Neural Radiance Field (NeRF) based 3D reconstruction is highly desirable for immersive Augmented and Virtual Reality (AR/VR) applications, but achieving instant (i.e., < 5 seconds) on-device NeRF training remains a challenge. In this work, we first identify the inefficiency bottleneck: the need to interpolate NeRF embeddings up to 200,000 times from a 3D embedding grid during each training iteration. To alleviate this, we propose Instant-3D, an algorithm-hardware co-design acceleration framework that achieves instant on-device NeRF training. Our algorithm decomposes the embedding grid representation in terms of color and density, enabling computational redundancy to be squeezed out by adopting different (1) grid sizes and (2) update frequencies for the color and density branches. Our hardware accelerator further reduces the dominant memory accesses for embedding grid interpolation by (1) mapping multiple nearby points' memory read requests into one during the feed-forward process, (2) merging embedding grid updates from the same sliding time window during back-propagation, and (3) fusing different computation cores to support the different grid sizes needed by the color and density branches of Instant-3D algorithm. Extensive experiments validate the effectiveness of Instant-3D, achieving a large training time reduction of 41x - 248x while maintaining the same reconstruction quality. Excitingly, Instant-3D has enabled instant 3D reconstruction for AR/VR, requiring a reconstruction time of only 1.6 seconds per scene and meeting the AR/VR power consumption constraint of 1.9 W.


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在计算机视觉中, 三维重建是指根据单视图或者多视图的图像重建三维信息的过程. 由于单视频的信息不完全,因此三维重建需要利用经验知识. 而多视图的三维重建(类似人的双目定位)相对比较容易, 其方法是先对摄像机进行标定, 即计算出摄像机的图象坐标系与世界坐标系的关系.然后利用多个二维图象中的信息重建出三维信息。 物体三维重建是计算机辅助几何设计(CAGD)、计算机图形学(CG)、计算机动画、计算机视觉、医学图像处理、科学计算和虚拟现实、数字媒体创作等领域的共性科学问题和核心技术。在计算机内生成物体三维表示主要有两类方法。一类是使用几何建模软件通过人机交互生成人为控制下的物体三维几何模型,另一类是通过一定的手段获取真实物体的几何形状。前者实现技术已经十分成熟,现有若干软件支持,比如:3DMAX、Maya、AutoCAD、UG等等,它们一般使用具有数学表达式的曲线曲面表示几何形状。后者一般称为三维重建过程,三维重建是指利用二维投影恢复物体三维信息(形状等)的数学过程和计算机技术,包括数据获取、预处理、点云拼接和特征分析等步骤。
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