不仅关注重建，还考虑了生成的运动的合理性。

对于“踢足球”，当腿踢出时，（i）（ii）中的动作序列没有剧烈变化。Ldelta在控制运动强度方面起着重要作用。至于“举起双臂”，它应该生成一个从中立姿势到举起手臂的姿势的运动序列。然而，（i）生成与预期结果相反的运动序列。（ii）引入若干不相关的行动。在Lclipm，我们的方法能够以正确的顺序和更好的描述一致性生成运动。

此外，受应聘者姿势多样性的限制，要想做出更复杂的动作，比如“拥抱”、“弹钢琴”和“运球”，是一件很有挑战性的事情。

4.3.2与baseline对比

将三种baseline方法与我们的方法进行比较。baseline(I)直接对SMPL参数θ进行优化。基线(II)直接在VPoser的潜在空间上进行优化。这两种方法都很难产生合理的姿势。Baseline(III)在VPoster中使用了多通道Real NVP，在正太分布和潜在空间分布中得到双向映射，它可以生成相对合理的姿势，但仍然明显比我们的方法差。

如图22（b）展示了广泛的驱动文本。为了证明姿势生成方法的zero-能力，我们用四类运动描述进行了实验：1）抽象的情绪描述（例如“疲惫”和“悲伤”）；2） 常见动作描述（如“行走”和“蹲下”）；3） 与身体部位相关的运动描述（例如“举起双臂”、“洗手”）4）涉及与物体交互的运动（例如“投篮”）。

5. 总结

为了外行人也可以实现原来复杂的3D avatar创建的目的，本文提出了AvatarCLIP。本文的模型主要依赖于大规模预训练模型VAE——包括了形状和动作先验，以及大型可泛化的视觉语言预训练模型CLIP。并且通过一系列的实验证明了模型的有效性和效率。

但是在形象创建的过程中，受到CLIP的弱监督和低分辨率的影响，生成的结果在放大之后并不是完美的。此外，在给定相同的prompt的，要产生有较大区别的形象是比较困难的。因为，优化方向是相同的，所以导致了不同的提示产生相同的结果。在动作合成阶段，受code-book设计的限制，很难产生分布外的候选姿态，这限制了产生复杂运动的能力。此外，由于缺乏video CLIP，很难生成风格化的运动。

对于预训练模型的使用，会造成许多道德问题，比如，医生对应的生成是男性， 而护士对应的生成是女性，这会造成性别歧视的问题。为了安全地使用zero-shot技术，需要开展关于大规模预训练模型的伦理问题的未来工作。此外，随着头像和动画制作的普及，用户可以很容易地制作出名人的假视频，这可能会被滥用，造成负面的社会影响。