「过拟合」也能废物利用了：有人用它高清重建3D物体表面，参数减少99%

鱼羊 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

听到过拟合三个字，大部分机器学习研究者都会如临大敌。

毕竟没有人会希望自家模型崽崽，脱离了题集范围就不会考试了。

但现在，多伦多大学和麦吉尔大学的一项最新研究表明，过拟合也并非一无是处。

比如在重建3D物体外观上，过拟合神经网络就有奇效。

用过拟合神经网络重塑物体形状

有向距离场SDF（signed distance field）是计算机图形学中，常见的一种隐式曲面表示方法。

可以无损放大渲染字体：

还能实现极具真实感的的着色和光照效果：

不过，如果要用SDF来存储具有复杂细节的物体外观，则将面临无法进行扩展的问题。

此前已有研究证明，神经网络是3D物体SDF的有效近似。于是，多伦多大学和麦吉尔大学的研究人员们开了个脑洞：

能不能带有目的性地去过拟合一个单一3D物体表面的SDF表示？

换句话说，就是能否让过拟合神经网络，作为一种隐式形状表示，来高精度重建3D物体的外观？

这个可以有。

网络结构

研究人员们首先打造了一个N层前馈全连接网络，其隐藏层大小为H，隐藏层激活函数为ReLU，而输出层则由TanH激活。

需要注意的是，虽然增大网络深度和宽度会得到更好的结果，但也会使得内存占用和渲染时间倍增。

经过测试，研究人员发现当N为8，H为32时，网络能在重建精度、渲染速度和内存占用之间取得良好的平衡。

这一架构与前辈方法DeepSDF的默认架构相比，参数数量减少了99%，渲染第一帧的速度加快了93%，仅需要64kB内存，同时重建质量的损失仍在可接受范围之内。

网络的输入为给定对象的SDF点样本，输出则为网络预测的每个输入点的有向距离。

研究人员将这一网络结构命名为OVERFITSDF。

采样策略和损失函数

为了让过拟合神经网络能在相同的存储成本下，实现更高的精度。研究人员还精心设计了采样策略和损失函数。

在采样策略上，研究人员没有采用随机采样的方案，而是集中关注对边界转换更具「信息量」的点。

具体而言，就是根据点到输入形状表面的距离，来进行采样。

而在损失函数方面，研究人员采用简单的最小绝对偏差（L1）作为损失函数。他们发现，与平方误差（L2）相比，其表面重建效果会更好。

该方法根据重要性度量w(x)，对损失函数进行缩放，这样重要性小的训练样本对损失的影响也就较小。

如此，就可以赋予指定区域（如更接近表面的样本点）更高的影响权重。也能够根据需求提高局部区域的重建精度。

有向距离

另外，研究人员采用广义缠绕数而非法线来标记距离方向，这样就能够处理带有自交点、开放边界、非流形的网格，在补习生网格真实拓扑结构的情况下，大大降低了模型的复杂性。

实验结果

那么，用OVERFITSDF替代真实的SDF，效果究竟如何呢？

实验证明，此前的SOTA方法DeepSDF的重建质量，会因为几何结构没有对齐到默认方向而受到明显影响。

但OVERFITSDF无论方向如何，都会收敛到相同的精度。

而在同样的内存预算下，无论是和原始三角形网格（下图左）相比，还是和统一有向距离网格（下图中）相比，该方法（下图右）都具有更强的表现力。

传送门

论文地址：
https://arxiv.org/abs/2009.09808

— 完 —

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