3D Gaussian Splatting ist eine einzigartige Technik, die verspricht, die Art und Weise, wie wir digitale Umgebungen erstellen und mit ihnen interagieren, zu revolutionieren. Sie bietet eine innovative Alternative zu traditionellen Methoden wie Photogrammetrie und Neural Radiance Fields (NeRF) und eröffnet Möglichkeiten für eine breite Palette von Anwendungen, von der Architektur über Spiele und virtuelle Realität bis hin zur wissenschaftlichen Visualisierung.
In diesem Artikel sehen wir uns genauer an, was 3D Gaussian Splatting ist, welche Vorteile es bietet und wie es im Vergleich zu anderen Techniken eingesetzt wird. Wir werden auch die Werkzeuge untersuchen, die für die Erstellung von 3D-Designs mit dieser Methode zur Verfügung stehen.
Was ist 3D Gaussian Splatting?
3D Gaussian Splatting ist eine Methode, die in der Computergrafik verwendet wird, um aus 2D-Bildern eine 3D-Szene zu erzeugen. Stellen Sie sich vor, Sie haben mehrere verschiedene Bilder eines Objekts, jedes aus einem anderen Winkel aufgenommen. Beim Gaussian Splatting werden all diese Bilder zusammengefügt, um eine detaillierte, dreidimensionale Darstellung des Objekts zu erzeugen.
Der Name "Gauß-Splatting" kommt von der Verwendung einer Gauß-Funktion, einer Art mathematischer Formel, die einer glockenförmigen Kurve ähnelt. Diese Funktion wird verwendet, um den Pixeln im Bild Gewichtungen zuzuweisen und so einen sanften und nahtlosen Übergang zwischen verschiedenen Blickwinkeln zu gewährleisten. Das Endergebnis ist ein 3D-Modell, das Sie aus jedem Winkel betrachten können, genau wie ein reales Objekt in der physischen Welt.
Diese Technik ermöglicht eine schnelle und effiziente Erstellung von 3D-Modellen und ist besonders nützlich, wenn Sie viele Daten zu verarbeiten haben. Sie ist außerdem sehr vielseitig und kann in vielen Bereichen eingesetzt werden, von Videospielen bis zur medizinischen Bildgebung. Egal, ob Sie Grafikdesigner, Spieleentwickler oder Wissenschaftler sind, 3D Gaussian Splatting könnte ein wertvolles Werkzeug in Ihrem Werkzeugkasten sein.
Der Prozess hinter 3D Gaussian Splatting
Die Erstellung eines 3D-Modells mit Gaussian Splatting umfasst mehrere Schritte:
Nutzung der Struktur aus der Bewegung: In diesem ersten Schritt wird die Technik "Struktur aus Bewegung" (SfM) verwendet, um eine 3D-Punktwolke aus einem Satz von Bildern zu erstellen. Mit dieser Technik lässt sich aus 2D-Bilddaten eine 3D-Darstellung erzeugen.
Umwandlung in Gauß-Flächen: Sobald die Punktwolke erhalten ist, wird jeder Punkt in einen Gauß umgewandelt, was eine Rasterung ermöglicht. In diesem Stadium können jedoch nur die Positions- und Farbinformationen aus den SfM-Daten abgeleitet werden. Um bessere Ergebnisse zu erzielen, ist zusätzliches Training erforderlich.
Training: In diesem Schritt wird der stochastische Gradientenabstieg verwendet, ähnlich wie bei neuronalen Netzen, jedoch ohne Schichtung. Der Trainingsprozess umfasst die Rasterung der Gauß'schen Parameter in ein Bild unter Verwendung differenzierbarer Gauß'scher Rasterung, die Berechnung des Verlusts auf der Grundlage der Disparität zwischen den gerasterten und den echten Bildern, die Anpassung der Gauß'schen Parameter auf der Grundlage des Verlusts und schließlich die Implementierung einer automatischen Verdichtung und Beschneidung.
