PyTorch3D

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チュートリアル

  • 概要

3D演算子

  • メッシュのフィッティング
  • バンドル調整

レンダリング

  • テクスチャ付きメッシュのレンダリング
  • DensePoseメッシュのレンダリング
  • 色付き点群のレンダリング
  • レンダリングによるテクスチャ付きメッシュのフィッティング
  • 微分可能レンダリングによるカメラ位置の最適化
  • レイマーチングによるボリュームのフィッティング
  • レイマーチングによる簡略化されたNeRFのフィッティング

データローダー

  • ShapeNetCoreおよびR2N2用のデータローダー

Implicitron

  • implicitronを使用したカスタムボリューム関数のトレーニング
  • Implicitron設定システムの詳細
Google Colabで実行
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チュートリアルソースコードをダウンロード
In [ ]
# Copyright (c) Meta Platforms, Inc. and affiliates. All rights reserved.

レンダリングによるメッシュのフィッティング¶

このチュートリアルでは、次の方法を示します。

  • .objファイルからメッシュとテクスチャをロードする。
  • 複数の視点からテクスチャ付きメッシュをレンダリングすることにより、合成データセットを作成する
  • 微分可能なシルエットレンダリングを使用して、観測された合成画像にメッシュをフィッティングする
  • 微分可能なテクスチャ付きレンダリングを使用して、メッシュとそのテクスチャをフィッティングする

0. モジュールのインストールとインポート¶

torchとtorchvisionがインストールされていることを確認してください。 pytorch3dがインストールされていない場合は、次のセルを使用してインストールしてください。

In [ ]
import os
import sys
import torch
need_pytorch3d=False
try:
    import pytorch3d
except ModuleNotFoundError:
    need_pytorch3d=True
if need_pytorch3d:
    if torch.__version__.startswith("2.2.") and sys.platform.startswith("linux"):
        # We try to install PyTorch3D via a released wheel.
        pyt_version_str=torch.__version__.split("+")[0].replace(".", "")
        version_str="".join([
            f"py3{sys.version_info.minor}_cu",
            torch.version.cuda.replace(".",""),
            f"_pyt{pyt_version_str}"
        ])
        !pip install fvcore iopath
        !pip install --no-index --no-cache-dir pytorch3d -f https://dl.fbaipublicfiles.com/pytorch3d/packaging/wheels/{version_str}/download.html
    else:
        # We try to install PyTorch3D from source.
        !pip install 'git+https://github.com/facebookresearch/pytorch3d.git@stable'
In [ ]
import os
import torch
import matplotlib.pyplot as plt

from pytorch3d.utils import ico_sphere
import numpy as np
from tqdm.notebook import tqdm

# Util function for loading meshes
from pytorch3d.io import load_objs_as_meshes, save_obj

from pytorch3d.loss import (
    chamfer_distance, 
    mesh_edge_loss, 
    mesh_laplacian_smoothing, 
    mesh_normal_consistency,
)

# Data structures and functions for rendering
from pytorch3d.structures import Meshes
from pytorch3d.renderer import (
    look_at_view_transform,
    FoVPerspectiveCameras, 
    PointLights, 
    DirectionalLights, 
    Materials, 
    RasterizationSettings, 
    MeshRenderer, 
    MeshRasterizer,  
    SoftPhongShader,
    SoftSilhouetteShader,
    SoftPhongShader,
    TexturesVertex
)

# add path for demo utils functions 
import sys
import os
sys.path.append(os.path.abspath(''))

Google Colabを使用している場合は、画像グリッドをプロットするためのユーティリティファイルをフェッチします。

In [ ]
!wget https://raw.githubusercontent.com/facebookresearch/pytorch3d/main/docs/tutorials/utils/plot_image_grid.py
from plot_image_grid import image_grid

または、ローカルで実行している場合は、以下のセルのコメントを外して実行します。

In [ ]
#  from utils.plot_image_grid import image_grid

1. メッシュとテクスチャファイルのロード¶

.objファイルとそれに関連付けられた.mtlファイルをロードし、TexturesおよびMeshesオブジェクトを作成します。

Meshesは、PyTorch3Dで提供されている、さまざまなサイズのメッシュのバッチを操作するための独自のデータ構造です。

TexturesVertexは、メッシュに関する頂点RGBテクスチャ情報を格納するための補助的なデータ構造です。

Meshesには、レンダリングパイプライン全体で使用されるいくつかのクラスメソッドがあります。

Google Colabを使用してこのノートブックを実行する場合は、次のセルを実行して、メッシュobjファイルとテクスチャファイルをフェッチし、data/cow_meshパスに保存します。ローカルで実行している場合は、データはすでに正しいパスにあります。

