PhysGen3D – 清華等高校聯(lián)合推出的單圖創(chuàng)建交互式 3D 場(chǎng)景

PhysGen3D是什么

PhysGen3D 是一個(gè)前沿的框架，旨在將單一圖像轉(zhuǎn)化為互動(dòng)的 3D 場(chǎng)景，并生成具有物理真實(shí)性的視頻。此技術(shù)融合了基于圖像的幾何和語(yǔ)義分析，以及基于物理的模擬，通過(guò)從單張圖片中推導(dǎo)物體的 3D 形狀、姿態(tài)、物理特性和光照信息，創(chuàng)造出以圖像為核心的數(shù)字雙胞胎。同時(shí)，利用物質(zhì)點(diǎn)方法（MPM）模擬物體的反事實(shí)物理行為，最終將動(dòng)態(tài)效果無(wú)縫融合到原始圖像中，以產(chǎn)生視覺(jué)上真實(shí)的結(jié)果。

PhysGen3D的主要功能

• 從單張圖像生成互動(dòng)式 3D 場(chǎng)景：PhysGen3D 能夠?qū)螐垐D像轉(zhuǎn)化為可互動(dòng)的 3D 場(chǎng)景，用戶(hù)可以在其中模擬各種物理行為。
• 精確控制物體的初始條件：用戶(hù)可定義物體的速度、材質(zhì)特性等初始條件，從而精細(xì)調(diào)控生成視頻的效果。
• 生成具有物理真實(shí)性的視頻：通過(guò)結(jié)合圖像的幾何和語(yǔ)義理解以及物理模擬，PhysGen3D 可生成在動(dòng)態(tài)和光照方面都極具真實(shí)感的視覺(jué)效果。
• 高密度 3D 跟蹤：支持對(duì)場(chǎng)景中物體進(jìn)行精確的 3D 跟蹤。
• 視頻編輯功能：用戶(hù)可以在不同場(chǎng)景間交換物體，或在不改變物體初始位置的情況下移除特定物體。
• 多角度相機(jī)控制：支持從不同視角生成視頻。
• 從繪畫(huà)生成視頻：不僅能處理圖像，還可以處理繪畫(huà)等其他輸入類(lèi)型，生成相應(yīng)的視頻。

PhysGen3D的技術(shù)原理

• 3D 場(chǎng)景重建：PhysGen3D 利用先進(jìn)的圖像幾何和語(yǔ)義理解技術(shù)，從單張圖像中推斷物體的 3D 形狀、姿態(tài)、物理特性和光照信息，同時(shí)重建背景的幾何形狀和外觀。通過(guò)整合多種預(yù)訓(xùn)練視覺(jué)模型的輸出，構(gòu)建以圖像為中心的數(shù)字雙胞胎。
• 物理模擬：在物理模擬方面，PhysGen3D 采用物質(zhì)點(diǎn)方法（MPM），這種基于點(diǎn)和體素的框架用于模擬圖像中物體的反事實(shí)物理行為。通過(guò)準(zhǔn)確推導(dǎo)物體的物理屬性，實(shí)現(xiàn)高真實(shí)感和穩(wěn)定性的模擬，用戶(hù)可以根據(jù)需要設(shè)定物體的速度和材質(zhì)等初始條件。
• 基于物理的渲染：在完成動(dòng)態(tài)模擬后，PhysGen3D 通過(guò)插值計(jì)算頂點(diǎn)和網(wǎng)格變形，使用優(yōu)化的基于物理的渲染（PBR）材料，依托 Mitsuba3 進(jìn)行物理基礎(chǔ)的渲染。為避免將整個(gè)靜態(tài)背景納入渲染流程，PhysGen3D 構(gòu)建了一個(gè) 3D 陰影捕捉表面，并采用雙遍陰影映射技術(shù)提取陰影和全局光照效果，最終將前景物體與陰影合成到修復(fù)后的背景中，生成最終視頻。

PhysGen3D的項(xiàng)目地址

• 項(xiàng)目官網(wǎng)：https://by-luckk.github.io/PhysGen3D/
• Github倉(cāng)庫(kù)：https://github.com/by-luckk/PhysGen3D
• arXiv技術(shù)論文：https://arxiv.org/pdf/2503.20746

PhysGen3D的應(yīng)用場(chǎng)景

• 影視制作與特效：PhysGen3D 可廣泛應(yīng)用于影視特效制作，幫助創(chuàng)作者快速構(gòu)建物理真實(shí)感的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。
• 虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)：在虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）應(yīng)用中，PhysGen3D 能夠從單張圖像生成互動(dòng)的 3D 場(chǎng)景，為用戶(hù)提供沉浸式體驗(yàn)。
• 教育與培訓(xùn)：該技術(shù)可用于教育領(lǐng)域，幫助學(xué)生更好地理解物理概念。
• 游戲開(kāi)發(fā)：為游戲開(kāi)發(fā)者提供新的可能性，使其能夠從單張圖像生成具有物理真實(shí)性的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，從而快速構(gòu)建游戲關(guān)卡和環(huán)境。
• 廣告與營(yíng)銷(xiāo)：在廣告與營(yíng)銷(xiāo)領(lǐng)域，PhysGen3D 可用于生成引人注目的動(dòng)態(tài)廣告內(nèi)容，通過(guò)產(chǎn)品照片生成動(dòng)態(tài)視頻，展示產(chǎn)品的使用場(chǎng)景和物理特性，吸引消費(fèi)者的關(guān)注。

常見(jiàn)問(wèn)題

Q: PhysGen3D 能處理哪些類(lèi)型的輸入？
A: PhysGen3D 可以處理單張圖像、繪畫(huà)等多種輸入類(lèi)型。

Q: 用戶(hù)可以在多大程度上控制生成視頻的效果？
A: 用戶(hù)可以精確設(shè)定物體的初始條件，如速度和材質(zhì)屬性，以控制生成效果。

Q: PhysGen3D 的適用領(lǐng)域有哪些？
A: 適用領(lǐng)域包括影視制作、虛擬現(xiàn)實(shí)、教育、游戲開(kāi)發(fā)及廣告營(yíng)銷(xiāo)等。