Implementierung der differenzierbaren Gaußschen Rasterung: 3D Gaussian Splatting verwendet eine Rasterisierungsmethode, mit der Daten auf den Bildschirm projiziert werden. Es ist wichtig, dass diese Methode schnell und differenzierbar ist. Der Rasterisierungsprozess umfasst die Projektion jedes Gauß in 2D aus der Kameraperspektive, die Sortierung der Gauß'schen Daten nach Tiefe und das Überblenden jedes Gauß'schen Bildes von vorne nach hinten für jedes Pixel.
So sieht die Gauß-Funktion aus
Das Herzstück von 3D Gaussian Splatting ist die Gauß-Funktion, die sich durch ihre glockenförmige Form auszeichnet. Sie spielt eine zentrale Rolle bei der Umwandlung diskreter Punkte in ein lebendiges, zusammenhängendes Panorama. Hier erfahren Sie, wie 3D-Gauß-Splats die Funktion nutzen:
Bildquelle: mathworld.wolfram.com
Position (XYZ): Dies bestimmt die genaue Position jedes Punktes im 3D-Raum.
Kovarianz (3x3-Matrix): Sie bestimmt, wie sich jeder Punkt vergrößert oder verkleinert und damit seine Form und Größe beeinflusst.
Farbe (RGB): Sie bestimmt den Farbton der einzelnen Punkte und trägt zur visuellen Vielfalt bei.
Alpha (α): Dies regelt den Grad der Transparenz und erhöht die Authentizität der Szene.
Praktische Anwendungen von 3D Gaussian Splatting
3D Gaussian Splatting hat ein breites Spektrum an praktischen Anwendungen, die sich über verschiedene Branchen erstrecken und es zu einem vielseitigen Werkzeug bei der Erstellung und Visualisierung von 3D-Modellen machen. Lassen Sie uns einen tieferen Einblick in seine einzigartigen Funktionen und die eindeutigen Vorteile, die sie in diesen Bereichen bieten, gewinnen.
Architektur und Bauwesen: Architekten und Baufachleute können mit 3D-Gauß-Splatting realistische Gebäudemodelle erstellen, so dass sich die Kunden das Endprodukt bereits vor der eigentlichen Bauphase ansehen können. Dies kann helfen, Zeit und Ressourcen zu sparen, indem potenzielle Designfehler frühzeitig erkannt werden.
Elektronischer Handel: Online-Händler können ihre Produkte mithilfe von 3D Gaussian Splatting realistischer und ansprechender präsentieren, indem sie den Kunden die Möglichkeit geben, die Produkte aus verschiedenen Blickwinkeln und Perspektiven zu betrachten. Die virtuelle Interaktion mit Produkten kann auch dazu beitragen, die Kundenzufriedenheit zu verbessern und Rücksendungen zu reduzieren.
Bildung und Ausbildung: 3D-Gaussian-Splatting ermöglicht die Erstellung naturgetreuer Simulationen für Ausbildungszwecke, was besonders in Bereichen wie Medizin, Luftfahrt und militärischer Ausbildung von Nutzen sein kann. Dies ermöglicht sicheres und effizientes Üben ohne Risiken in der realen Welt.
Virtuelle Realität und Spiele: Die Verwendung von 3D-Gauß-Splatting in der virtuellen Realität und bei Spielen ermöglicht realistischere Umgebungen, die das Gesamterlebnis für die Nutzer verbessern. Außerdem ermöglicht sie dynamische Lichteffekte, die ein Gefühl von Tiefe und Realismus vermitteln.
Produktdesign und Prototyping: Mit 3D Gaussian Splatting können Designer ihre Ideen auf einfache Weise realistisch visualisieren und so schnelle und genaue Iterationen ermöglichen. Dies kann den Prozess des Produktdesigns und der Prototypenerstellung erheblich beschleunigen.
Virtuelle Veranstaltungen und Ausstellungen: Mit der jüngsten Verlagerung hin zu virtuellen Veranstaltungen kann 3D Gaussian Splatting genutzt werden, um naturgetreue virtuelle Umgebungen für Ausstellungen, Konferenzen und Messen zu schaffen. Dies bietet ein interaktives und fesselndes Erlebnis für die Anwesenden.
