Hybrid Explicit Representation for Ultra-Realistic Head Avatars
作者: Hongrui Cai, Yuting Xiao, Xuan Wang, Jiafei Li, Yudong Guo, Yanbo Fan, Shenghua Gao, Juyong Zhang
分类: cs.GR, cs.CV
发布日期: 2024-03-18 (更新: 2025-02-19)
备注: 16 pages
💡 一句话要点
提出混合显式表示以实现超真实的头部虚拟形象
🎯 匹配领域: 支柱三：空间感知与语义 (Perception & Semantics)
关键词: 虚拟形象 实时渲染 3D网格 高斯点云 混合深度排序 计算机视觉 图形学
📋 核心要点
- 现有方法在创建超真实头部虚拟形象时，常常面临渲染效率和细节表现之间的权衡。
- 本研究提出了一种混合显式表示，结合UV映射的3D网格和3D高斯点云，以同时优化纹理和几何结构。
- 实验结果显示，所提方法在渲染质量和效率上均优于当前最先进的技术，达到了实时渲染的要求。
📝 摘要（中文）
我们提出了一种新颖的方法来创建超真实的头部虚拟形象，并实现实时渲染（>30fps，分辨率为2048 × 1334）。首先，我们提出了一种混合显式表示，结合了两种基于原始图形的高效渲染技术的优势。利用UV映射的3D网格捕捉光滑表面的细腻纹理，同时采用3D高斯点云表示复杂的几何结构。在建模过程中，我们通过捕获的多视角RGB视频跟踪参数模型，旨在同时优化网格的纹理和不透明度图，以及一组局部化并绑定到网格面的3D高斯点。具体而言，我们基于网格和3D高斯点的光栅化结果的合并和重新排序的z缓冲区，对颜色和不透明度值进行α混合。该过程涉及网格和3D高斯点自适应拟合捕获的视觉信息，以勾勒出高保真的数字化身。为避免高斯点穿越网格面造成的伪影，我们设计了一种稳定的混合深度排序策略。实验表明，我们的建模结果超越了现有的最先进方法。
🔬 方法详解
问题定义：本论文旨在解决在创建超真实头部虚拟形象时，现有方法在细节表现和渲染效率之间的矛盾，尤其是在复杂几何结构的处理上存在不足。
核心思路：我们提出的混合显式表示方法，通过结合UV映射的3D网格和3D高斯点云，能够同时捕捉细腻的纹理和复杂的几何特征，从而提高虚拟形象的真实感和渲染效率。
技术框架：整体流程包括三个主要阶段：首先，通过捕获的多视角RGB视频跟踪参数模型；其次，优化网格的纹理和不透明度图；最后，利用3D高斯点云对网格面进行局部化和绑定。
关键创新：本研究的核心创新在于设计了一种稳定的混合深度排序策略，以避免高斯点穿越网格面造成的伪影，这在现有方法中尚未得到有效解决。
关键设计：在技术细节上，我们采用了α混合方法对颜色和不透明度值进行处理，并基于合并和重新排序的z缓冲区进行渲染，确保了高保真的视觉效果。我们还对3D高斯点的局部化和绑定进行了精细设计，以适应不同的几何结构。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，所提方法在渲染质量上超越了现有最先进技术，能够在2048 × 1334的分辨率下实现超过30fps的实时渲染，显著提升了虚拟形象的真实感和细节表现。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括虚拟现实、游戏开发和在线社交平台等，能够为用户提供更加真实和沉浸式的虚拟体验。随着技术的进步，未来可能会在影视制作和远程会议等场景中得到广泛应用，提升数字化身的交互性和表现力。
📄 摘要（原文）
We introduce a novel approach to creating ultra-realistic head avatars and rendering them in real-time (>30fps at $2048 \times 1334$ resolution). First, we propose a hybrid explicit representation that combines the advantages of two primitive-based efficient rendering techniques. UV-mapped 3D mesh is utilized to capture sharp and rich textures on smooth surfaces, while 3D Gaussian Splatting is employed to represent complex geometric structures. In the pipeline of modeling an avatar, after tracking parametric models based on captured multi-view RGB videos, our goal is to simultaneously optimize the texture and opacity map of mesh, as well as a set of 3D Gaussian splats localized and rigged onto the mesh facets. Specifically, we perform $α$-blending on the color and opacity values based on the merged and re-ordered z-buffer from the rasterization results of mesh and 3DGS. This process involves the mesh and 3DGS adaptively fitting the captured visual information to outline a high-fidelity digital avatar. To avoid artifacts caused by Gaussian splats crossing the mesh facets, we design a stable hybrid depth sorting strategy. Experiments illustrate that our modeled results exceed those of state-of-the-art approaches.