Real-time Neural Radiance Talking Portrait Synthesis via Audio-spatial Decomposition学习笔记

Real-time Neural Radiance Talking Portrait Synthesis via Audio-spatial Decomposition

NeRF（Neural Radiance Field）即神经辐射场

要解决的主要问题：从图像中得到三维模型

什么是三维模型？

抽象来说，三维模型主要分为形状（shape）和外观（appearance），外观又可以粗略分为材质（material）和光照（lighting），在我们得到这些基础信息后，我们只需要经过一定的渲染算法，就能够得到图像。这个从模型到图像的正向过程我们就称之为渲染（rendering），而从图像得到模型这个逆向过程，我们称为反渲染（Inverse rendering）。

形状的表示法：

主流的表示法有以下四种，即网格（Mesh），点云（Point Cloud），占据场（Occupancy field），有向距离场（Signed distance field）。

当然，还有一些表示法，例如体素（voxel），多视图等等，不过多罗列在此，有兴趣可以自行查阅相关资料。

NeRF使用的形状表征方式叫soft shape，即从一片什么都没有的三维空间中，通过图像的需要逐步的创建三维物体。NeRF是在一条Ray上分出许多点，如下图所示：

这也是NeRF能从一众神经网络方法中脱颖而出的关键之一——以往的神经网络重建三维模型往往采用的是hard geometry而非soft geometry

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用soft的方法有两大好处：

①不需要使用对象分割掩码（object segmentation masks）

②没有边界不连续的（boundary discontinuity）问题，这意味着更易于做可微渲染

当然也有一些缺点，例如渲染成本高，编辑困难等等

对这种方法感兴趣的小伙伴可以自行阅读下列论文：

Yu A , Fridovich-Keil S , Tancik M , et al. Plenoxels: Radiance Fields without Neural Networks[J]. 2021.

Sun C , Sun M , Chen H T . Direct Voxel Grid Optimization: Super-fast Convergence for Radiance Fields Reconstruction[C]// 2021.

接下来会介绍一下NeRF中有关神经网络的部分：

我们可以利用神经网络把每张图片的各种映射关系拟合成一个函数，比如映射成颜色的函数，映射成是否occupy的函数，映射成光照密度（density）的函数等等。

但问题是神经网络表示的是有偏的（bias），通过神经网络可能无法得到高质量的结果，如下图所示，它更偏向于得到光滑（smooth）的结果，但我们期待的是得到锐利（sharp）的结果。因此NeRF提出了可以将图片映射成一种傅里叶特征（Fourier features）的函数，即用cos，sin的表示。下图可以看出来，结果相较之前有十分明显的提升。

我们把这种神经网络表示信号的方式称为神经场（Neural Fields）,这种表示方式有三大好处：

①每个三维模型大约只需要10MB就可以表示，利于传输

②场景不需要离散化（discretized）

③更加灵活且易于优化：例如在正则化方面更方便，泛化能力更强

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接下来介绍五类NeRF的拍摄场景，如下图所示：

①物体在中央，相机在四周拍摄，往往用于重建主体

②相机方向固定，在小范围移动

③类似全景图拍摄，相机在中间，朝各个方向拍摄，通常用于重建背景

④在固定空间内随机方向和分布拍摄

⑤是①和③的结合，既重建物体主体，又重建背景

NeRF主要需要解决的问题就是，在空间内重建近景时远景会模糊，反之重建远景的时候近景会模糊，我们期待得到在远处和近处都能重建出清晰的结果。

为了解决这一问题，NeRF++方法提出了一种解决方案，即将NeRF进行分解和组合，在近景（Foreground）和远景（Background）处都分别使用一个NeRF来进行表征，最后再组合（combined）到一起，如下图所示：

这里就用到了上文提到的第五种拍摄场景了，最终得到的效果也是十分不错的，如下图所示：

对具体细节感兴趣的小伙伴可以阅读下列论文：

Zhang K , Riegler G , Snavely N , et al. NeRF++: Analyzing and Improving Neural Radiance Fields[J]. 2020.