3D Gaussian Splatting vs. Photogrammetrie vs. NeRP
Für die Erstellung von 3D-Modellen gibt es verschiedene Techniken, darunter 3D-Gauß-Splatting, Photogrammetrie und NeRP (Neural Radiance Point). Jede Methode hat ihre eigenen Stärken und Schwächen, aber hier sind einige wichtige Unterschiede zwischen ihnen
Genauigkeit
Das 3D-Gauß-Splatting übertrifft oft andere Methoden in Bezug auf die Genauigkeit. Es verwendet eine mathematische Funktion, um die Farbe und Deckkraft in jedem Voxel zu schätzen, was zu sehr präzisen und detaillierten 3D-Modellen führt. Die Photogrammetrie hingegen stützt sich auf mehrere Fotos und erfasst die feinen Details möglicherweise nicht so genau, insbesondere in Bereichen mit komplexen Texturen oder Mustern. NeRP ist zwar eine beeindruckende Technologie, die KI für die Konstruktion von 3D-Szenen einsetzt, hat aber aufgrund der Abhängigkeit von Trainingsdaten manchmal Probleme, eine gleichbleibende Genauigkeit in verschiedenen Szenen zu liefern.
Geschwindigkeit
Geschwindigkeit ist ein weiterer Faktor, bei dem 3D Gaussian Splatting glänzt. Es ermöglicht schnelle und effiziente Berechnungen und ist daher eine ausgezeichnete Wahl für Anwendungen, die Echtzeit-Rendering oder interaktive Visualisierung erfordern. Die Photogrammetrie kann zeitaufwändiger sein, da sie die Verarbeitung mehrerer Bilder beinhaltet und oft manuelle Eingriffe erfordert, um Fehler zu korrigieren oder fehlende Daten zu ergänzen. NeRP ist zwar effizient, erfordert jedoch erhebliche Rechenressourcen und ist für Echtzeitanwendungen möglicherweise nicht geeignet.
Anwendbarkeit
Was die Anwendbarkeit angeht, so haben alle drei Methoden ihre eigenen Anwendungsfälle. 3D Gaussian Splatting ist extrem vielseitig und kann in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, darunter medizinische Bildgebung, Visualisierung, VR/AR und mehr. Die Photogrammetrie eignet sich hervorragend für die Rekonstruktion von realen Objekten und Umgebungen und ist daher ideal für die Erhaltung des kulturellen Erbes, die Architektur und die Archäologie. NeRP, eine neuere Entwicklung, hat sich in der Computergrafik und bei visuellen Effekten als sehr vielversprechend erwiesen, insbesondere in Szenarien, in denen ein Datensatz zum Trainieren des Modells verwendet werden kann.
Werkzeuge für 3D-Gauß-Splatting
Luma AI und Polycam sind zwei einfach zu bedienende Tools zur Erstellung von 3D Gaussian Splatting auf iOs, Android oder Web-Plattformen.
Mit diesen Apps können Sie diese Modelle schnell - etwa innerhalb von 30 Minuten - und kostengünstig erstellen. Sie sind ein praktisches Werkzeug für Online-Verkäufer, die ihre Produkte in 3D präsentieren möchten, sowie für Filmemacher, die ihren Szenen eine zusätzliche Ebene von Tiefe und Realismus verleihen möchten.
Werfen Sie einen Blick auf diese Gauß-Splats-Aufnahme mit Polycam.
Schlussfolgerung
3D Gaussian Splatting ist mehr als nur eine zusätzliche Rendering-Technik; es stellt unser Verständnis von 3D-Rendering in Frage und verändert es. Mit seiner Fähigkeit, in Echtzeit zu arbeiten und hochwertige Ergebnisse zu erzielen, ist es eine Technologie, die Aufmerksamkeit erfordert. Wenn Sie sich für 3D-Grafik, Spieleentwicklung oder einen anderen Bereich interessieren, der hochwertiges Rendering in Echtzeit erfordert, sollten Sie Gaussian Splatting unbedingt in Betracht ziehen.
