BAD-Gaussians

<h1 align=center font-weight:100> 😈BAD-Gaussians: Bundle-Adjusted Deblur 高斯散射</h1>

这是我们 arXiv 2024 论文 BAD-Gaussians: Bundle Adjusted Deblur Gaussian Splatting 的官方实现，基于 nerfstudio 框架。

演示

在 Deblur-NeRF 的真实世界运动模糊数据上的去模糊和新视角合成结果：

左：BAD-Gaussians 去模糊的新视角渲染结果；

右：输入图像。

快速开始

1. 安装

你可以查看原始 nerfstudio 仓库了解先决条件和依赖项。目前，我们的代码库已在 nerfstudio v1.0.3 上进行测试。

简而言之：你可以通过以下方式安装 nerfstudio：

# (可选) 创建一个新的 conda 环境
conda create --name nerfstudio -y "python<3.11"
conda activate nerfstudio

# 安装依赖
pip install --upgrade pip setuptools
pip install "torch==2.1.2+cu118" "torchvision==0.16.2+cu118" --extra-index-url https://download.pytorch.org/whl/cu118

conda install -c "nvidia/label/cuda-11.8.0" cuda-toolkit
pip install ninja git+https://github.com/NVlabs/tiny-cuda-nn/#subdirectory=bindings/torch

# 安装 nerfstudio！
pip install nerfstudio==1.0.3

然后你可以将此仓库作为 Python 包安装：

pip install git+https://github.com/WU-CVGL/BAD-Gaussians

2. 准备数据集

Deblur-NeRF 合成数据集（重新渲染）

如之前 BAD-NeRF 论文所述，我们对 Deblur-NeRF 的合成数据集进行了重新渲染，每张模糊图像有 51 个插值。

此外，在之前的 BAD-NeRF 论文中，我们直接在只有模糊图像的情况下运行 COLMAP，既没有真实相机内参也没有清晰的新视角图像。我们发现这对 COLMAP 来说相当具有挑战性 - 它可能无法重建场景，我们需要多次重新运行 COLMAP。为此，我们提供了一组新数据，其中我们使用真实相机内参在模糊和清晰的新视角图像上运行 COLMAP，命名为 bad-nerf-gtK-colmap-nvs：

下载链接

Deblur-NeRF 真实数据集

你可以直接从 Deblur-NeRF 下载 real_camera_motion_blur 文件夹。

你的自定义数据集

使用 Nerfstudio 的 ns-process-data 工具处理 deblur-nerf 训练图像。

例如，如果 BAD-NeRF 的数据集在 llff_data 中，执行：
```
ns-process-data images \
    --data llff_data/blurtanabata/images \
    --output-dir data/my_data/blurtanabata
```
文件夹 data/my_data/blurtanabata 已准备就绪。

注意：尽管 nerfstudio 不为 LLFF 数据建模 NDC 场景收缩，但我们发现 scale_factor = 0.25 在 LLFF 数据集上效果很好。如果你的数据是以 LLFF 方式捕获的（即前向视角），而不是像 Mip-NeRF 360 那样以物体为中心，你可以将 scale_factor = 0.25 参数传递给 nerfstudio 数据解析器（在我们的 DeblurNerfDataParser 中已设置为默认值），例如，ns-train bad-gaussians --data data/my_data/my_seq --vis viewer+tensorboard nerfstudio-data --scale_factor 0.25

3. 训练

对于 Deblur-NeRF 合成 数据集，使用以下命令训练：
```
ns-train bad-gaussians \
    --data data/bad-nerf-gtK-colmap-nvs/blurtanabata \
    --pipeline.model.camera-optimizer.mode "linear" \
    --vis viewer+tensorboard \
    deblur-nerf-data
```
其中
- --data data/bad-nerf-gtK-colmap-nvs/blurtanabata 是数据序列的相对路径；
- --pipeline.model.camera-optimizer.mode "linear" 启用线性相机姿态插值
- --vis viewer+tensorboard 启用查看器和 tensorboard 指标保存
- deblur-nerf-data 选择 DeblurNerfDataparser
对于 Deblur-NeRF 真实 数据集，使用 downscale_factor=4 训练：
```
ns-train bad-gaussians \
    --data data/real_camera_motion_blur/blurdecoration \
    --pipeline.model.camera-optimizer.mode "cubic" \
    --vis viewer+tensorboard \
    deblur-nerf-data \
    --downscale_factor 4
```
其中
- --pipeline.model.camera-optimizer.mode "cubic" 启用三次 B 样条；
- --downscale_factor 4 在 deblur-nerf-data 之后告诉 DeblurNerfDataparser 将图像的宽度和高度缩小到原始的 1/4。

对于 Deblur-NeRF 真实 数据集，使用全分辨率训练：

ns-train bad-gaussians \
    --data data/real_camera_motion_blur/blurdecoration \
    --pipeline.model.camera-optimizer.mode "cubic" \
    --pipeline.model.camera-optimizer.num_virtual_views 15 \
    --pipeline.model.num_downscales 2 \
    --pipeline.model.resolution_schedule 3000 \
    --vis viewer+tensorboard \
    deblur-nerf-data

