無所不能！無痛擁有自己的3DGS自動駕駛仿真器
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背景
無疑，NERF和3DGS等神經渲染相關技術是自動駕駛仿真領域討論最火熱的前沿技術。NERF和3DGS使用神經網絡表達空間，其在新視角合成方面的優越表現直擊自動駕駛仿真的一大痛點：傳感器仿真。如果這一類深度學習技術能夠推廣應用，就能夠很大程度上解決傳統計算機圖形學渲染出的圖像缺乏真實性的問題，可以廣泛應用在自動駕駛算法的閉環測試和訓練中。
目前已經有一些研究項目在圍繞NERF和3DGS技術打造全新的面向閉環測試的自動駕駛仿真框架，例如以NERF為核心的OASim【1】、NeuroNCAP【2】以及更早的UniSim（在此不再貼出UniSim的論文鏈接，【1】項目中有UniSim的非官方實現，以及另一個非官方實現【3】）。目前筆者還沒有發現圍繞3DGS展開的相關工作。完全新開發一個仿真框架，使其具有現行場景仿真軟件類似的功能將會有巨大的工作量。因此另一個應用場景合成新技術的思路是：將NERF和3DGS訓練出的模型嵌入到現有場景仿真軟件的框架中去，在保證實時渲染的前提下，將NERF和3DGS的渲染結果作為背景，動態物體仍然使用原有的3D數字資產，最終合成出新的真實程度更高的圖像，整體框架如圖1所示。
圖1
目前，一個匈牙利公司的仿真軟件產品aiSim已經以此為賣點展開了宣傳：效果如圖2、圖3，在NeRF和3DGS生成靜態場景后，aiSim將基于外部渲染API進一步增加動態元素，不僅可以重建原始場景，也可以根據測試需求構建不同的交通狀態。
圖2
那么，像圖2、圖3這種仿真效果，我們普通人是不是也能擁有呢；）本文就將通過筆者的一個小實驗告訴你，這是有可能的！本文實驗全程“無痛”：完全使用開源的學術研究，且無需程序編寫。
CARLA插件
在NERF和3DGS的研究興起之初，就已經有相關的工程工作旨在將訓練好的模型嵌入到現行游戲引擎的渲染框架中去，以作為一個方便編輯的數字資產，在運行時達到實時渲染的效果。較早的工作例如【4】，只需要花幾十美元就可以在Unreal的市場中買到這個插件。后續工作包括元象科技的【5】，應用于windows平臺的UE5之上，以及一個高校研究項目中的NERF插件【6】，應用于windows平臺的UE4。
那么是否有一款合適的插件可以直接應用于基于Unreal的開源場景仿真軟件CARLA呢？筆者通過比較，最終選擇了LumaAI的3DGS插件【7】，主要是因為從網站中我們可以下載到源碼，方便我們和CARLA一起執行編譯。
由于LumaAI只支持UE 5.0.0以上版本，而最新CARLA發行版0.9.15仍然使用UE4，因此本次實驗只能選擇CARLA代碼庫中仍在開發中的UE5分支進行測試。具體選擇的分支是CARLA【8】和UE-CARLA【9】（請注意，筆者測試的是以上兩個倉庫中截至24年4月8日的版本）。
安裝編譯之前，需要從【7】中下載LumaAI的源碼包，例如名為LumaAI_2023_25_12_marketplace_5.0.zip的壓縮文件，解壓縮后將內容復制到CARLA根目錄下的Unreal/CarlaUnreal/Plugins路徑下。
在這些開發分支中，官方教程中的編譯方法不再適用，但CARLA根目錄下的Setup.sh中記載了開發分支的編譯過程。筆者的實驗環境為ubuntu 22.04。編譯過程中會提示圖4中的內容，點擊yes就好，讓插件和CARLA一起編譯。編譯成功后，CARLA的UE editor會啟動，你此時可以在Plugins列表中看到LumaAI，如圖5。LumaAI的插件可以將任何3DGS模型輸出的點云ply文件或者專門的luma文件導入UE editor，成為資產庫中的一類Blueprint Class，比如將我們都很熟悉的狐貍頭導入Town10（圖6）。
圖4
圖5
圖6
（根目錄下的CMakeLists.txt中顯示，通過增加BUILD_PYTHON_API編譯選項，可以對pythonAPI進行編譯，成功后可以在pythonAPI目錄下產生carla.so文件以供引用。）
街景重建
原版的3DGS（過于著名不再貼出鏈接）就可以完成街景重建，但3DGS項目本身不處理動態場景，也不是為街景這種開放式環境設計的。學術界一直有針對自動駕駛場景3DGS的研究項目，目前開源的有PVG【10】GaussianPro【11】S3Gaussian【12】等。本文實驗中筆者選用的是有標注框監督派的代表，浙大的street gaussian方法，雖然原項目并未開源，但光輪科技已經將他們的復現版street-gaussians-ns發布到了github上：【13】。
street-gaussians-ns的訓練過程不再贅述。為了在Unreal中呈現更好的效果，可以選擇使用waymo的全部5路攝像頭數據進行訓練。訓練完成后，street-gaussians-ns還提供了方法可以將場景的點云ply文件提取出來。
接下來我們就可以打開CARLA的UE editor，使用LumaAI插件，將street-gaussians-ns導出的ply插入仿真環境看下效果了。
安裝了LumaAI插件的UE editor打開后，在左下角的content browser中，可以看到Import功能按鈕，點擊Import，可以在本地目錄下尋找ply文件，導入到content browser中，如圖7。導入成功后，點云就成為了資產庫中的一個Blueprint Class，如圖8，此時把Blueprint Class拖入場景，就可以在場景里對其進行編輯操作了。
圖7
圖8
在UE editor中編輯以及Unreal場景運行起來后的效果如圖9-13（圖13使用的是方法【11】訓練的結果）。至此你就擁有了一個自己的3DGS自動駕駛仿真器，過程是不是完全“無痛”！
圖9
圖10
圖11
圖12
圖13
理論上講，接下來只要我們能夠根據以上waymo場景做出簡單的CARLA地圖，再對插入的3DGS點云模型進行一點“微調”使其貼合地圖，就可以流暢地在上面安排3D數字資產運行動態場景了！操作過程如圖14。
圖14
未來
如果真的想要嚴肅考慮以這個思路做神經渲染在自動駕駛仿真中的技術落地，筆者認為還需要解決的問題有：
- 前景動態物體的渲染：
盡管已經有研究項目在解決虛擬前景物體和真實合成背景間的融合問題了，如ChatSim【14】中的McLight方法，但筆者認為真實度仍然不夠。我們是否也可以用NERF和3DGS訓練出的模型來表示前景動態物體呢？在CARLA的框架下目前這一點比較難，因為LumaAI導入的點云Blueprint Class和Car等actor的Blueprint Class截然不同，應用難度較大。不過我們也看到了一些研究項目如gaustudio【15】，可以對3DGS方法訓練出的模型提取mesh、texture等素材，也許這樣我們就可以用CARLA原本的建立車輛模型的pipeline來建立一個“點云版”的車輛actor。再輔以另外一些解決少視角重建的研究如GaussianObject【16】，也許在CARLA中導入神經渲染動態物體有一天也會成為可能。
- 地圖：
仿真場景離不開地圖，除手工搭建外，也許也可以用一些諸如MapTR（過于著名不再貼出鏈接）的方法解決。
- 更多傳感器：
截止到目前為止我們只討論了相機圖像的仿真，盡管自動駕駛進入了重視覺時代，但其他一些傳感器仍然是不可或缺的，我們仍然需要其他途徑來模擬這些傳感器。
