CVPR 2024|僅需文本或圖像提示，新框架CustomNeRF精準編輯3D場景
機器之心專欄
機器之心編輯部
自 2020 年神經輻射場 (Neural Radiance Field, NeRF) 提出以來，將隱式表達推上了一個新的高度。作爲當前最前沿的技術之一，NeRF 快速泛化應用在計算機視覺、計算機圖形學、增強現實、虛擬現實等領域，並持續受到廣泛關注。
有賴於易於優化和連續表示的特點，NeRF 在 3D 場景重建中有着大量應用，也帶動了 3D 場景編輯領域的研究，如 3D 對象或場景的紋理重繪、風格化等。爲了進一步提高 3D 場景編輯的靈活性，近期基於預訓練擴散模型進行 3D 場景編輯的方法也正在被大量探索，但由於 NeRF 的隱式表徵以及 3D 場景的幾何特性，獲得符合文本提示的編輯結果並非易事。
爲了讓文本驅動的 3D 場景編輯也能夠實現精準控制，美圖影像研究院（MT Lab）與中國科學院信息工程研究所、北京航空航天大學、中山大學，共同提出了一種將文本描述和參考圖像統一爲編輯提示的 CustomNeRF 框架，可以通過微調預訓練的擴散模型將參考圖像中包含的特定視覺主體 V∗嵌入到混合提示中，從而滿足一般化和定製化的 3D 場景編輯要求。該研究成果目前已被 CVPR 2024 收錄，代碼已開源。
圖 1：CustomNeRF 在文本驅動（左）和圖像驅動（右）的編輯效果
CustomNeRF 解決的兩大挑戰
目前，基於預訓練擴散模型進行 3D 場景編輯的主流方法主要分爲兩類。
其一，是使用圖像編輯模型迭代地更新數據集中的圖像，但是受限於圖像編輯模型的能力，會在部分編輯情形下失效。其二，則是利用分數蒸餾採樣（SDS）損失對場景進行編輯，但由於文本和場景之間的對齊問題，這類方法在真實場景中無法直接適配，會對非編輯區域造成不必要的修改，往往需要 mesh 或 voxel 等顯式中間表達。
此外，當前的這兩類方法主要集中在由文本驅動的 3D 場景編輯任務中，文本描述往往難以準確表達用戶的編輯需求，無法將圖像中的具體概念定製化到 3D 場景中，只能對原始 3D 場景進行一般化編輯，因此難以獲得用戶預期中的編輯結果。
事實上，獲得預期編輯結果的關鍵在於精確識別圖像前景區域，這樣能夠在保持圖像背景的同時促進幾何一致的圖像前景編輯。
因此，爲了實現僅對圖像前景區域進行準確編輯，該論文提出了一種局部 - 全局迭代編輯（LGIE）的訓練方案，在圖像前景區域編輯和全圖像編輯之間交替進行。該方案能夠準確定位圖像前景區域，並在保留圖像背景的同時僅對圖像前景進行操作。
此外，在由圖像驅動的 3D 場景編輯中，存在因微調的擴散模型過擬合到參考圖像視角，所造成的編輯結果幾何不一致問題。對此，該論文設計了一種類引導的正則化，在局部編輯階段僅使用類詞來表示參考圖像的主體，並利用預訓練擴散模型中的一般類先驗來促進幾何一致的編輯。
CustomNeRF 的整體流程
如圖 2 所示，CustomNeRF 通過 3 個步驟，來實現在文本提示或參考圖像的指導下精確編輯重建 3D 場景這一目標。
圖 2 CustomNeRF 的整體流程圖
首先，在重建原始的 3D 場景時，CustomNeRF 引入了額外的 mask field 來估計除常規顏色和密度之外的編輯概率。如圖 2（a） 所示，對於一組需要重建 3D 場景的圖像，該論文先使用 Grouded SAM 從自然語言描述中提取圖像編輯區域的掩碼，結合原始圖像集訓練 foreground-aware NeRF。在 NeRF 重建後，編輯概率用於區分要編輯的圖像區域（即圖像前景區域）和不相關的圖像區域（即圖像背景區域），以便於在圖像編輯訓練過程中進行解耦合的渲染。