其中

--pipeline.model.camera-optimizer.mode "cubic" 启用三次 B 样条；
--pipeline.model.camera-optimizer.num_virtual_views 15 将虚拟相机数量增加到 15；
--pipeline.model.num_downscales 2 和 --pipeline.model.resolution_schedule 3000 启用粗到细训练。

对于使用 ns-process-data 处理的自定义数据，使用以下命令训练：
```
ns-train bad-gaussians \
    --data data/my_data/blurtanabata \
    --vis viewer+tensorboard \
    nerfstudio-data --eval_mode "all"
```
注意：为了提高自定义数据集的重建质量，你可能需要添加一些参数以启用三次 B 样条、更多虚拟相机和粗到细训练，如上面的示例所示。

4. 渲染视频

此命令将生成一个轨迹，使用训练图像的相机姿态，保持它们的原始顺序，在相邻图像之间插入 10 帧，帧率为 30。它将加载 config.yml 并将视频保存到 renders/<your_filename>.mp4。

ns-render interpolate \
  --load-config outputs/blurtanabata/bad-gaussians/<your_experiment_date_time>/config.yml \
  --pose-source train \
  --frame-rate 30 \
  --interpolation-steps 10 \
  --output-path renders/<your_filename>.mp4

注意1：你可以添加 --render-nearest-camera True 选项来与模糊的输入进行比较，但这会显著降低渲染速度。

注意2：执行此命令时的工作目录必须是 outputs 的父目录，即与训练时相同的目录。

注意3：你可以在 nerfstudio 文档中找到更多关于这个命令的信息。

5. 导出3D高斯分布

此命令将加载 config.yml 并在同一文件夹中导出 splat.ply：

ns-export gaussian-splat \
    --load-config outputs/blurtanabata/bad-gaussians/<你的实验日期时间>/config.yml \
    --output-dir outputs/blurtanabata/bad-gaussians/<你的实验日期时间>

注意1：我们默认使用 rasterize_mode = antialiased。但是，如果你想导出3D高斯分布，由于大多数3D-GS查看器不支持 antialiased 模式（即 Mip-Splatting），最好在训练时使用以下命令关闭它：--pipeline.model.rasterize_mode "classic"

注意2：执行此命令时的工作目录必须是 outputs 的父目录，即与训练时相同的目录。

然后你可以使用任何查看器来可视化这个文件，例如 WebGL 查看器。

6. 使用IDE进行调试

用你的IDE打开这个仓库，创建一个配置，并将执行的Python脚本路径设置为 <nerfstudio_路径>/nerfstudio/scripts/train.py，并使用上述参数。

引用

如果你觉得这个工作有用，请考虑引用：

@article{zhao2024badgaussians,
  title={Bad-gaussians: Bundle adjusted deblur gaussian splatting},
  author={Zhao, Lingzhe and Wang, Peng and Liu, Peidong},
  journal={arXiv preprint arXiv:2403.11831},
  year={2024}
}

致谢

感谢 Nerfstudio 和 gsplat 的贡献者们的出色工作：

@inproceedings{nerfstudio,
    title        = {Nerfstudio: A Modular Framework for Neural Radiance Field Development},
    author       = {
        Tancik, Matthew and Weber, Ethan and Ng, Evonne and Li, Ruilong and Yi, Brent
        and Kerr, Justin and Wang, Terrance and Kristoffersen, Alexander and Austin,
        Jake and Salahi, Kamyar and Ahuja, Abhik and McAllister, David and Kanazawa,
        Angjoo
    },
    year         = 2023,
    booktitle    = {ACM SIGGRAPH 2023 Conference Proceedings},
    series       = {SIGGRAPH '23}
}

@software{Ye_gsplat,
    author  = {Ye, Vickie and Turkulainen, Matias, and the Nerfstudio team},
    title   = {{gsplat}},
    url     = {https://github.com/nerfstudio-project/gsplat}
}

@misc{ye2023mathematical,
    title={Mathematical Supplement for the $\texttt{gsplat}$ Library}, 
    author={Vickie Ye and Angjoo Kanazawa},
    year={2023},
    eprint={2312.02121},
    archivePrefix={arXiv},
    primaryClass={cs.MS}
}

感谢 pypose 的贡献者们的出色库：

@inproceedings{wang2023pypose,
title = {{PyPose}: A Library for Robot Learning with Physics-based Optimization},
author = {Wang, Chen and Gao, Dasong and Xu, Kuan and Geng, Junyi and Hu, Yaoyu and Qiu, Yuheng and Li, Bowen and Yang, Fan and Moon, Brady and Pandey, Abhinav and Aryan and Xu, Jiahe and Wu, Tianhao and He, Haonan and Huang, Daning and Ren, Zhongqiang and Zhao, Shibo and Fu, Taimeng and Reddy, Pranay and Lin, Xiao and Wang, Wenshan and Shi, Jingnan and Talak, Rajat and Cao, Kun and Du, Yi and Wang, Han and Yu, Huai and Wang, Shanzhao and Chen, Siyu and Kashyap, Ananth  and Bandaru, Rohan and Dantu, Karthik and Wu, Jiajun and Xie, Lihua and Carlone, Luca and Hutter, Marco and Scherer, Sebastian},
booktitle = {IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR)},
year = {2023}
}