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接下来介绍NeRF的抗锯齿（anti-aliasing）问题：

抗锯齿问题是图形学中涉及到的经典的问题，即因为采样率问题导致图片走样的问题，因此NeRF也需要进行反走样的处理。

但是我们又不希望如传统NeRF那样通过在低分辨率下对结果进行降采样的方法抗锯齿，影响到高分辨率下的图像质量导致PSNR降低。因此MipNeRF采用了Positional Encoding的方式来将图像映射为sin，cos表征的傅里叶特征。如下图所示：

同时因为在低分辨率下的频谱很高，但采样频率不够高，不满足奈奎斯特采样定理，因此在MipNeRF中引入了一个低通滤波器（lowpass-filter），即对傅里叶函数进行低通的滤波，这个滤波器的大小取决于pixel的大小。

想要学习详细细节的可以查阅以下论文：

Jonathan T. Barron, Ben Mildenhall, Matthew Tancik, Peter Hedman, Ricardo Martin-Brualla, and Pratul P. Srinivasan. Mip-NeRF: A Multiscale Representation for Anti-Aliasing Neural Radiance Fields. In Proceedings of the IEEE/CVF International Conference on Computer Vision (ICCV), October 2021.

接下来介绍NeRF的可编辑(editable)问题：

使用NeRF技术可以将现实物体进行数字化，但在数字化的世界中，例如在VR/AR领域中，我们往往需要对三维物体进行进一步的编辑，例如编辑光照，编辑材质，甚至进行风格化或艺术化创作，这一问题一直是NeRF需要解决的。但是前文提到，NeRF采用的三维形状表征方式是不适用于编辑的，因此我们期待可以将其转化为易于编辑修改的Mesh进行表征。目前，一种名为IRON的神经反渲染管道被提出，它可以在光度图像上运行，并以三角形网格和材质纹理的格式输出高质量的3D内容，这些内容可以部署到现有的图形管道中。如下图所示：

RION优化过程中采用了神经表示来表示几何形状和材料，让三维物体更加灵活和紧凑，并同时IRON优化了SDF（有向距离场）：首先，使用体积辐射场方法进行优化，以恢复正确的拓扑结构，然后使用基于物理的边缘感知表面渲染进行进一步优化，以改善几何形状的细化和材料和照明的分离。

具体细节可以在arxiv查阅下列论文：

IRON: Inverse Rendering by Optimizing Neural SDFs and Materials from Photometric Images.

外观的表示法：

如下图所示，最常见的肯定还是材质纹理贴图+环境光照这种表示法，这种方法易于编辑修改，在渲染工作中用途十分广泛。但缺点是表示方法十分繁琐，不仅要对贴图进行映射，还分不同的表面对不同的光线进行求交。

然后就是辐射场（Radiance Field）或叫表面光场（Surface light filed），这种方法给出每个表面点（x，y，z）处不同的观察角度（θ，φ）的颜色（r，g，b）。用这种方式可以很方便的描述物体表面的颜色，反射，和阴影等效果。但缺点是不易于修改和编辑。

有兴趣的小伙伴可以参考下述论文：

Wood D N ,Azuma D I ,Aldinger K , et al. Surface light fields for 3D photography[C]// SIGGRAPH conference. 2000.

Abstract

While dynamic Neural Radiance Fields (NeRF) have shown success in high-fidelity 3D modeling of talking portraits, the slow training and inference speed severely obstruct their potential usage. In this paper, we propose an efficient NeRF-based framework that enables real-time synthesizing of talking portraits and faster convergence by leveraging the recent success of grid-based NeRF. Our key insight is to decompose the inherently high-dimensional talking portrait representation into three low-dimensional feature grids. Specifically, a Decomposed Audio-spatial Encoding Module models the dynamic head with a 3D spatial grid and a 2D audio grid. The torso is handled with another 2D grid in a lightweight Pseudo-3D Deformable Module. Both modules focus on efficiency under the premise of good rendering quality. Extensive experiments demonstrate that our method can generate realistic and audio-lips synchronized talking portrait videos, while also being highly efficient compared to previous methods.