In [ ]
!mkdir -p data/cow_mesh
!wget -P data/cow_mesh https://dl.fbaipublicfiles.com/pytorch3d/data/cow_mesh/cow.obj
!wget -P data/cow_mesh https://dl.fbaipublicfiles.com/pytorch3d/data/cow_mesh/cow.mtl
!wget -P data/cow_mesh https://dl.fbaipublicfiles.com/pytorch3d/data/cow_mesh/cow_texture.png
In [ ]
# Setup
if torch.cuda.is_available():
    device = torch.device("cuda:0")
    torch.cuda.set_device(device)
else:
    device = torch.device("cpu")

# Set paths
DATA_DIR = "./data"
obj_filename = os.path.join(DATA_DIR, "cow_mesh/cow.obj")

# Load obj file
mesh = load_objs_as_meshes([obj_filename], device=device)

# We scale normalize and center the target mesh to fit in a sphere of radius 1 
# centered at (0,0,0). (scale, center) will be used to bring the predicted mesh 
# to its original center and scale.  Note that normalizing the target mesh, 
# speeds up the optimization but is not necessary!
verts = mesh.verts_packed()
N = verts.shape[0]
center = verts.mean(0)
scale = max((verts - center).abs().max(0)[0])
mesh.offset_verts_(-center)
mesh.scale_verts_((1.0 / float(scale)));

2. データセットの作成¶

牛の複数の視点をエンコードするさまざまなカメラ位置をサンプリングします。テクスチャマップ補間を実行するシェーダーを使用してレンダラーを作成します。複数の視点からのテクスチャ付き牛メッシュの画像の合成データセットをレンダリングします。

In [ ]
# the number of different viewpoints from which we want to render the mesh.
num_views = 20

# Get a batch of viewing angles. 
elev = torch.linspace(0, 360, num_views)
azim = torch.linspace(-180, 180, num_views)

# Place a point light in front of the object. As mentioned above, the front of 
# the cow is facing the -z direction. 
lights = PointLights(device=device, location=[[0.0, 0.0, -3.0]])

# Initialize an OpenGL perspective camera that represents a batch of different 
# viewing angles. All the cameras helper methods support mixed type inputs and 
# broadcasting. So we can view the camera from the a distance of dist=2.7, and 
# then specify elevation and azimuth angles for each viewpoint as tensors. 
R, T = look_at_view_transform(dist=2.7, elev=elev, azim=azim)
cameras = FoVPerspectiveCameras(device=device, R=R, T=T)

# We arbitrarily choose one particular view that will be used to visualize 
# results
camera = FoVPerspectiveCameras(device=device, R=R[None, 1, ...], 
                                  T=T[None, 1, ...]) 

# Define the settings for rasterization and shading. Here we set the output 
# image to be of size 128X128. As we are rendering images for visualization 
# purposes only we will set faces_per_pixel=1 and blur_radius=0.0. Refer to 
# rasterize_meshes.py for explanations of these parameters.  We also leave 
# bin_size and max_faces_per_bin to their default values of None, which sets 
# their values using heuristics and ensures that the faster coarse-to-fine 
# rasterization method is used.  Refer to docs/notes/renderer.md for an 
# explanation of the difference between naive and coarse-to-fine rasterization. 
raster_settings = RasterizationSettings(
    image_size=128, 
    blur_radius=0.0, 
    faces_per_pixel=1, 
)

# Create a Phong renderer by composing a rasterizer and a shader. The textured 
# Phong shader will interpolate the texture uv coordinates for each vertex, 
# sample from a texture image and apply the Phong lighting model
renderer = MeshRenderer(
    rasterizer=MeshRasterizer(
        cameras=camera, 
        raster_settings=raster_settings
    ),
    shader=SoftPhongShader(
        device=device, 
        cameras=camera,
        lights=lights
    )
)

# Create a batch of meshes by repeating the cow mesh and associated textures. 
# Meshes has a useful `extend` method which allows us do this very easily. 
# This also extends the textures. 
meshes = mesh.extend(num_views)

# Render the cow mesh from each viewing angle
target_images = renderer(meshes, cameras=cameras, lights=lights)

# Our multi-view cow dataset will be represented by these 2 lists of tensors,
# each of length num_views.
target_rgb = [target_images[i, ..., :3] for i in range(num_views)]
target_cameras = [FoVPerspectiveCameras(device=device, R=R[None, i, ...], 
                                           T=T[None, i, ...]) for i in range(num_views)]