其次，爲了統一圖像驅動和文本驅動的 3D 場景編輯任務，如圖 2（b）所示，該論文采用了 Custom Diffusion 的方法在圖像驅動條件下針對參考圖進行微調，以學習特定主體的關鍵特徵。經過訓練後，特殊詞 V∗可以作爲常規的單詞標記用於表達參考圖像中的主體概念，從而形成一個混合提示，例如 “a photo of a V∗ dog”。通過這種方式，CustomNeRF 能夠對自適應類型的數據（包括圖像或文本）進行一致且有效的編輯。
在最終的編輯階段，由於 NeRF 的隱式表達，如果使用 SDS 損失對整個 3D 區域進行優化會導致背景區域發生顯著變化，而這些區域在編輯後理應與原始場景保持一致。如圖 2（c）所示，該論文提出了局部 - 全局迭代編輯（LGIE）方案進行解耦合的 SDS 訓練，使其能夠在編輯佈局區域的同時保留背景內容。
具體而言，該論文將 NeRF 的編輯訓練過程進行了更精細的劃分。藉助 foreground-aware NeRF，CustomNeRF 可以在訓練中靈活地控制 NeRF 的渲染過程，即在固定相機視角下，可以選擇渲染前景、背景、以及包含前景和背景的常規圖像。在訓練過程中，通過迭代渲染前景和背景，並結合相應的前景或背景提示，可以利用 SDS 損失在不同層面編輯當前的 NeRF 場景。其中，局部的前景訓練使得在編輯過程中能夠只關注需編輯的區域，簡化複雜場景中編輯任務的難度；而全局的訓練將整個場景考慮在內，能夠保持前景和背景的協調性。爲了進一步保持非編輯區域不發生改變，該論文還利用編輯訓練前的背景監督訓練過程中所新渲染的背景，來保持背景像素的一致性。
此外，圖像驅動 3D 場景編輯中存在着加劇的幾何不一致問題。因爲經過參考圖像微調過的擴散模型，在推理過程中傾向於產生和參考圖像視角相近的圖像，造成編輯後 3D 場景的多個視角均是前視圖的幾何問題。爲此，該論文設計了一種類引導的正則化策略，在全局提示中使用特殊描述符 V*，在局部提示中僅使用類詞，以利用預訓練擴散模型中包含的類先驗，使用更幾何一致的方式將新概念注入場景中。
實驗結果
如圖 3 和圖 4 展示了 CustomNeRF 與基線方法的 3D 場景重建結果對比，在參考圖像和文本驅動的 3D 場景編輯任務中，CustomNeRF 均取得了不錯的編輯結果，不僅與編輯提示達成了良好的對齊，且背景區域和原場景保持一致。此外，表 1、表 2 展示了 CustomNeRF 在圖像、文本驅動下與基線方法的量化比較，結果顯示在文本對齊指標、圖像對齊指標和人類評估中，CustomNeRF 均超越了基線方法。
圖 3 圖像驅動編輯下與基線方法的可視化比較
圖 4 文本驅動編輯下與基線的可視化比較
表 1 圖像驅動編輯下與基線的定量比較
表 2 文本驅動編輯下與基線的定量比較
總結
本論文創新性地提出了 CustomNeRF 模型，同時支持文本描述或參考圖像的編輯提示，並解決了兩個關鍵性挑戰 —— 精確的僅前景編輯以及在使用單視圖參考圖像時多個視圖的一致性。該方案包括局部 - 全局迭代編輯（LGIE）訓練方案，使得編輯操作能夠在專注於前景的同時保持背景不變；以及類引導正則化，減輕圖像驅動編輯中的視圖不一致，通過大量實驗，也驗證了 CustomNeRF 在各種真實場景中，能夠準確編輯由文本描述和參考圖像提示的 3D 場景。