（虽然动态神经辐射场 (NeRF) 在谈话肖像的高保真 3D 建模方面取得了成功，但缓慢的训练和推理速度严重阻碍了它们的潜在用途。 在本文中，我们提出了一种基于 NeRF 的高效框架，该框架可以利用最近成功的基于网格的 NeRF 来实时合成会说话的肖像并加快收敛速度。 我们的关键见解是将固有的高维谈话肖像表示分解为三个低维特征网格。 具体来说，分解的音频空间编码模块使用 3D 空间网格和 2D 音频网格对动态头部进行建模。 躯干由轻量级伪 3D 可变形模块中的另一个 2D 网格处理。 两个模块都注重在渲染质量好的前提下提高效率。 大量实验表明，我们的方法可以生成逼真的和有声同步的说话肖像视频，同时与以前的方法相比也非常高效。 请参见:)

Summary

挑战：

1. 如何用基于网格的NeRF有效地表示空间和音频信息仍然没有解决。通常，音频被编码为64维向量并被馈送到具有3D空间坐标的MLP中。然而，在用于线性插值的基于网格的设置中涉及音频的附加维度将导致指数计算复杂度增长。
2. 对不太复杂但同样重要的躯干部分进行有效建模对于逼真的肖像来说并非微不足道。先前的实践要么涉及另一个完整的3D辐射场[22]，要么学习纠缠的3D变形场[32]，这是过度和昂贵的。

工作：

​ 我们提出一个分解Audio-spatial编码模块分解的音频和空间表示为两个网格。当我们保持静态的三维空间坐标,音频动态编码的低维“坐标”。此外,而不是查询音频和在一个高维特征空间坐标网格,我们表明,他们可以分为两个独立的低维特征网格,这进一步降低了插值的成本。这种分解audio-spatial编码使一个有效的动态的头部特写建模。

至于躯干部分，我们研究其运动模式，以追求更低的计算成本。鉴于观察到拓扑结构的变化较少涉及躯干运动，我们提出了一个轻量级的伪三维变形模块模型的躯干与二维特征网格。将这两个模块与进一步的肖像特定NeRF加速设计相结合，我们的方法可以使用现代GPU实现实时推理速度。

贡献归纳：

• ·我们提出了一个分解的音频空间编码模块，以有效地建模固有的高维音频驱动的面部动态与两个低维特征网格。
• ·我们提出了一个轻量级的伪3D可变形模块，以进一步提高合成与头部运动同步的自然躯干运动的效率。
• ·我们的框架可以比以前的作品运行速度快500倍，渲染质量更好，并且还支持各种显式控制的说话肖像，如头部姿势，眨眼和背景图像。

图1所示。网络体系结构。头部与Audio-spatial分解编码模块建模。输入音频信号首先处理音频特征提取器(AFE)[22],然后压缩到一个低维spatial-dependent音频协调x a \mathbf{x}_axa​。分开两个分解网格编码器E s p a t i a l 3 , E a u d i o 2 E_{\mathrm{spatial}}^{3},E_{\mathrm{audio}}^{2}Espatial3​,Eaudio2​的空间坐标x \mathbf{x}x和音频坐标x a \mathbf{x}_axa​。空间特性f ff和g gg音频特性融合在一个延时产生头颜色c cc和密度σ \sigmaσ体绘制。Pseudo-3D变形的躯干建模模块。我们只有样品一个躯干每像素坐标x t x_txt​,和学习的躯干动力学模型的变形场依赖头部姿势p \mathcal{p}p。另一个网格编码器E t o s o r 2 E_{\mathrm{tosor}}^{2}Etosor2​躯干特性学习英国《金融时报》,这是美联储的躯干颜色ct和ααt延时。

