三維場(chǎng)景是構(gòu)建世界模型、具身智能等前沿科技的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

盡管Hunyuan3D、Rodin-v1.5、Tripo-v2.5等生成模型已在三維生成領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展，但其往往聚焦在物體級(jí)別內(nèi)容生成，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維場(chǎng)景的構(gòu)建。

清華大學(xué)聯(lián)合騰訊提出Scene Splatter——從一張圖像出發(fā)，基于自定義的相機(jī)軌跡探索三維場(chǎng)景。

基于視頻擴(kuò)散模型，創(chuàng)新性地從動(dòng)量的視角出發(fā)，引導(dǎo)視頻擴(kuò)散模型生成滿(mǎn)足三維一致性的視頻片段，大幅提升三維場(chǎng)景生成效果。

視頻生成模型的困境

基于單張圖片恢復(fù)三維場(chǎng)景是一個(gè)病態(tài)（ill-posed）問(wèn)題。

傳統(tǒng)三維重建方法依賴(lài)多視角圖像的匹配與計(jì)算，而在單張圖片的條件下，缺少幾何約束，使得重建的場(chǎng)景存在結(jié)構(gòu)扭曲、缺失和飄浮等問(wèn)題。

為了解決這一問(wèn)題，引入視頻擴(kuò)散模型強(qiáng)大的生成先驗(yàn)為場(chǎng)景補(bǔ)充多視角的信息，再利用成熟的多視角重建技術(shù)恢復(fù)三維場(chǎng)景，成為一條前景可觀的道路。

然而，受到視頻生成模型能力的制約，其生成內(nèi)容難以保持充分的三維一致性。

Flash3D為重建方法，未引入生成信息，存在失真和遮擋的問(wèn)題。

而CogVideo和ViewCrafter雖然具備生成能力，但會(huì)改變場(chǎng)景的顏色風(fēng)格和內(nèi)容。

動(dòng)量引導(dǎo)的視頻生成

由于現(xiàn)有方法普遍存在視頻長(zhǎng)度受限和場(chǎng)景一致性差的問(wèn)題，后續(xù)重建的過(guò)程中容易出現(xiàn)偽影與失真。

Scene Splatter受到動(dòng)量算法的啟發(fā)，構(gòu)建了級(jí)聯(lián)式的動(dòng)量引導(dǎo)視頻生成：

第一級(jí)是從原始特征中構(gòu)建噪聲樣本，作為動(dòng)量添加到去噪得到的特征中，通過(guò)自適應(yīng)的參數(shù)來(lái)控制動(dòng)量強(qiáng)度，以增強(qiáng)視頻細(xì)節(jié)并保持場(chǎng)景的一致性。

然而，再感知范圍覆蓋已知與未知區(qū)域的潛在特征中，這種基于潛空間的動(dòng)量會(huì)限制擴(kuò)散模型再未知區(qū)域的生成能力。

因此，第二級(jí)進(jìn)一步引入上述一致性強(qiáng)的視頻作為像素級(jí)動(dòng)量，將其與不含動(dòng)量直接生成的視頻融合，以更好地恢復(fù)未知區(qū)域信息。

通過(guò)這種級(jí)聯(lián)式動(dòng)量機(jī)制，Scene Splatter能夠引導(dǎo)視頻擴(kuò)散模型生成具有高保真度和一致性的多視角新視頻。

△Scene Splatter流程圖。

Scene Splatter首先利用高斯預(yù)測(cè)模型進(jìn)行場(chǎng)景初始化，隨后根據(jù)自定義的相機(jī)軌跡進(jìn)行渲染，并使用動(dòng)量引導(dǎo)的視頻模型生成高質(zhì)量視頻，基于視頻的多視角信息進(jìn)行重建。

得到多視角新視頻后，對(duì)全局高斯表示進(jìn)行微調(diào)，利用增強(qiáng)的視頻幀來(lái)優(yōu)化高斯表示，并在新視角進(jìn)行渲染，以支持后續(xù)的動(dòng)量更新。

通過(guò)逐步迭代，Scene Splatter可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三維場(chǎng)景的逐步恢復(fù)，突破視頻生成模型再長(zhǎng)度上的限制。

性能展示

△Scene Splatter在補(bǔ)全場(chǎng)景的同時(shí)保持三維一致性。

通過(guò)在不同圖像風(fēng)格和相機(jī)軌跡上的實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)。Flash3D從單輸入中無(wú)法獲得明確的幾何線(xiàn)索，導(dǎo)致第1行第2列中的桌子和椅子出現(xiàn)變形。此外，它也無(wú)法恢復(fù)未見(jiàn)區(qū)域，這在第4行第2列的縮放設(shè)置中很明顯。

ViewCrafte和CogVideoX可以增強(qiáng)輸入幀，但存在場(chǎng)景不一致的問(wèn)題，這導(dǎo)致進(jìn)一步重建時(shí)出現(xiàn)沖突。例如，第1行中CogVideoX生成的椅子與輸入圖像不同，第3行中ViewCrafter改變了場(chǎng)景的顏色風(fēng)格。

而Scene Splatter可以在保持場(chǎng)景一致性的同時(shí)提供高質(zhì)量的觀察結(jié)果。從卡通到真實(shí)圖像，從室內(nèi)到室外場(chǎng)景的各種輸入風(fēng)格，均可以很好地平衡模型的生成能力與一致性。

△Scene Splatter支持任意相機(jī)軌跡的場(chǎng)景探索。

此外，模型能夠很好地泛化到不同的相機(jī)軌跡中，支持任意視角軌跡的三維探索。

△Scene Splatter消融研究的可視化結(jié)果。

通過(guò)消融實(shí)驗(yàn)，可以看出，在沒(méi)有任何生成先驗(yàn)知識(shí)的情況下，Scene Splatter會(huì)退化為Flash3D，其中第5列的渲染結(jié)果在幾何形狀上存在扭曲，因?yàn)樵趩文吭O(shè)置下深度估計(jì)并非完全監(jiān)督。這個(gè)問(wèn)題導(dǎo)致PSNR降低了3.67dB，SSIM降低了0.126。

第3列顯示，缺乏潛在層動(dòng)量會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)有組件發(fā)生變化，表明潛在層動(dòng)量能夠保持場(chǎng)景一致性。

移除Scene Splatter的像素級(jí)動(dòng)量，發(fā)現(xiàn)缺乏像素級(jí)動(dòng)量限制了擴(kuò)散模型的生成能力，導(dǎo)致PSNR降低了3.5dB，SSIM降低了0.111。

論文：https://arxiv.org/abs/2504.02764

代碼：https://github.com/shengjun-zhang/Scene-Splatter