データセットを可視化します

In [ ]
# RGB images
image_grid(target_images.cpu().numpy(), rows=4, cols=5, rgb=True)
plt.show()

このチュートリアルの後半で、レンダリングされたRGB画像と、牛のシルエットだけの画像にメッシュをフィッティングします。後者の場合、シルエット画像のデータセットをレンダリングします。PyTorch3Dのほとんどのシェーダーは、RGBA画像の4番目のチャネルとしてRGB画像とともにアルファチャネルを出力します。アルファチャネルは、各ピクセルがオブジェクトの前景に属する確率をエンコードします。このアルファチャネルをレンダリングするためのソフトシルエットシェーダーを構築します。

In [ ]
# Rasterization settings for silhouette rendering  
sigma = 1e-4
raster_settings_silhouette = RasterizationSettings(
    image_size=128, 
    blur_radius=np.log(1. / 1e-4 - 1.)*sigma, 
    faces_per_pixel=50, 
)

# Silhouette renderer 
renderer_silhouette = MeshRenderer(
    rasterizer=MeshRasterizer(
        cameras=camera, 
        raster_settings=raster_settings_silhouette
    ),
    shader=SoftSilhouetteShader()
)

# Render silhouette images.  The 3rd channel of the rendering output is 
# the alpha/silhouette channel
silhouette_images = renderer_silhouette(meshes, cameras=cameras, lights=lights)
target_silhouette = [silhouette_images[i, ..., 3] for i in range(num_views)]

# Visualize silhouette images
image_grid(silhouette_images.cpu().numpy(), rows=4, cols=5, rgb=False)
plt.show()

3. シルエットレンダリングによるメッシュ予測¶

前のセクションでは、牛の複数の視点の画像のデータセットを作成しました。このセクションでは、グランドトゥルースの牛メッシュに関する知識なしに、これらのターゲット画像を観察することによりメッシュを予測します。カメラと照明の位置はわかっていると仮定します。

最初に、メッシュ予測の結果を視覚化するためのヘルパー関数を定義します。

In [ ]
# Show a visualization comparing the rendered predicted mesh to the ground truth 
# mesh
def visualize_prediction(predicted_mesh, renderer=renderer_silhouette, 
                         target_image=target_rgb[1], title='', 
                         silhouette=False):
    inds = 3 if silhouette else range(3)
    with torch.no_grad():
        predicted_images = renderer(predicted_mesh)
    plt.figure(figsize=(20, 10))
    plt.subplot(1, 2, 1)
    plt.imshow(predicted_images[0, ..., inds].cpu().detach().numpy())

    plt.subplot(1, 2, 2)
    plt.imshow(target_image.cpu().detach().numpy())
    plt.title(title)
    plt.axis("off")

# Plot losses as a function of optimization iteration
def plot_losses(losses):
    fig = plt.figure(figsize=(13, 5))
    ax = fig.gca()
    for k, l in losses.items():
        ax.plot(l['values'], label=k + " loss")
    ax.legend(fontsize="16")
    ax.set_xlabel("Iteration", fontsize="16")
    ax.set_ylabel("Loss", fontsize="16")
    ax.set_title("Loss vs iterations", fontsize="16")

球メッシュから始めて、予測されたメッシュシルエットが各最適化ステップでターゲットシルエット画像により類似するように、各頂点のオフセットを学習します。最初に、初期の球メッシュをロードします。

In [ ]
# We initialize the source shape to be a sphere of radius 1.  
src_mesh = ico_sphere(4, device)

予測されたメッシュのシルエットをレンダリングするための新しい微分可能レンダラーを作成します

In [ ]
# Rasterization settings for differentiable rendering, where the blur_radius
# initialization is based on Liu et al, 'Soft Rasterizer: A Differentiable 
# Renderer for Image-based 3D Reasoning', ICCV 2019
sigma = 1e-4
raster_settings_soft = RasterizationSettings(
    image_size=128, 
    blur_radius=np.log(1. / 1e-4 - 1.)*sigma, 
    faces_per_pixel=50, 
)

# Silhouette renderer 
renderer_silhouette = MeshRenderer(
    rasterizer=MeshRasterizer(
        cameras=camera, 
        raster_settings=raster_settings_soft
    ),
    shader=SoftSilhouetteShader()
)

ターゲットシルエットにメッシュを反復的にフィッティングするために使用される設定、損失、およびオプティマイザーを初期化します

In [ ]
# Number of views to optimize over in each SGD iteration
num_views_per_iteration = 2
# Number of optimization steps
Niter = 2000
# Plot period for the losses
plot_period = 250

