論文まとめ：Shap-E: Generating Conditional 3D Implicit Functions

Posted On 2023-07-13

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タイトル：Shap-E: Generating Conditional 3D Implicit Functions
著者：Heewoo Jun, Alex Nichol（OpenAI）
論文URL：https://arxiv.org/abs/2305.02463
デモ：https://huggingface.co/spaces/hysts/Shap-E
コード：https://github.com/openai/shap-e

ざっくりいうと

Text-to-3DやImage-to-3Dを拡散モデルベースで行う研究
3Dアセットや点群データの暗黙的なニューラル表現（INR）を得るエンコーダーを訓練し、NeRFとSDFの潜在表現を生成
INRをベースに、テキストや画像を条件とした3D生成ができ、品質は最適化ベースの手法に劣るが、レスポンスは速い

アバウトな理解

「Text-to-3Dや、Image-to-3Dを拡散モデルベースで、手軽にできるモデル」の理解でOK。Diffusersに統合された

https://github.com/huggingface/diffusers/releases/tag/v0.18.0

DALL-E 2とのアナロジー

Diffusion Priorという考え方は実はDALL-E2に近い（Diffusersの実装でもunCLIPと書いてある）

DALL-E 2は、Text-to-Imageのモデル。Inputがテキストで、CLIPのText Embeddingに変換し、Diffusion Priorは、それを逆拡散プロセスで繰り返しアップデートし、対応するCLIPのImage Embeddingに変換する。生成されたImage EmbeddingをDecoderが画像に変換する

ShapEの場合は、DALL-E2のImage EmbeddingをINR（暗黙的ニューラル表現）に置き換え、3Dモデルの生成に拡張したものとざっくり理解できる

導入

Implicit Neural Representations (暗黙的ニューラル表現：INRs)
- 3Dアセットのエンコードのために近年普及。任意の入力点でクエリできるため解像度に依存しなく、微分可能
この論文で焦点を当てているINRの例は2つ
- NeRF：座標＋カメラの方向→密度（不透明度）とRGBカラーにマッピングするINR
  - https://www.youtube.com/watch?v=JuH79E8rdKc&t=13s
- DMTet：座標→色、符号付き距離、頂点オフセットをマッピングする関数。テクスチャ付きの3Dメッシュを表現
  - https://en.wikipedia.org/wiki/Polygon_mesh。3Dメッシュの例

ShapEのやっていること：先行研究のスケールアップ
- 3DアセットのINRパラメーターを生成するために、Transformerベースのエンコーダーを訓練し、先行研究のアプローチのスケールアップ
- 先行研究と同様に、エンコーダーからの出力に対して拡散モデルを学習
  - これまでの手法と異なるのは、NeRFとメッシュを同時に表現するINRを生成
- 先行研究のPoint-Eと比較し、速く収束し、同等以上の結果が得られた
最適化ベースの3D生成よりかは、本手法はサンプリング品質で劣る。しかし、推論時間は桁違いに高速

STF（ Signed Distance Functions and Texture Fields (STF)）

目標：メッシュを構成したい
符号付き距離関数（SDF）：3D形状をスカラー場で表現するための古典的手法
- 座標xをf(x)=dなるdにマッピング
- |d|はxから形状の表面に最も近い点までの距離。点が形状の外側にある場合はd<0
- f(x)=0が境界の定義、sign(d)が境界に沿った法線の向き
  - 1つの関数で境界や法線を見れて便利で、メッシュ生成に利用される
DMTet（先行研究）
- 空間上のグリッドに対し、SDFの値siとその変位Δviを生成する
- これらの値をベースにメッシュを生成

手法

訓練時の流れ

暗黙的表現を生成するエンコーダーを訓練
- 3Dアセットの潜在表現を生成するMLP
エンコーダーによって生成された潜在表現を生成するための拡散モデル（Diffusion Prior）を訓練。Text-to-3Dの場合は、InputがTextで、Outputが3Dアセットの潜在表現
- 拡散モデルの条件は、画像かテキスト
- 対応するレンダリング画像、点群、テキストキャプションを持つ3Dデータセットですべてのモデルを訓練

Outputは「σ、RGB」だけならNeRFと同様（点群ではないが）、そこに「符号付き距離関数：SDF」が入っている

推論時の流れ

コード見ないとよくわからない。

Diffusion Priorを使い、テキスト/画像から3Dアセットの潜在表現を得る
- テキストの場合も、画像の場合もCLIP Embeddingを使用
それをNeRFやSTFのような手法で、3Dをレンダリング

結果

先行研究のPoint-Eより、少ないIterationで高性能な3Dモデルが得られる

Text-to-3Dの結果。単純なオブジェクトならある程度行ける

最適化ベースとの比較。3D生成時に最適化を入れる手法（DreamFieldsやDreamFusion）と比べると、生成される3Dのクォリティは大きく劣るが、レイテンシーが明らかに軽い。前者はV100で少なくとも12分なのに対し、提案手法はV100で1分程度。

やってみた

Text-to-3D

公式ドキュメントの例のコードをそのまま使う

プロンプト「a red car」

「a red car」のままGuidace Scaleを15→7.5に落とす

プロンプトを「a red sports car」に変える

GPT-4が吐き出した結果をText-to-3Dのプロンプトにする

なんかいい感じの椅子の説明を英語で簡潔に書いて
This chair boasts a sophisticated design with its sleek lines and plush upholstery. The comfortable padding and supportive backrest ensure maximum comfort, while the durable construction guarantees long-lasting use. Perfect for any home or office setting.

なんかいい感じのシャンデリアの説明を英語で簡潔に書いて
An elegant chandeliers cast a warm, inviting glow, showcasing intricate designs that beautifully reflect light. Its crystal pendants dazzle, making it a stunning centerpiece in any room.

→形状が複雑なものは難しそう

Image-to-3D

フリー素材の桜

なんかMinecraftみたいな出力になってるので、remove-bgで背景を消す

→形は似ているが、細部がやはりおかしいので、この程度が限度？

人間は向いてなさそう（岸田文雄の顔）

こういう単純な画像なら行けるのではないか？

なんだか立体視のようになっていて面白い

Diffusers0.18.0の場合だと、Gifとして出力するだけでメッシュとして出力できないらしい
- 対応してほしいというissueが立ってる　https://github.com/huggingface/diffusers/issues/3986
- 冒頭のHuggingfaceのデモはオリジナルのShapEの実装で、こちらは対応済み
割りと速くてお手軽GPUで動く
- 64ステップ＋フレームサイズが256で、拡散プロセスが13秒程度、レンダリングがその2倍程度の時間
Diffusersみたいなお手軽フレームワークで使えるのが良い
論文にも書いてあるとおり、精度と速度のトレードオフで、モデルがかなり単純なケース、粗い3Dケースでいいケースに絞れれば使えそう
さらっと流されているが、INRのEncoderが割りと良さげな特徴抽出機として使えるのではないか

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Tags:3D生成, 3次元復元, NeRF, 拡散モデル, 論文読み