scene generation + refinement

Motivation

• Traditional scene graph based image generation (e.g. [CVPR2018] sg2im)
  • 在image space中建模物体关系(而不是scene space)
  • 没有显式的3D物体概念（只有像素）
• Layout Generation (e.g. [SIGGRAPH2018] Deep Convolutional Priors for Indoor Scene Synthesis)
  • no spatial-conditioning
  • auto-regressive 自回归 (slow)
    • Q: what?
      A: 第n+1个物体的属性depend on 前n个物体的属性；序列化的结构
• 核心issues
  • scene space下的3D关系
  • 解耦的布局、形状、图像构成
  • 基于2.5D+语义目标的object locations的refinement
    • Q: what?
      A: 朝着一个target 图片/语义分割图 来用auto-decoder的形式 优化出layout

主要贡献

• 3D-SLN model 可以从一个scene graph生成 diverse and accurate scene layouts
• 3D scene layouts 可以用 2.5D+语义信息 finetune
• 应用展示：scene graph based layout synthesis + exemplar based image synthesis

数据集/数据特征/数据定义

• 物体3D model 是直接从SUNCG数据集中 retrive的；选择类别内最相似的bbox
• scene graph定义：==与我们类似==
  • scene graph y由一组triplets构成， $(o_i, p, o_j)$
  • $o_i$ 代表第i-th物体的type(索引embedding) + attributes(索引embedding), $p$ 代表空间关系(索引embedding)
• 本文中layout的数据结构/物理含义：
  • each element $y_i$ in layout $y$ 定义是一个 7-tuple，代表物体的bbox和竖直轴旋转： $y_i=(\min_{X_i}, \min_{Y_i}, \min_{Z_i}, \max_{X_i}, \max_{Y_i}, \max_{Z_i}, \omega_i )$
• 本文中latent space的定义：
  • [box_emdding, angle_ambedding] (因为是VAE，所以还分了mean, var)

主要组件

• conditional (on scene graph) layout synthesizer
  • 产生的而是3D scene layout；
    每个物体都有3D bbox + 竖直轴旋转
  • 把传统2D scene graph数据增强为3D scene graph，把每个物体关系编码到三维空间
  • 虽然是一个encoder-decoder结构，但是generate过程其实就用不到encoder了，decoder才是关键
• 集成了一个differentiable renderer来只用scene的2D投影来refine 最终的layout
  • 给定一张semantics map和depth map，可微分渲染器来 optimize over the synthesized layout去 拟合 给定的输入，通过 analysis-by-synthesis fashion
  • 其实就是一个auto-decoder结构，通过整个可微分通路，把sample出的layout latent反向传播最优化更新（文中称之为"refinement"/“fine tune”/“generate a layout toward a target layout”）

layout generator的网络架构

测试 时，scene graph + 从一个learned distribution 采样latent code => generate scene layout 训练 时，input scene graph + GT layout 先通过encoder提取出其layout latent (学出一个distribution)，然后用提取出的layout latent + input scene graph 生成predicted layout

encoder

graph LR
	subgraph scene_graph[input scene graph]
	relationships["relationships<br>(索引)"]
	obj_type["object types<br>(索引，per-object)"]
	obj_attr["object attributes<br>(索引，per-object)"]
	end
	subgraph encoder
	obj_vecs
	angle_vecs
	pred_vecs
	boxes_vecs
	new_obj_vecs[object vector after GCN]
	GCN((GCN))
	obj_vecs --> obj_vecs2
	boxes_vecs --> obj_vecs2
	angle_vecs --> obj_vecs2
	obj_vecs2 --> GCN
	pred_vecs --> GCN
	GCN --> new_obj_vecs
	new_obj_vecs -- box_mean_var --> bbox_latent
	new_obj_vecs -- angle_mean_var --> angle_latent
	end
	subgraph gt_layout["ground truth layout<br>(per-object)"]
	bbox_gt["min_x<br>min_y<br>min_z<br>max_x<br>max_y<br>max_z"]
	angles_gt["angle"]
	end
	obj_type -- nn.Embedding --> obj_vecs
	obj_attr -- nn.Embedding --> obj_vecs
	relationships -- nn.Embedding --> pred_vecs
	angles_gt -- nn.Embedding --> angle_vecs
	bbox_gt -- nn.Linear --> boxes_vecs
	z["z [mean, var]<br>(per-object)"]
	bbox_latent --> z
	angle_latent --> z

decoder

• 注意：sample到的z拼接到obj_vecs有两种可选方式
  • 可以先把z拼接到GCN之前的object vectors，然后GCN
  • 也可以先GCN然后再把z拼接到GCN之后的object vectors