损失函数:
Color : L color = ∑ C ∈ I ∣ ∣ C − C gt ∣ ∣ 2 2 Pixel Transparency : L entropy = − ∑ α ∈ I ( α log ⁡ α + ( 1 − α ) log ⁡ ( 1 − α ) ) Facial Region : L d y n a m i c = ∑ x a ∈ I ˉ f a c e ∣ x a ∣ Fine-tuning of the Lips : L fine-tune = ∑ C ∈ P ∣ ∣ C − C g l ∣ ∣ 2 2 + λ L P I P S ( P , P g t ) \text{Color}:\mathcal{L}_{\text{color}}=\sum_{\mathbf{C}\in\mathcal{I}}||\mathbf{C}-\mathbf{C}_{\text{gt}}||_2^2\\ \text{Pixel Transparency}:\mathcal{L}_{\text{entropy}}=-\sum_{\alpha\in\mathcal{I}}(\alpha\log\alpha+(1-\alpha)\log(1-\alpha))\\ \text{Facial Region}:\mathcal{L}_{\mathrm{dynamic}}=\sum_{\mathbf{x}_a\in\bar{\mathcal{I}}_{\mathrm{face}}}|\mathbf{x}_a|\\ \text{Fine-tuning of the Lips}:\mathcal{L}_{\text{fine-tune}}=\sum_{\mathbf{C}\in\mathcal{P}}||\mathbf{C}-\mathbf{C}_{\mathbb{gl}}||_2^2+\lambda\mathbf{LPIPS}(\mathcal{P},\mathcal{P}_{\mathbb{gt}})Color:Lcolor​=C∈I∑​∣∣C−Cgt​∣∣22​Pixel Transparency:Lentropy​=−α∈I∑​(αlogα+(1−α)log(1−α))Facial Region:Ldynamic​=xa​∈Iˉface​∑​∣xa​∣Fine-tuning of the Lips:Lfine-tune​=C∈P∑​∣∣C−Cgl​∣∣22​+λLPIPS(P,Pgt​)

我们使用每个像素的颜色C CC上的MSE损失来训练我们的网络;

熵正则化项用于促使像素透明度为0或1,其中α \alphaα是图像I \mathcal{I}I中每个像素的透明度;

音频条件应当仅影响面部区域。为了稳定动态建模，我们还提出了音频坐标上的L 1 L1L1正则化项,该项鼓励音频坐标x a \mathbf{x}_axa​在非面部区域“I f a c e \mathcal{I}_{\mathrm{face}}Iface​”处接近0，这有助于避免面部区域（如头发和耳朵）之外的意外颤动；

高质量的嘴唇对于使合成的肖像自然至关重要。实验发现，嘴唇的复杂结构信息仅通过逐像素MSE损失难以学习。因此，我们提出用贴片式结构损失来微调唇部区域，文章基于面部标志对嘴唇所在的图像块P \mathcal{P}P进行采样。然后，我们可以应用LPIPS损失与通过λ \lambdaλ平衡的MSE损失的组合来微调嘴唇区域；

Related Work

Audio-driven Talking Portrait Synthesis：

• 音频驱动的说话肖像合成旨在再现给定任意输入语音音频的特定人。已经提出了各种方法来实现逼真且良好同步的讲话肖像视频。
• 方法[6，7]定义了一组音素-嘴部对应规则，并使用基于缝合的技术来修改嘴部形状。深度学习通过合成与音频输入对应的图像来实现基于图像的方法。这些方法的一个限制是它们只能以固定分辨率生成图像，并且不能控制头部姿势。
• 另一个研究方向是基于模型的方法，其中使用面部地标和3D变形面部模型等结构表示来辅助说话肖像合成。然而，这些中间表示的估计可能引入额外的误差。

最近，一些工作[19，22，32，46]利用NeRF [36]来合成说话的肖像。基于NeRF的方法可以用较少的训练数据实现任意分辨率的真实感绘制，但目前音频驱动的说话人像合成的工作仍然受到缓慢的训练和推理速度。

Dynamic Modeling：

• 由于vanilla NeRF仅能够对静态场景进行建模，因此已经提出了许多不同的方法来对动态场景进行建模。
• 基于变形的方法旨在通过学习变形场沿着辐射场来将所有观察映射回正则空间。基于调制的方法直接在潜在代码上调节NeRF，该潜在代码可以表示时间或音频。这些方法更适合于涉及拓扑变化的复杂动力学建模，更适合于人脸动力学建模。

