【3D图像算法技术】如何对3DGS数据进行编辑？

对3D Gaussian Splatting（3DGS）数据的编辑本质上是通过调整其核心构成要素（高斯点的参数）或引入外部约束，实现对3D场景的几何、外观或语义属性的修改。3DGS的核心是由大量3D高斯实体组成的集合，每个高斯实体包含位置（position）、尺度（scale）、旋转（rotation）、不透明度（opacity）、颜色（color） 等参数，编辑过程即围绕这些参数的调整展开。以下从编辑原理、关键操作类型、实现方法及工具框架等方面详细说明：

一、3DGS数据的可编辑性基础

3DGS通过离散的3D高斯点集建模场景，其数据结构可简化为一个包含N个高斯实体的列表，每个实体的参数如下：

• 几何参数：
  • 位置（$\mathbf{x}\in {\mathbb{R}}^3$ ）：3D空间坐标；
  • 尺度（$\mathbf{s}\in {\mathbb{R}}^3$）：沿x、y、z轴的缩放因子（控制椭球大小）；
  • 旋转（$\mathbf{r}\in {\mathbb{R}}^4$）：四元数（控制椭球朝向）。
• 外观参数：
  • 颜色（$\mathbf{c}\in {\mathbb{R}}^3$）：RGB值（或通过SH系数表示的光照相关颜色）；
  • 不透明度（$\alpha \in \mathbb{R}$）：控制高斯点对最终像素的贡献权重。

这些参数均以数值形式存储（如在开源库中通常为张量数组），因此可通过直接修改参数、筛选子集或生成新参数实现编辑。

二、核心编辑操作类型与实现方法

根据编辑目标，3DGS数据的编辑可分为几何编辑、外观编辑、语义编辑三大类，具体操作及实现逻辑如下：

1. 几何编辑：调整场景的空间结构

几何编辑聚焦于修改高斯点的位置、尺度或旋转，以改变物体的形状、位置或存在性。

• （1）物体/区域移动、缩放、旋转
  针对场景中特定物体（如椅子、墙面）或区域的高斯点集，施加刚性变换（平移、旋转、缩放）。

  • 实现步骤：
    1. 筛选目标高斯点：通过语义分割（如预训练模型识别物体）或空间范围（如用户框选的3D bounding box）确定待编辑的高斯点子集；
    2. 施加变换：对筛选出的高斯点的位置、尺度、旋转参数应用变换矩阵。例如，平移时给所有目标点的$\mathbf{x}$加上偏移量；旋转时通过四元数乘法更新$\mathbf{r}$；缩放时对$\mathbf{s}$乘以缩放因子。
  • 示例：将场景中的桌子沿x轴移动1米，只需筛选出桌子对应的高斯点，其位置参数$x=x+1$。

• （2）物体移除或区域删除
  从场景中删除特定物体或区域的高斯点，适用于去除不需要的元素（如杂物、背景干扰）。

  • 实现步骤：
    1. 定位目标高斯点：通过语义标签（如“汽车”类）或2D/3D交互框选（如用户在视图中框选汽车区域，反推对应的3D高斯点）；
    2. 直接剔除：从高斯点列表中删除筛选出的子集。
  • 注意：删除后可能导致局部空洞，需通过插值（如用周围高斯点的参数填充）或重新优化（少量迭代）修复视觉连续性。

• （3）新增物体或几何结构
  向现有场景中插入新物体（如添加一个沙发），需将新物体的3DGS表示与原场景融合。

  • 实现步骤：
    1. 单独建模新物体：对目标物体（如沙发）拍摄多视角图像，用3DGS训练得到其高斯点集（包含局部坐标系下的参数）；
    2. 坐标变换：将新物体的高斯点集从局部坐标系转换到场景全局坐标系（通过旋转、平移矩阵对齐）；
    3. 融合优化：将新高斯点添加到原场景列表中，对交界处的高斯点（如沙发与地面接触区域）进行参数微调（如调整不透明度、尺度），避免渲染时出现穿帮或断层。

2. 外观编辑：修改场景的视觉属性

外观编辑通过调整颜色、不透明度等参数，改变物体的颜色、材质或透明度。

• （1）颜色调整
  批量修改目标区域的颜色（如将红色墙面改为蓝色）。

  • 实现步骤：
    1. 筛选目标高斯点：通过空间范围（如墙面区域）或语义标签（如“墙面”类）定位；
    2. 调整颜色参数：直接修改目标点的$\mathbf{c}$（RGB值），或调整其SH系数（若颜色由球面谐波表示，需重新计算光照响应）。
  • 进阶：若需保持光照一致性（如阴影区域颜色偏暗），可结合场景光照估计模型，按光照强度比例调整颜色。

