3DGS压缩新范式：基于高斯混合简化的几何结构保持方法

2025年11月14日下午5:03 • AI产业动态 • 阅读 78

在三维视觉领域，3D Gaussian Splatting（3DGS）作为近年来兴起的高效三维场景建模技术，通过大量各向异性高斯球的分布与渲染，实现了高质量的新视角合成。然而，其核心挑战在于高斯球的高度冗余性，这直接制约了模型的存储效率与渲染速度。传统压缩方法多采用基于重要性得分的剪枝策略，虽能减少高斯数量，但往往以破坏全局几何结构为代价，导致细节丢失或场景形变。本文提出的Gaussian-Herding-across-Pens（GHAP）方法，创新性地将3DGS建模为高斯混合模型，并引入最优传输理论框架下的高斯混合简化技术，实现了在极致压缩下仍能保持几何完整性的突破。

从理论层面分析，GHAP的核心贡献在于首次将3DGS压缩问题形式化为高斯混合简化问题。具体而言，原始3DGS模型可视为一个由数百万高斯分布构成的混合模型，而压缩目标则是寻找一个高斯数量大幅减少（如仅保留10%）的新混合模型，使其在概率分布上尽可能逼近原始模型。这一形式化转变的关键优势在于，它从全局优化角度出发，避免了局部剪枝带来的结构破坏。作者设计了一种基于复合传输散度的优化目标，该距离度量受到最优传输理论的启发，将每个高斯分布视为高维空间中的点，并通过“搬运”这些点到新的聚类中心来实现简化。

算法实现上，GHAP采用了两阶段压缩流程。第一阶段专注于几何信息的简化，即对高斯球的位置与协方差参数进行聚类优化。作者为3DGS量身定制了代价函数，将高斯混合简化转化为一个高效的k-means类迭代过程：在每次迭代中，根据当前聚类中心对高斯球进行分组，并通过计算类内重心更新中心参数。这一过程在数学上等价于在Wasserstein空间中进行最优传输，从而最大程度地保留原始分布的几何形态。第二阶段则针对外观特征进行细化优化，在简化后的几何结构基础上，对不透明度与颜色等渲染属性进行微调，以进一步提升新视角合成质量。

为了应对大规模场景中高斯球数量过多带来的计算挑战，GHAP引入了基于KD-Tree的空间分块策略。该方法首先将三维空间划分为均匀的子区域，然后在每个子块内独立执行高斯混合简化，最后合并结果。这种分而治之的设计不仅降低了计算复杂度，还使框架具备了良好的可扩展性，能够处理城市级或室内场景等复杂3DGS模型。整个流程被形象地比喻为“牧羊人将羊群赶入围栏”，在保持群体形态的同时实现有序管理。

实验验证方面，研究团队在多个标准数据集上进行了全面评估。与主流剪枝方法相比，GHAP在10%高斯保留率下，峰值信噪比平均提升2.1dB，结构相似性指数提高0.05，同时渲染速度加快约18%。值得注意的是，其压缩效果甚至接近某些需要完整训练数据的端到端方法，这凸显了后处理框架的效率优势。可视化结果进一步证实，GHAP在建筑物边缘、植被细节等高频几何特征上保持了显著更好的保真度，而传统方法在这些区域往往出现模糊或畸变。

技术普适性是GHAP的另一大亮点。研究团队将该方法嵌入多种3DGS变体中进行测试，包括针对动态场景、反射材质等特殊设计的模型。实验表明，GHAP不仅能够稳定保持基础模型的性能，在部分场景下甚至实现了压缩后质量的反超。这得益于其解耦几何与外观的设计哲学：通过优先保证几何结构的完整性，为后续特征优化奠定了坚实基础。此外，作为后处理方案，GHAP无需重新训练原始模型，可直接应用于现有3DGS管线，大幅降低了部署门槛。

从产业应用视角看，这项研究为实时三维渲染、沉浸式AR/VR、数字孪生等领域带来了新的可能性。传统3DGS模型动辄数GB的存储需求限制了其在移动设备或边缘计算场景中的部署，而GHAP通过一个数量级的压缩，使高质量三维内容在资源受限环境中的流畅运行成为可能。更重要的是，其保持几何结构的设计理念，确保了压缩不会损害场景的物理一致性，这对于自动驾驶仿真、工业设计评审等对精度要求严苛的应用至关重要。

当然，该方法也存在一定局限性。虽然渲染速度有所提升，但由于引入了聚类优化过程，内存占用较纯剪枝方法略有增加。此外，当前算法对极端非均匀分布的高斯球（如高度聚集的细节区域）处理效率仍有优化空间。未来研究方向可探索自适应分块策略，或结合神经网络预测聚类中心，进一步平衡压缩率与计算开销。

总结而言，GHAP代表了3DGS压缩领域的一次范式转变：从局部剪枝走向全局优化，从经验性删减走向理论驱动简化。它不仅提供了一套高效实用的工具，更重要的是开辟了基于概率模型分析的三维表示研究新路径。随着三维数据爆炸式增长，这类保持结构完整性的压缩技术，将在构建轻量化、高保真数字世界中发挥越来越关键的作用。