Efficiency：

• 为了加速渲染，最近的作品提出减小MLP的大小或完全去除它，并将3D场景特征存储在显式3D特征网格结构中。例如，DVGO [49]直接使用密集特征网格进行加速。Instant-NGP [37]采用多分辨率哈希表来控制模型大小。TensoRF [10]将密集的3D特征网格分解为紧凑的低秩张量分量。然而，这些基于网格的NeRF仅适用于静态场景。
• 作品[Fast dynamic radiance fields with time-aware neural voxels，Neural deformable voxel
  grid for fast optimization of dynamic view synthesis，Devrf: Fast deformable
  voxel radiance fields for dynamic scenes，Fourier plenoctrees for dynamic radiance field ren-
  dering in real-time.]将这些加速技术应用于动态NeRF，但基于变形或仅支持时间相关动态，这不适合音频驱动的说话肖像合成。相比之下，我们的方法是专为音频驱动的设置在说话的肖像合成。

Method

Preliminaries

Dynamic NeRF

在动态场景新视图合成方面，附加条件（即，需要当前时间t）。先前的方法通常经由两种方法来执行动态场景建模：

1. 基于变形的方法在每个位置和时间步长学习变形Δ x \Delta\mathbf{x}Δx：G : x , t → Δ x , \mathcal{G}:\mathbf{x},t\rightarrow\Delta\mathbf{x},G:x,t→Δx,其随后被添加到原始位置x \mathbf{x}x。
2. 基于调制的方法直接在时间上调节全光函数：F : x , d , t → σ , c . \mathcal{F}:\mathbf{x},\mathbf{d},t\rightarrow\sigma,\mathbf{c}.F:x,d,t→σ,c.。

由于基于变形的方法不擅长对拓扑变化（例如，嘴的张开和闭合），由于变形场的内在连续性[39]，我们选择基于调制的策略来对头部进行建模，并且选择基于变形的策略来对具有更简单的运动模式的躯干部分进行建模。

训练数据通常是由静态摄像机记录的具有同步音轨的3-5分钟特定场景视频。每个图像帧有三个主要的预处理步骤：（1）头部、颈部、躯干和背景部分的语义解析;（2）提取2D面部标志，包括眼睛和嘴唇;（3）面部跟踪以估计头部姿势参数。。对于音频处理，应用自动语音识别（ASR）模型以从音轨提取音频特征。基于头部姿势和音频条件，NeRF可以用于学习合成头部部分。由于躯干部分不在与头部部分相同的坐标系中，因此需要单独建模。

Grid-based NeRF

最近的基于网格的NeRF使用3D特征网格编码器E s p a t i a l 3  ⁣ : f = E s p a t i a l 3 ( x ) E_{\mathrm{spatial}}^{3}\colon\mathbf{f}=E_{\mathrm{spatial}}^{3}(\mathbf{x})Espatial3​:f=Espatial3​(x)，其中x ∈ R 3 \mathbf{x} \in R^3x∈R3是空间坐标，并且f ff是编码的空间特征。这种特征网格编码器用更便宜的线性插值来查询空间特征，从而显著提高训练和推理的效率。这使得可以实现静态3D场景的实时渲染速度。我们接受这个灵感，并将其扩展到编码动态说话人像合成所需的高维音频空间信息。

Decomposed Audio-spatial Encoding Module

Audio-spatial Decomposition

以前的隐式NeRF方法通常将音频信号编码为高维音频特征并将它们与空间特征连接。然而，将高维特征与基于网格的NeRF集成并不简单，因为线性插值的复杂性随着输入维度的增加而呈指数级增长。如果我们在网格编码器中直接使用高维级联的音频空间特征，那么它很快就变得计算上无法负担。因此，我们提出了两个设计，以减轻灾难的维度建模音频空间信息。

首先，我们将高维音频特征a压缩到低维音频坐标x a ∈ R D \mathbf{x}_a ∈ R^Dxa​∈RD中，其中维度D ∈ [ 1 ， 2 ， 3 ] D \in [1，2，3]D∈[1，2，3]很小。这是通过MLP以空间相关的方式实现的：x a = M L P （ a ， f ） \mathbf{x}_a = MLP（a，f）xa​=MLP（a，f）。我们在这里连接空间特征f ff，使得音频坐标显式地取决于空间位置。该操作使音频特征免于隐式地学习空间信息，这使得更紧凑的音频坐标成为可能。音频坐标受到HyperNeRF中环境坐标的可变形切片表面类型的启发，但与特征网格编码器集成以实现高效率。

