CVPR 2020 最佳论文解读：无需任何监督，即可重建三维图像
作者 | 陈大鑫、蒋宝尚
编辑 | 丛末
我有一张二维照片，能让它变成三维图像么？可以，当前的一些3D电影相册工具，给图片加一个相框也能形成动态效果。
另外，用PS软件，进行一步、两步、三步等等操作后，也可以2D变3D，只不过即使技艺精湛的设计师也需要花费一点时间。
然而，这届的CVPR最佳论文提出了一种无监督的方法，能够常准确地从单目图像中恢复人脸、猫脸和汽车的三维形状。效果如下：
上下左右，前前后后，充分展示了三维图像的“长宽高”☺。重建的三维人脸包含了鼻子、眼睛和嘴的细节，即使在极端的面部表情下表现也非常优秀。
抽象图片与动漫图片也不在话下☝
除了重建三维，二维图像的照明效果也能调一调☝~
无需微调就可逐帧应用，充分实现“你动我也动”☝。
这篇论文也正是因为其提出方法优越的性能和其潜在的应用前景，被选中为CVPR 2020 最佳论文。另外，代码也已经开源。
论文链接：https://arxiv.org/abs/1911.11130
代码地址：https://github.com/elliottwu/unsup3d
项目地址：https://elliottwu.com/projects/unsup3d/
Demo 地址：http://www.robots.ox.ac.uk/~vgg/blog/unsupervised-learning-of-probably-symmetric-deformable-3d-objects-from-images-in-the-wild.html
这篇名为《Unsupervised Learning of Probably Symmetric Deformable 3D Objects from Images in the Wild》的论文由牛津大学的吴尚哲、Christian Rupprecht、Andrea Vedak三位合著。
其中，第一作者是来自香港科技大学2014级的本科生吴尚哲，2018年本科毕业后进入了牛津大学视觉几何组，师从欧洲计算机科学家Andrew Vedaldi，另外，这篇论文的第三作者也是Andrew Zisserman的博士后Andrea Vedaldi。
同样，这项工作也得到了Facebook Research和ERC Horizon 2020研究与创新计划的支持。
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模型简介与方法介绍
前面也提到，这篇最佳论文最亮的点是：基于原始单目图像学习3D可变形物体类别，而且无需外部监督。
具体而言，其使用的方法是基于一个自动编码器，这个编码器能够将每张输入图像分解为深度、反射率、视点和光照四个组件。整体模型结构如下：
在论文中，作者提到，为了在无监督的情况下分离这些组件，其利用许多物体类别至少在原则上具有对称结构这一事实。
另外，作者通过预测一个对称概率图，对可能对称但不确定对称的物体建模，并与模型的其他组件进行端到端学习。
实验结果表明，作者的方法能够在不需要任何监督和先验形状模型的情况下，非常准确地从单目图像中恢复人脸、猫脸和汽车的三维形状。
在基准测试中，与另一种使用2D图像对应级别的监督方法相比，作者的方法有着优越的准确性。
在具体建模过程中，作者在两种具有挑战性的条件下进行研究，第一个条件是没有2D或3D的ground truth信息(如关键点、分割、深度图或3D模型的先验知识)可用。第二个条件是，该算法必须使用无约束的单目图像集合。
针对这两个条件，作者整体的学习算法过程是：先摄取大量可变形对象类别的单视图图像，然后输出一个深度网络，并且该网络可以根据给定的单一图像估计任何实例的3D形状。
另外，具体的物体实例实际上从来都不是完全对称的，无论是在形状上还是在外观上。由于姿势或其他细节(如发型或面部表情)的变化，形状是不对称的，反射率也可能是非对称的(如猫脸的不对称纹理)。即使当形状和反射率都是对称的，由于不对称的光照，外观仍然可能不对称。
