三维重建方法3D gaussian splatting与NeRF的区别和异同

最近学习了一些三维重建相关的内容，目前比较主要的重建流派就是3DGS以及NeRF，NeRF作为2020年发布的文章轰动一时，影响深远，有很多NeRF based的相关工作在这些年涌现。3DGS作为2023年的new talk of the town，其在保证合成质量的情况下能够以数倍乃至数十倍的速度碾压许多NeRF based的方法，因此得到了广泛关注。这篇文章从几个角度比较了NeRF（最初的版本）和3D gaussian splatting的异同，道行尚浅，若有错误，欢迎大家讨论、批评、指正。

（原文中有一些词汇很难找到很恰当的中文翻译，为了不产生歧义在文中就直接使用了）

1.数据输入（INPUT）

NeRF：Nerf的输入是一张图像+该图像对应的相机位姿5D输入（xyz和θ与φ）

3DGS：3DGS的输入是由一张图像+经过SFM方法后生成的稀疏点云

比较：两者的差距在于一个是注重于相机的位姿（观测者的姿态）一个是注重于图像中各点的位置（2D图像转换为3D点云 观测内容的姿态）

需要注意的是，Nerf的5D位姿会进行一个正弦编码才会输入到MLP网络中进行运算，这个编码过程让网络能够学习到更多的高频数据，从而提升了网络对于图像细节的重建能力，如果把这个过程看作input数据的初始化，那么与之对比，3DGS的输入在得到稀疏点云之后同样进行了初始化，将稀疏点云建模为了3D高斯，才进行后续的处理，因此两者在初始化阶段也有一些不同。

但是两者都可以由colmap等sfm方法从视频中恢复对应的位姿和位置，这一点是类似的，所以在3DGS中描述它的INPUT用了“NeRF-liked”

2.数据输出（output）

NeRF：NeRF的输出是经由神经网络之后直接输出对应camera ray上各个采样点的RGB值和体密度(volume density)，随后经过体渲染(volume rendering)得到最终的重建图像。

3DGS：3DGS的输出，从下面这一张pipeline能够看出来，作者直接将最终重建得到的图像作为了整个方法的最终输出。

比较：两者的最终输出都是重建图像，但是获得重建图像的过程中存在差异，即两者的渲染方式不同。NeRF的渲染方式是体渲染，神经网络输出camera ray上不同采样点的RGB和体密度后，对该camera ray进行一个accumulate，最终得到2D图像。3DGS在会在过程中将建模好的3D高斯进行光栅化处理，将其投影到2D图像中，这个过程可以理解为向一个平地抛雪球，这个雪球被染上了不同的颜色，雪球落地之后会溅开，产生不同颜色的痕迹，多个雪球（3D高斯）丢到平地上之后，把不同的颜色痕迹按照深度等进行混合，就得到了最终的图像，这个渲染过程就叫做splatting，这里的渲染技术是a-blending，放一段GPT老师的解释：

 3.三维信息表达(3D Information Expression)

NeRF：作为神经辐射场，其三维信息藏在MLP网络中，而神经网络具有不可解释性，类似于一个黑匣子，因此神经辐射场常常和隐式等词一起出现，就是因为其重建三维世界的信息是隐式表达。

3DGS：由SFM建立得到的稀疏三维点云，在建模成3D高斯后，3D高斯中明确的包含了三维世界的信息（位置，颜色，不透明）因为3D高斯的前身是三维点云，而三维点云是典型的显示表达数据，因此不难理解3DGS是一种显示表达。

比较：NeRF是隐式表达，三维信息藏在神经网络中，3DGS是显示表达，由3D高斯直接表达三维信息。

4.优化方式

两者的优化方案在思路上都是相同的，都是将渲染出来的图像和真实图像进行对比，求loss，然后不断最小化这个loss来优化过程中的各个参数变量，都采用了经典的梯度下降优化策略。

5.时间与效果

两者的效果实际上相差不是很大，对于一些细节的重建见仁见智，3DGS在文中描述其在一些数据集的效果是优于NeRF的，但是从其github页面来看，实际上效果差别不是很大。但是时间上3DGS有明显的优势，可以从其提供的图中看出来。NeRF对于简单的单一场景(isolated object)的训练时间就需要12个小时，而3D高斯只需要几分钟，在保证时间的过程中不损失质量，实际上就是3DGS一直追寻的目的，在文章能看出：

 附上官方给出的时间对比图：

以及效果对比：

最后通过一个表格简单总结一下两者的差异：

	NeRF	3D Gaussian splatting
Input	Camera pose(5D)	Image point clouds from SFM
Output	Image	Image
Rendering	Volume rendering	α-blending
Optimization	gradient descend	Gradient descend
3D Information Expression	Implicit	Explicit
Time&Effect	12hour for isolated object	6min for isolated object