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.


翻译:基于神经辐射场(NeRF)的三维重建对于沉浸式增强现实与虚拟现实(AR/VR)应用极具吸引力,但实现设备端即时(即<5秒)的NeRF训练仍是一大挑战。本研究首先识别出效率瓶颈:每次训练迭代中,需从三维嵌入网格对NeRF嵌入进行高达20万次插值。为解决该问题,我们提出Instant-3D——一种算法-硬件协同设计加速框架,可实现在设备端即时NeRF训练。我们的算法将嵌入网格表示分解为颜色与密度两部分,通过为颜色和密度分支采用不同的(1)网格尺寸与(2)更新频率,消除计算冗余。硬件加速器进一步减少嵌入网格插值中的主导内存访问:(1)在前馈过程中将多个邻近点的内存读取请求合并为一次,(2)在反向传播中合并来自同一滑动时间窗口的嵌入网格更新,(3)融合不同计算核心以支持Instant-3D算法中颜色和密度分支所需的不同网格尺寸。大量实验验证了Instant-3D的有效性,在保持相同重建质量的前提下,实现了41倍至248倍的训练时间大幅缩减。令人振奋的是,Instant-3D已实现AR/VR的即时三维重建,每场景重建时间仅需1.6秒,且满足AR/VR功耗约束1.9瓦。

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