作者用了两种方式解决这个问题。首先，明确地建立光照模型来利用底层的对称性，并表明，通过这样做，模型可以利用光照作为恢复形状的额外线索。其次，扩充模型，以推理物体中潜在的不对称。
值得注意的是，在损失函数方面，作者观察到L1损失函数式对小的几何缺陷敏感，容易导致重建模糊。所以作者添加了一个感知损失项来缓解这个问题。
在训练过程中，作者使用Adam优化器对batch为64的输入图像进行训练，图像大小resize为64×64像素。输出深度和反射率的大小也是64×64。训练大约进行5万次迭代，对于可视化，深度图将上采样到256。
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实验结果更准确
论文的最后，作者在三个人脸数据集上进行了测试：CelebA、3DFAW和BFM。同时也在猫脸和合成汽车上进行了测试，文章的开头就是部分测试结果，下面是“猫主子”重建结果：
小车重建3D效果：
另外，与完全监督的方法和表现一般的无监督baseline相比，作者的方法在BFM数据集上重建得到的的SIDE误差和MAD误差明显优于baseline并且接近完全监督，如下表损失所示。☟
消融实现性能评估☟
与当前SOTA比较☟
同时，作者在论文的最后也提到了目前工作的限制和不足。
主要有三点，其一如果假设一个简单的Lambertian阴影模型，忽略阴影和镜面反射，这会导致在极端照明条件或高度非Lambertian曲面下的不精确重建，如上图a所示；其二，分离嘈杂的深色纹理和阴影非常困难，如上图b所示；其三，极端姿态下的重建质量较低，如上图c所示。
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磁灶“95后”一作
前面也提到，这篇CVPR 2020 最佳论文有三位作者，他们都来自牛津大学，其中吴尚哲在2018年从香港科技大学毕业后进入牛津视觉几何组，进行计算机视觉领域的研究。
当他进入赴牛津大学攻读博士时候，他的家乡晋江对他进行了报道，晋江新闻网说：
年仅22岁的吴尚哲2014年考取香港科技大学，今年以来，他接连收到了牛津大学、苏黎世联邦理工学院、洛桑联邦理工学院的博士项目全额奖学金录取，以及号称“世界计算机第一学府”的美国卡内基梅隆大学硕士项目录取。再过不久，他将前往牛津大学，加入世界顶级的计算机视觉研究组，师从“欧洲计算机科学家”Andrew Zisserman的其弟子Andrea Vedaldi，致力于人工智能相关研究。
通过晋江新闻的报道，我们也可以看出，他家境并不富裕，父母亲在磁灶社区的老街里经营着一家裁缝店。在他年幼时，全家4口人挤住在一个30平方米的两层老房子里。
贫困的家庭环境中，每日耳濡目染父母亲为了生计的艰辛，培养了他独立自主的能力，更坚定了他奋发学习的决心。
通过努力学习，吴尚哲中学期间获得过全国中学生物理竞赛福建省一等奖，数学竞赛福建省三等奖，以及英语演讲比赛各级奖项等。得益于竞赛获奖的缘故，他获得了保送西安交大的机会，但在一次偶然的机会，他又自己做主报考了香港科技大学。
在香港科技大学读大三时，其就开始跟随导师邓智强和戴宇榮从事计算机视觉相关研究，甚至当时还发表了两篇国际顶级会议论文，并获得出国交流学习的机会。
而如今，我们可以从上面谷歌学术的截图能够看到，吴尚哲已经有了三篇顶会论文，而且都是第一作者。并且，这三篇论文已经有了些引用量。
当初，他远赴牛津大学深造，家乡媒体为他报道，是对他刻苦学习的认可，如今他能够在几千篇CVPR论文中斩获得最佳论文，则是他不忘初心，持续奋斗，回报家乡的最好礼物。
最后，我们也祝愿这位同学，继续努力学习技能，用知识改变命运，争取早日学有所成，回报社会，回报家乡。
Via http://news.ijjnews.com/system/2018/08/24/011032512.shtml
END
备注：3D
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