%matplotlib inline

# Optimize using rendered silhouette image loss, mesh edge loss, mesh normal 
# consistency, and mesh laplacian smoothing
losses = {"silhouette": {"weight": 1.0, "values": []},
          "edge": {"weight": 1.0, "values": []},
          "normal": {"weight": 0.01, "values": []},
          "laplacian": {"weight": 1.0, "values": []},
         }

# Losses to smooth / regularize the mesh shape
def update_mesh_shape_prior_losses(mesh, loss):
    # and (b) the edge length of the predicted mesh
    loss["edge"] = mesh_edge_loss(mesh)
    
    # mesh normal consistency
    loss["normal"] = mesh_normal_consistency(mesh)
    
    # mesh laplacian smoothing
    loss["laplacian"] = mesh_laplacian_smoothing(mesh, method="uniform")

# We will learn to deform the source mesh by offsetting its vertices
# The shape of the deform parameters is equal to the total number of vertices in
# src_mesh
verts_shape = src_mesh.verts_packed().shape
deform_verts = torch.full(verts_shape, 0.0, device=device, requires_grad=True)

# The optimizer
optimizer = torch.optim.SGD([deform_verts], lr=1.0, momentum=0.9)

球メッシュからターゲット画像のシルエットと一致するメッシュになるように、予測されたメッシュを反復的に改善するための最適化ループを作成します

In [ ]
loop = tqdm(range(Niter))

for i in loop:
    # Initialize optimizer
    optimizer.zero_grad()
    
    # Deform the mesh
    new_src_mesh = src_mesh.offset_verts(deform_verts)
    
    # Losses to smooth /regularize the mesh shape
    loss = {k: torch.tensor(0.0, device=device) for k in losses}
    update_mesh_shape_prior_losses(new_src_mesh, loss)
    
    # Compute the average silhouette loss over two random views, as the average 
    # squared L2 distance between the predicted silhouette and the target 
    # silhouette from our dataset
    for j in np.random.permutation(num_views).tolist()[:num_views_per_iteration]:
        images_predicted = renderer_silhouette(new_src_mesh, cameras=target_cameras[j], lights=lights)
        predicted_silhouette = images_predicted[..., 3]
        loss_silhouette = ((predicted_silhouette - target_silhouette[j]) ** 2).mean()
        loss["silhouette"] += loss_silhouette / num_views_per_iteration
    
    # Weighted sum of the losses
    sum_loss = torch.tensor(0.0, device=device)
    for k, l in loss.items():
        sum_loss += l * losses[k]["weight"]
        losses[k]["values"].append(float(l.detach().cpu()))

    
    # Print the losses
    loop.set_description("total_loss = %.6f" % sum_loss)
    
    # Plot mesh
    if i % plot_period == 0:
        visualize_prediction(new_src_mesh, title="iter: %d" % i, silhouette=True,
                             target_image=target_silhouette[1])
        
    # Optimization step
    sum_loss.backward()
    optimizer.step()
In [ ]
visualize_prediction(new_src_mesh, silhouette=True, 
                     target_image=target_silhouette[1])
plot_losses(losses)

3. テクスチャ付きレンダリングによるメッシュとテクスチャの予測¶

予測されたレンダリングされたRGB画像をターゲット画像と比較することに基づいて追加の損失を追加すると、メッシュとそのテクスチャの両方を予測できます。前と同様に、球メッシュから開始します。球メッシュの各頂点について、並進オフセットとRGBテクスチャ色の両方を学習します。損失はシルエットだけでなく、レンダリングされたRGBピクセル値に基づいているため、SoftSilhouetteShaderではなくSoftPhongShaderを使用します。

In [ ]
# Rasterization settings for differentiable rendering, where the blur_radius
# initialization is based on Liu et al, 'Soft Rasterizer: A Differentiable 
# Renderer for Image-based 3D Reasoning', ICCV 2019
sigma = 1e-4
raster_settings_soft = RasterizationSettings(
    image_size=128, 
    blur_radius=np.log(1. / 1e-4 - 1.)*sigma, 
    faces_per_pixel=50, 
    perspective_correct=False, 
)

# Differentiable soft renderer using per vertex RGB colors for texture
renderer_textured = MeshRenderer(
    rasterizer=MeshRasterizer(
        cameras=camera, 
        raster_settings=raster_settings_soft
    ),
    shader=SoftPhongShader(device=device, 
        cameras=camera,
        lights=lights)
)

ターゲットRGB画像にメッシュを反復的にフィッティングするために使用される設定、損失、およびオプティマイザーを初期化します

In [ ]
# Number of views to optimize over in each SGD iteration
num_views_per_iteration = 2
# Number of optimization steps
Niter = 2000
# Plot period for the losses
plot_period = 250