第二，代替使用具有较高维度g = E 3 + D （ x ， x a ） \mathbf{g} = E^{3+D}（\mathbf{x}，\mathbf{x}_a）g=E3+D（x，xa​）的合成音频空间网格编码器，我们将其分解成具有较低维度的两个网格编码器以分别编码音频和空间坐标：f = E s p a t i a l 3 ( x ) ， g = E a u d i o D ( x a ) \mathbf{f}=E_{\mathrm{spatial}}^{3}(\mathbf{x})，\mathbf{g}=E_{\mathrm{audio}}^{D}({\mathbf{x}}_{a})f=Espatial3​(x)，g=EaudioD​(xa​)。这进一步将插值成本从2 3 + D 2^{3+D}23+D降低到2 3 + 2 D （ D ≥ 1 ） 2^3 + 2^D（D ≥ 1）23+2D（D≥1）。空间特征f ff和音频特征g gg可以在执行插值之后被级联。

Explicit Eye Control

眼球运动也是自然说话肖像合成的关键因素。然而，由于眨眼和音频信号之间没有强相关性，因此先前的方法经常忽略眼睛的控制，这导致像太快或半眨眼的伪影。我们提供了一种方法来显式地控制眨眼。如图2所示，我们基于2D面部标志计算整个图像中眼睛区域的百分比，并使用该比率（通常范围为0%至0.5%）作为一维眼睛特征e。我们在这个眼睛特征上调节NeRF网络，并表明这种简单的修改足以让模型通过普通的RGB损失来学习眼睛动态。在测试时，我们可以很容易地调整眼睛的百分比来控制眼睛眨眼。

图2.地标信息的示例。基于预测的2D面部标志，我们提取三个特征来辅助训练：用于动态正则化的面部区域I f a c e \mathcal{I}_{\mathrm{face}}Iface​、用于眼睛控制的眼睛比率e ee以及用于嘴唇微调的嘴唇贴片P \mathcal{P}P。

Overall Head Representation

连接空间特征f ff、音频特征g gg、眼睛特征e ee沿着潜在外观嵌入i ii ，使用小的MLP来产生密度和颜色：
c , σ = M L P ( f , g , e , i ) \mathbf{c},\sigma=\mathbf{M}\mathbf{LP}(\mathbf{f},\mathbf{g},e,\mathbf{i})c,σ=MLP(f,g,e,i)

Pseudo-3D Deformable Module

与头部相比，躯干部分几乎是静态的，仅包含轻微的运动而没有拓扑变化。以前的方法要么使用另一个全动态NeRF来建模躯干[22]，要么与头部一起学习纠缠变形场[32]。我们认为这些方法是多余的，并提出了一个更有效的伪3D可变形模块，如图1的下半部分所示。

我们的方法可以被视为基于变形的动态NeRF的2D版本。代替沿着每个相机射线对一系列点进行采样，我们仅需要从图像空间对一个像素坐标X t ∈ R 2 X_t \in R^2Xt​∈R2进行采样。变形以头部姿势p \mathcal{p}p为条件，使得躯干运动与头部运动同步。我们采用MLP来预测变形：Δ x = M L P ( X t , P ) \Delta \mathbf{x}=MLP(X_t,P)Δx=MLP(Xt​,P)。变形坐标被馈送到2D特征网格编码器以获得躯干功能：f t = E t o r s o 2 ( x t + Δ x ) . \mathbf{f}_{t}=E_{\mathrm{torso}}^{2}(\mathbf{x}_{t}+\Delta\mathbf{x}).ft​=Etorso2​(xt​+Δx).。另一个MLP用于生成躯干RGB颜色和Alpha值：
c t , α t = M L P ( f t , i t ) \mathbf{c}_t,\alpha_t=\mathbf{MLP}(\mathbf{f}_t,\mathbf{i}_t)ct​,αt​=MLP(ft​,it​)
其中i t i_tit​是引入更多模型容量的潜在外观嵌入。我们表明，这种基于变形的模块可以成功地模拟躯干动力学和合成自然躯干图像匹配的头部。更重要的是，通过2D特征网格的伪3D表示是非常轻量级和高效的。单独渲染的头部和躯干图像可以与任何提供的背景图像进行阿尔法合成，以获得最终的输出肖像图像。

Experiment