HELIOS: From midnight to noon, continuous outdoor urban scene relighting

TL;DR

HELIOS通过无监督数据集实现城市场景昼夜光照转换,提升结构一致性。

cs.CV 🔴 高级 2026-09-01 4 次浏览
Hala Djeghim Nathan Piasco Luis Roldão Moussab Bennehar Dzmitry Tsishkou Céline Loscos Désiré Sidibé
图像重光照 无监督学习 循环一致性 扩散模型 自动驾驶

核心发现

方法论

HELIOS采用无标签真实数据集,结合基于反照率的条件和循环一致性扩散管道,实现城市场景昼夜光照转换。通过GPS导出的太阳角度实现精细控制,确保结构稳定性。

关键结果

  • HELIOS在夜到昼和昼到夜任务中表现优异,FID分别为74.65和100.72,显著优于现有方法。
  • 在用户研究中,HELIOS的偏好率最高,失败率最低,显示其在视觉真实感上的优势。
  • 通过反照率蒸馏策略,HELIOS在低可见度夜间条件下仍能保持结构一致性。

研究意义

HELIOS解决了现有方法在真实场景中泛化能力不足的问题,尤其在自动驾驶领域,提供了更真实的场景编辑和数据增强能力,促进了感知鲁棒性和场景编辑的进步。

技术贡献

HELIOS通过无监督训练策略和反照率蒸馏策略,突破了现有方法在夜间场景中的局限,提供了新的理论保证和工程可能性。

新颖性

HELIOS首次在无监督条件下实现昼夜光照转换,结合反照率条件和太阳角度,实现了精细的光照控制。

局限性

  • 在极端天气条件下,模型可能无法保持结构一致性。
  • 需要高性能计算资源进行训练。

未来方向

未来可探索在多种天气条件下的光照转换,以及提高模型的计算效率和训练速度。

AI 总览摘要

HELIOS是一种新的图像重光照方法,旨在解决自动驾驶场景中光照变化的挑战。现有方法依赖合成数据或多光照监督,限制了其在真实场景中的泛化能力。HELIOS通过无标签真实数据集进行训练,不需要配对图像,结合反照率条件和循环一致性扩散管道,确保结构稳定性。通过GPS导出的太阳角度实现精细控制,能够在昼夜循环中实现平滑连续的光照操作。实验结果表明,HELIOS在夜到昼和昼到夜任务中表现优异,用户研究也显示其在视觉真实感上的优势。尽管在极端天气条件下可能存在局限,HELIOS为自动驾驶领域提供了更真实的场景编辑和数据增强能力。未来的工作将探索在多种天气条件下的光照转换,以及提高模型的计算效率和训练速度。

深度分析

研究背景

图像重光照在自动驾驶领域具有重要意义,现有方法多依赖合成数据或多光照监督,限制了其在真实场景中的泛化能力。HELIOS通过无标签真实数据集进行训练,不需要配对图像,结合反照率条件和循环一致性扩散管道,确保结构稳定性。

核心问题

自动驾驶场景中的光照变化是一个重要挑战,现有方法在真实场景中的泛化能力不足,尤其在夜间条件下,传感器噪声和复杂光照效果与合成数据差异显著。

核心创新

HELIOS通过无监督训练策略和反照率蒸馏策略,突破了现有方法在夜间场景中的局限,结合GPS导出的太阳角度实现精细控制,提供了新的理论保证和工程可能性。

方法详解

  • �� 使用无标签真实数据集进行训练
  • �� 结合反照率条件和循环一致性扩散管道
  • �� 通过GPS导出的太阳角度实现精细控制
  • �� 引入反照率蒸馏策略以解决夜间条件下的结构一致性问题

实验设计

HELIOS在nuScenes、Waymo和Pandaset数据集上进行训练,使用了41k张图像,并在用户研究中进行评估,显示其在视觉真实感上的优势。

结果分析

HELIOS在夜到昼和昼到夜任务中表现优异,FID分别为74.65和100.72,显著优于现有方法。在用户研究中,HELIOS的偏好率最高,失败率最低。

应用场景

HELIOS在自动驾驶领域提供了更真实的场景编辑和数据增强能力,促进了感知鲁棒性和场景编辑的进步。

局限与展望

在极端天气条件下,模型可能无法保持结构一致性。需要高性能计算资源进行训练。

通俗解读 非专业人士也能看懂

想象你在一个厨房里,白天阳光充足,晚上灯光昏暗。HELIOS就像一个智能灯光调节器,可以根据时间自动调整厨房的灯光,让你在任何时候都能清楚地看到厨房的每个角落。它不需要事先知道厨房的具体布局,只需根据阳光的角度进行调整。即使在晚上,它也能保持厨房的结构一致性,不会因为光线不足而看不清楚。这个技术可以帮助自动驾驶汽车在不同时间和光照条件下安全行驶,就像在厨房里做饭一样简单。

简单解释 像给14岁少年讲一样

嘿,小朋友们!想象一下,你在玩一个超级酷的游戏,游戏里的场景会根据一天中的时间自动变化。早上阳光明媚,晚上灯光昏暗。HELIOS就像游戏里的一个超级智能灯光系统,它可以让游戏场景在任何时候都看起来超级真实!即使在晚上,你也能清楚地看到游戏里的每个细节。这个技术可以帮助自动驾驶汽车在不同时间和光照条件下安全行驶,就像在游戏里探索新世界一样有趣!

术语表

反照率 (Albedo)

反照率是物体表面反射光的能力,通常表示为一个无量纲数值。

在HELIOS中用于条件图像重光照过程。

循环一致性 (Cycle Consistency)

循环一致性是一种约束,确保图像在域转换后能恢复原始状态。

用于确保结构稳定性。

扩散模型 (Diffusion Model)

扩散模型是一种生成模型,通过逐步去噪生成图像。

用于实现无监督图像重光照。

太阳角度 (Solar Angle)

太阳角度是太阳相对于观察者的高度,用于光照控制。

通过GPS数据实现精细光照控制。

自动驾驶 (Autonomous Driving)

自动驾驶是指车辆在没有人工干预下自动行驶的技术。

HELIOS用于增强自动驾驶场景的视觉真实感。

开放问题 这项研究留下的未解疑问

  • 1 如何在极端天气条件下保持结构一致性?现有方法在这些条件下表现不佳。
  • 2 如何提高模型的计算效率和训练速度?当前需要高性能计算资源。

应用场景

近期应用

自动驾驶场景编辑

HELIOS可以用于自动驾驶场景的实时光照调整,提高感知鲁棒性。

远期愿景

全天候自动驾驶

通过改进HELIOS的性能,实现全天候自动驾驶,提高交通安全。

原文摘要

Modifying the illumination of driving images is a fundamental challenge, as most datasets are captured at specific times of day. Existing methods rely on synthetic data or paired multi-illumination supervision, which limits their generalization to the diverse and challenging conditions of real-world scenarios. To address this, we propose HELIOS, a novel image relighting approach that relies on unlabeled real-world datasets without requiring any paired images for training. Our approach integrates albedo-based conditioning into a cycle-consistent diffusion pipeline to prevent identity collapse and ensure accurate domain translation. To handle low-visibility nighttime conditions, we introduce a robust albedo distillation strategy that transfers structural stability from the daytime domain. Additionally, we replace traditional text prompts with a fine-grained control mechanism based on GPS-derived solar angles, enabling smooth and continuous lighting manipulation across the day-night cycle. Through extensive evaluation and a user study, we demonstrate that HELIOS produces structurally consistent and realistic results in both night-to-day and day-to-night tasks, outperforming state-of-the-art methods.

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