graph LR
	subgraph scene_graph[input scene graph]
	obj_type["object types (索引, per-object)"]
	obj_attr["object attributes (索引, per-object)"]
	relationships["relationships (索引)"]
	end
	subgraph layout_latent[layout latent code]
	bbox_emb["bbox embedding<br>48维隐向量<br>(per-object)"]
	angle_emb["rotation embedding<br>16维隐向量<br>(per-object)"]
    z["z [mean, var]<br>(per-object)"]
    bbox_emb --> z
    angle_emb --> z
	end
	subgraph decoder
	edge_emb[edge vector]
	GCN(("GCN"))
	obj_vecs[object vector]
	new_obj_vecs[object vectors after GCN]
	edge_emb --> GCN
	obj_vecs --> GCN
	GCN --> new_obj_vecs
	end
    z -."sample <br><br>(可能的拼接位置1)".-> obj_vecs
    z -."sample <br><br>(可能的拼接位置2)".-> new_obj_vecs
    obj_type -- nn.Embedding --> obj_vecs
    obj_attr -- nn.Embedding --> obj_vecs
    relationships -- nn.Embedding --> edge_emb
    layout["layout(per-object) <br>[min_x<br>min_y<br>min_z<br>max_x<br>max_y<br>max_z<br>angle]"]
	new_obj_vecs -- box_net --> layout
	new_obj_vecs -- angle_net --> layout

refinement (finetune) 过程

类似auto-decoder结构； 通过整个可微分通路，把sample出的layout latent反向传播最优化更新（文中称之为"refinement"/“fine tune”/“generate a layout toward a target layout”）

效果

• 2.5D vs. 2D
  • 
• diverse layout from the same scene graph
  • 
• diverse layout generation
  • 

编者按

• 
• 对比之前的只能在地上放东西的方法，本篇还可以生成墙上、天花板上的东西，而且整体的真实性得到提到
• 3D_SLN的被引
• 笔者评价：
  • 手动选择关系族确实会biased，但像这篇这样直接用隐式的transformer捕捉场景的pattern也不合适。它相当于把各种物体的信息全部揉在了一团；如果在场景中添加一个新种类的物体，模型就"傻眼"了、不可适用了；
    • 比如你的数据集卧室里只有床、枕头、柜子，有人就是要往卧室摆个电视机，你能怎么办？或者用户新购买了一种模型在各种屋子都没见过的家具怎么办？如果是本篇的方法，对于这种级别的修改，要在新数据集上**重新训练整个**模型，这显然是不合理、有违自然的；因为新添加的物体种类只是一种增量式的更新，已经学到的知识应该是保留的。
  • 比较合适的思路，应该是逐pair、逐category地考虑、建模、构建关系；
    • 关系的种类数 $N$ 不应是个定值；甚至可能不是一个有穷值；关系的划分，可能也不是离散的，而是连续的？是一个此起彼伏的概率密度函数？

Motivation

• 任务描述：
  • indoor scene generation: to generate a sequence of objects, their locations and orientations conditioned on the shape and size of a room.
    室内场景生成任务：生成一个物体序列，包括物体的位置、朝向，conditioned on 房间的形状和大小
  • 现存的大规模室内场景数据集，使得我们可以从user-defined indoor scenes中提取出pattern，然后基于这些pattern生成新的场景
  • 未来用处：生成虚拟的室内场景对于内饰供应商有商业价值：可以在AR,VR平台向用户展示，用户可以interactively modify it
• 现有的方法，除了物体的位置之外，还：
  • 依赖于这些场景的2D或3D外观
  • 并且对物体之间的关系做出假设
    • 目前有一些需要用到物体关系标注的方法，假定一族固定的、手动设计的物体之间的关系
    • 本篇用transformer机制，直接从物体的raw locations和orientations来提取pattern，避免由于手动选择关系引入的bias
      • 意思就是把pattern当成纯隐的来提取；
      • 一个直接的例子，比如沙发和电视之间的对应 $\Delta pose$ 关系，就比较隐式，文中的方法可以很好的生成
• 本篇 不使用任何外观信息，并且利用transformer机制自己学出来物体之间的关系
• 只需要输入 (空)房间的形状，还有房间的文字描述，然后就可以生成整个房间

dataset

• large object and scene datasets: ModelNet, ShapeNet,
• and other human-annotated scene datasets with synthetic objects / human-created scene dataset:
  <SUNCG>Semantic scene completion from a single depth image. CVPR2017
  • 去掉bad samples, as previous works done :
    • [Planit: Planning and instantiating indoor scenes with relation graph and spatial prior networks. TOG2019 ]
    • [Fast and flexible indoor scene synthesis via deep convolutional generative models. CVPR2019 ]
  • 最后得到 6351个卧室和1099个living room
  • 卧室使用50种物体类型，客厅用39个物体类型
  • 房间：用(0,90,180,270) degrees的旋转来增强数据集；位置(0,0.5)均匀分布采样
  • 房间的句子描述数据用的是heuristic的方法来产生（也就是hand-crafted）

Overview

• auto-regressive自回归方式：第 $(n+1)^{th}$ 物体的属性 conditioned on 前n个物体的属性
• 
• 

results

• 如果没有给出房间形状，则用一个room-shape prior来放置物体

future work

• 可以用于真实场景的3D重建

Motivation

• 过去的sg2im的一个不足是不能捕捉graphs中的语义等价性(semantic equivalence)
  • 即：同样一张图片可以用多个逻辑上等价的SG来表述
• 所以提出从数据中学习出canonical graph representations
• 主要展示3个数据集：visual genome, COCO, clevr

Overview

• SG to canonical weighted SG
• weighted SG to layout
• layout to image

Scene Graph Canonicalization

• transitive relation, converse relations

效果