实现对图像中物体材料属性的细粒度控制是一项复杂的任务，具有广泛的商业应用前景，特别是在图像编辑、广告和图像取证等领域。

如今，来自麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）和 Google Research 的研究团队推出了一种图像编辑“数字魔法”——Alchemist。

据介绍，Alchemist 可以任意改变图像中物体的材料属性，如粗糙度（roughness）、金属度（metallicity）、反照率（albedo）和透明度（transparency）。

例如，让《星球大战》中的尤达（Yoda）看起来更加透明：

让《宝可梦》中的喷火龙更有金属质感：

据介绍，作为一种图像到图像的扩散模型，Alchemist 可以基于用户输入的任何图像，在 -1 到 1 的连续范围内调整每种属性，从而创建全新的视觉效果。

“当你看着你创造的图像时，往往不是很满意。” 麻省理工学院电气工程与计算机科学博士生、论文第一作者 Prafull Sharma 说，“有了 Alchemist，我们就能利用文本到图像模型输出的逼真性，在提供初始图像后修改特定属性。”

而且，由于相对属性强度是线性变化的，Alchemist 只对所需的材料属性进行平滑编辑，同时保留图像中的高级语义和其他信息。

如下图所示，如果是两只猫或两个杯子，可以使用特定实例的分割图来掩盖相对的材质变化。

此外，研究团队表示，这些图像编辑功能有可能扩展到改进视频游戏模型、增强人工智能在视觉特效方面的能力，以及大幅增加机器人的训练数据。

具体而言，Alchemist 有助于调整视频游戏中不同模型的外观，帮助创作者加快设计过程，优化纹理以适应关卡的玩法；通过让机器人接触各种各样的纹理，它们可以更好地理解现实世界中的各种物品；甚至有助于优化图像分类，分析神经网络无法识别图像材质变化的部分。

Alchemist 因何拥有“神奇魔法”？

在计算机图形学中，双向反射分布函数（BRDFs）定义了材料属性，这导致了基于物理的 BRDF 模型的发展。

以往的方法通常采用逆渲染（inverse rendering）方法来分离和估计复杂的场景属性（如几何和照明），从而修改材料属性。

2023 年，Daniel Subias 和 Manuel Lagunas（arXiv:2302.03619）提出了一种基于 GAN 的方法，该方法在合成数据上进行训练，用于感知材料编辑，重点关注金属和粗糙度参数，但依然需要对目标现实世界物体进行遮罩处理。

为此，在这项工作中，研究团队提出了一种利用预训练的文本到图像模型来操作图像中的细粒度材料属性的方法。

他们克服了两个主要挑战：

首先，缺乏具有精确标注材料属性的真实世界数据集，使得从监督训练中泛化变得困难。

为了克服第一个挑战，研究团队渲染了一个具有基于物理的材料和环境地图的合成数据集，随机编辑了 1200 种材料的材料属性，从而解决了对材料属性进行细粒度标注的需求。

其次，文本到图像模型是使用文本描述如“金色”、“木头”或“塑料”等进行训练的，通常缺乏关于材料的细粒度细节。这个问题因单词的离散性和材料参数的连续性之间的脱节而变得更加复杂。

为此，他们在现成的扩散模型中引入了额外的输入通道，并通过一个受 InstructPix2Pix 启发的基于指令的过程来完善这个模型。

结果显示，以前的扩散系统可以从帽子里变出一只兔子，而 Alchemist 则可以将同一只兔子变成半透明的，还能让橡皮小鸭呈现金属质感，去除金鱼的金色色调，擦亮旧鞋，等等。

而且，相比于 Baseline 的闪烁过渡，Alchemist 的过渡效果更加平滑。

值得注意的是，尽管这一模型仅在 500 个合成场景上进行了训练，但却能够有效地将材料属性的控制泛化到真实的输入图像上。

局限性

研究团队希望进一步研究 Alchemist 如何在场景层面改善 3D 图形资产。

此外，Alchemist 还能帮助从图像中推断材料属性。这类工作在未来可以解开物体的视觉和机械特性之间的联系。

不过，Alchemist 目前还存在一些局限性，比如粗糙度和金属属性的感知变化很小，有时还会产生物理上不切实际的透明度。

例如，想象一只手部分伸进了麦片盒——在 Alchemist 对这一属性的最大设置下，你会看到一个没有手指伸进去的透明容器。

该模型缺乏完整的 3D 世界模型，无法通过内喷涂（inpaint）来保持物理一致性，如上述和下图拐杖糖示例。

图｜Alchemist 有时无法达到预期效果。例如，经过粗糙度编辑后，茶壶表面仍有光泽（左图）；拐杖糖的水杯内部分被删除了（右图）。

此外，与典型的生成模型一样，Alchemist 可以生成符合给定指令的合理解释，但并不一定能复制传统图形渲染器的精确结果。

参考链接：

https://www.prafullsharma.net/alchemist/alchemist_paper.pdf

https://www.prafullsharma.net/alchemist/

https://news.mit.edu/2024/controlled-diffusion-model-can-change-material-properties-images-0528

本文来自微信公众号“学术头条”（ID：SciTouTiao），作者：学术头条，36氪经授权发布。