安妮 發自 凹非寺

量子位 出品 | 公眾號 QbitAI

4:3，梅西回家了；2:1，C羅也回家了，這屆世界盃真是激烈又精彩。

但對於無法前往現場的（偽）球迷們，只能屈身於手機、電視的平面看直播了吧？

在新技術應用一個接一個的今天，到底有沒有更新、更技術的方式，重新定義一下看個球？

試想一下：如果可以通過AR設備，將賽況實時投到桌面上，並且隨你移動，還能盡覽不同視角、不同距離的全場景球況，該是多麼過癮的一種選擇。

就像這樣——

再如這樣——

噫……這是把世界盃搬到了任意桌面了麼？而且還能各個角度繞著球場看比賽——就算身在現場也做不到啊！

恭喜你，這種“上帝視角”，可能不久就能實現了。

就在最近，華盛頓大學、Google和Facebook的研究人員開發了一套桌面足球系統，能將世界盃視頻重建，轉換成動態3D視頻。通過AR設備，可以看到渲染後的球員動作和場地效果。

擁有了這個系統，感覺宛如擁有了整個球場，這到底是怎麼做到的？

3D轉換的秘笈

桌面看球的大思路其實很簡單。

只要充分利用球場部署的多角度相機，之後通過多視角幾何技術，對場地和玩家進行三維重建，2D世界盃就升級為3D場景了。

因此，研究人員提出了這樣的思路——

先收集Youtube上世界盃球賽視頻，根據場地線來推斷相機的位置等參數。

隨後，提取視頻中的邊界線、球員姿勢和運動軌跡，將球員和場地分割，方便下一步加工。

“質壁分離”後，對球員進行單獨的渲染處理來實現立體效果。研究人員用視頻數據訓練深度神經網絡模型，在球場上重建每個球員的景深圖，為實現360度無死角看球打基礎。

最後，如果你有AR設備……用AR設備或者3D查看器渲染一下，3D看球美美噠。

思路沒錯，但緊接著問題就來了：

想訓練神經網絡模型根據球員圖像來估計他的景深圖，最理想的數據集裡，應該包含著一對對的球員照片vs.景深圖。

這樣的數據集上哪找？

研究人員想到了EA出品的FIFA系列遊戲。截取FIFA遊戲引擎與GPU之間的調用信息，不就能從視頻遊戲的框架中提取景深圖了嘛。

△ 從FIFA系列遊戲中提取圖像及深度

機智。

現在數據完備，就差個能夠預測景深的神經網絡了。

研究人員選取了“沙漏網絡模型”，用一連串殘差模塊，像一個個沙漏一樣來處理輸入，經過8個“沙漏模塊”實施降低輸入的分辨率、放大等步驟，輸出的，就是我們所需要的景深圖。

重建3D球賽，Go!

準備階段完成後，研究人員開始重建3D場景。整個流程一氣呵成，猶如進入了快餐店後廚——

大概分為以下幾步：

• 1.相機位置估計：用一個合成的平面場模板預估真實場景中每幀的參數，進一步找到相機在每個連續幀中的姿態。
• 2.球員檢測和追蹤：提取球員的邊界box檢測到的關鍵點/骨架，基於姿態信息對初始的邊界框進行細化，再根據提取的邊框序列預計球員的運動軌跡。
• 3.實時實例分割：預估每個球員用於深度預估網絡的分割掩碼，藉助語義分割和前一步的姿態估計。
• 4.網格生成：將上一步的前景掩碼與原始裁剪圖像混合，放入一開始預先訓練好的神經網絡中進行訓練。
• 5.形成3D軌跡：減少相機位置和邊界框定位時不精確帶來的球員抖動，對3D球員軌跡進行平滑處理。

一連串操作至此，3D合成大功告成。

研究人員將此模型的3D生成結果與原視頻和不同方法合成的結果進行了對比。

△ Youtube視頻上真實處理結果

渲染後得到最後的效果圖：

△ Youtube視頻幀（最上一行）及渲染結果（第2~4行）

毫無疑問，這種方法可以得到更精確和完整的深度估計，重建的效果也最好。

美中不足

雖然場景不錯，但這項技術目前並不完善，還不能讓你隨心暢看。

Bug 其實很明顯，剛在觀看效果的時候，各位有沒有看見足球？

——冇。

沒錯，目前這套系統最大的問題就是還沒有對足球進行處理，球的軌跡無法渲染出來，場上一票球員如同在踢“空氣球”。

此外，系統對球員及守門員的（位置）把控不夠準確，被遮擋的球員顯示不完整。這就導致球員有時球員會突然消失，然後突然出現，猶如習得傳送大法。

△ 迷離消失的守門員

在論文中，研究人員表示，目前這項技術還在不斷改進和升級中，下一部的計劃是：

• 改善畫面重建的品質
• 實現實時3D重建
• 預估足球的位置
• 讓這項技術也能用於其他運動，讓籃球、橄欖球、排球等等運動的球迷也能同此待遇。

華盛頓大學出品

這項研究的論文Soccer on Your Tabletop發表在CVPR 2018上，作者有四，均屬於華盛頓大學（張亞勤母校）的GRAIL lab實驗室，分別為Konstantinos Rematas、Ira Kemelmacher-Shlizerman、Brian Curless和Steve Seitz.

△ 一作Konstantinos Rematas

如果覺得這項研究和你胃口，可移步傳送門深入挖掘。

論文地址：

http://grail.cs.washington.edu/projects/soccer/soccer_on_your_tabletop.pdf

代碼地址：

https://github.com/krematas/soccerontable

— 完 —

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