• （2）不透明度与透明度控制
  调整物体的透明度（如让玻璃更透明），通过修改$\alpha$参数实现。

  • 逻辑：$\alpha$值越高，高斯点对像素的贡献越大（越不透明）；反之则越透明。例如，将玻璃区域的高斯点$\alpha$从0.8降至0.3，可增强通透感。

• （3）材质风格迁移
  将物体材质替换为目标风格（如将木质桌面改为金属质感），需结合材质特征调整颜色和尺度分布（金属表面更光滑，高斯点尺度可能更集中）。

  • 实现：通过材质参考图提取颜色分布（如金属的高光色），并约束目标高斯点的$\mathbf{c}$和$\mathbf{s}$（尺度方差减小，模拟光滑表面）。

3. 语义编辑：基于语义信息的智能修改

语义编辑依赖场景的语义标注（如“天空”“地面”“家具”等类别），实现更高级的结构化修改。

• （1）基于语义标签的批量操作
  对同一语义类别的所有高斯点执行统一编辑（如将所有“窗户”改为蓝色）。

  • 前提：需为3DGS点集预标注语义标签（可通过2D图像语义分割结果反投影到3D高斯点实现）。
  • 流程：遍历高斯点列表，对所有标签为“窗户”的点，修改其颜色参数。

• （2）场景布局重组
  根据语义约束调整物体位置（如将“椅子”自动排列在“桌子”周围）。

  • 实现：结合语义关系规则（如“椅子→桌子”的空间依附关系），计算目标位置并变换对应高斯点的$\mathbf{x}$。

• （3）动态效果生成
  为语义物体添加动态变化（如“窗帘”飘动），通过时序参数控制高斯点的位置和旋转随时间变化。

  • 方法：为目标高斯点的$\mathbf{x}$和$\mathbf{r}$添加时间函数（如正弦曲线），渲染时按时间戳采样参数，生成动态视图。

三、工具与框架支持

目前3DGS编辑工具尚处于发展阶段，主要基于开源框架二次开发或学术研究原型：

1. 基础操作工具

   • 基于开源3DGS库（如graphdeco-inria/gaussian-splatting）：通过修改其数据加载和参数存储模块（如gaussian_model.py中的高斯参数张量），实现批量参数调整。
   • 可视化交互工具：如gsplat提供3D高斯点的可视化界面，可手动框选点集并修改参数（需扩展交互功能）。

2. 学术研究原型

   • Editable 3DGS：部分研究（如《Editing 3D Gaussian Splatting Scenes》）提出通过引入控制手柄（handles）或分割掩码，实现对特定区域的交互式编辑，支持拖拽、缩放等操作，并通过局部优化保持编辑后场景的视觉一致性。
   • 语义驱动编辑：结合CLIP等模型实现文本引导编辑（如输入“将门涂成红色”，自动定位“门”对应的高斯点并修改颜色）。

3. 商业工具雏形

   • 部分3D重建软件（如Capturing Reality）开始集成3DGS导出功能，未来可能支持基于高斯点的编辑模块，提供更直观的交互界面（如2D视图框选→3D参数自动调整）。

四、挑战与优化方向

1. 编辑精度与效率

   • 挑战：手动筛选目标高斯点（如复杂物体的边缘）精度低；大规模点集（百万级）的实时编辑（如拖拽）计算量大。
   • 优化：结合3D实例分割模型（如Mask3D）提高点集筛选精度；采用稀疏更新策略（只重渲染修改的高斯点）提升实时性。

2. 编辑后视觉一致性

   • 挑战：修改后可能出现光照不匹配（如新增物体与原有场景阴影冲突）或几何断层（如删除物体后背景不连续）。
   • 优化：引入局部重优化（对编辑区域的高斯点进行少量迭代训练）；结合场景光照模型（如预估光源方向）调整新增物体的颜色和阴影参数。

3. 用户交互友好性

   • 挑战：当前工具依赖代码层面的参数修改，普通用户难以操作。
   • 优化：开发可视化交互界面（如Blender插件），支持通过鼠标拖拽、颜色拾取等直观操作映射到高斯参数调整。

总结

3DGS数据的编辑以高斯点参数（位置、颜色、尺度等）为核心，通过筛选目标点集、施加变换或融合新点集，实现几何、外观或语义层面的修改。目前需基于开源框架二次开发，结合分割、交互工具提升精度和易用性。未来随着交互式编辑算法和工具链的成熟，3DGS有望成为可直接编辑的3D内容表示格式，广泛应用于虚拟场景构建、影视制作等领域。