%matplotlib inline

# Optimize using rendered RGB image loss, rendered silhouette image loss, mesh 
# edge loss, mesh normal consistency, and mesh laplacian smoothing
losses = {"rgb": {"weight": 1.0, "values": []},
          "silhouette": {"weight": 1.0, "values": []},
          "edge": {"weight": 1.0, "values": []},
          "normal": {"weight": 0.01, "values": []},
          "laplacian": {"weight": 1.0, "values": []},
         }

# We will learn to deform the source mesh by offsetting its vertices
# The shape of the deform parameters is equal to the total number of vertices in 
# src_mesh
verts_shape = src_mesh.verts_packed().shape
deform_verts = torch.full(verts_shape, 0.0, device=device, requires_grad=True)

# We will also learn per vertex colors for our sphere mesh that define texture 
# of the mesh
sphere_verts_rgb = torch.full([1, verts_shape[0], 3], 0.5, device=device, requires_grad=True)

# The optimizer
optimizer = torch.optim.SGD([deform_verts, sphere_verts_rgb], lr=1.0, momentum=0.9)

球メッシュからターゲット画像と一致するメッシュになるように、予測されたメッシュとその頂点色を反復的に改善するための最適化ループを作成します

In [ ]
loop = tqdm(range(Niter))

for i in loop:
    # Initialize optimizer
    optimizer.zero_grad()
    
    # Deform the mesh
    new_src_mesh = src_mesh.offset_verts(deform_verts)
    
    # Add per vertex colors to texture the mesh
    new_src_mesh.textures = TexturesVertex(verts_features=sphere_verts_rgb) 
    
    # Losses to smooth /regularize the mesh shape
    loss = {k: torch.tensor(0.0, device=device) for k in losses}
    update_mesh_shape_prior_losses(new_src_mesh, loss)
    
    # Randomly select two views to optimize over in this iteration.  Compared
    # to using just one view, this helps resolve ambiguities between updating
    # mesh shape vs. updating mesh texture
    for j in np.random.permutation(num_views).tolist()[:num_views_per_iteration]:
        images_predicted = renderer_textured(new_src_mesh, cameras=target_cameras[j], lights=lights)

        # Squared L2 distance between the predicted silhouette and the target 
        # silhouette from our dataset
        predicted_silhouette = images_predicted[..., 3]
        loss_silhouette = ((predicted_silhouette - target_silhouette[j]) ** 2).mean()
        loss["silhouette"] += loss_silhouette / num_views_per_iteration
        
        # Squared L2 distance between the predicted RGB image and the target 
        # image from our dataset
        predicted_rgb = images_predicted[..., :3]
        loss_rgb = ((predicted_rgb - target_rgb[j]) ** 2).mean()
        loss["rgb"] += loss_rgb / num_views_per_iteration
    
    # Weighted sum of the losses
    sum_loss = torch.tensor(0.0, device=device)
    for k, l in loss.items():
        sum_loss += l * losses[k]["weight"]
        losses[k]["values"].append(float(l.detach().cpu()))
    
    # Print the losses
    loop.set_description("total_loss = %.6f" % sum_loss)
    
    # Plot mesh
    if i % plot_period == 0:
        visualize_prediction(new_src_mesh, renderer=renderer_textured, title="iter: %d" % i, silhouette=False)
        
    # Optimization step
    sum_loss.backward()
    optimizer.step()
In [ ]
visualize_prediction(new_src_mesh, renderer=renderer_textured, silhouette=False)
plot_losses(losses)

最終的な予測メッシュを保存します

4. 最終的な予測メッシュを保存する¶

In [ ]
# Fetch the verts and faces of the final predicted mesh
final_verts, final_faces = new_src_mesh.get_mesh_verts_faces(0)

# Scale normalize back to the original target size
final_verts = final_verts * scale + center

# Store the predicted mesh using save_obj
final_obj = os.path.join('./', 'final_model.obj')
save_obj(final_obj, final_verts, final_faces)

5. 結論¶

このチュートリアルでは、objファイルからテクスチャ付きメッシュをロードし、複数の視点からメッシュをレンダリングして合成データセットを作成する方法を学習しました。レンダリングされたシルエット損失に基づいて、観測されたデータセット画像にメッシュをフィッティングするための最適化ループを設定する方法を示しました。次に、レンダリングされたRGB画像に基づく追加の損失でこの最適化ループを拡張しました。これにより、メッシュとそのテクスチャの両方を予測できるようになりました。

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