PhysGen3D – 清華等高校聯合推出的單圖創建交互式 3D 場景

PhysGen3D是什么

PhysGen3D 是一個前沿的框架，旨在將單一圖像轉化為互動的 3D 場景，并生成具有物理真實性的視頻。此技術融合了基于圖像的幾何和語義分析，以及基于物理的模擬，通過從單張圖片中推導物體的 3D 形狀、姿態、物理特性和光照信息，創造出以圖像為核心的數字雙胞胎。同時，利用物質點方法（MPM）模擬物體的反事實物理行為，最終將動態效果無縫融合到原始圖像中，以產生視覺上真實的結果。

PhysGen3D的主要功能

• 從單張圖像生成互動式 3D 場景：PhysGen3D 能夠將單張圖像轉化為可互動的 3D 場景，用戶可以在其中模擬各種物理行為。
• 精確控制物體的初始條件：用戶可定義物體的速度、材質特性等初始條件，從而精細調控生成視頻的效果。
• 生成具有物理真實性的視頻：通過結合圖像的幾何和語義理解以及物理模擬，PhysGen3D 可生成在動態和光照方面都極具真實感的視覺效果。
• 高密度 3D 跟蹤：支持對場景中物體進行精確的 3D 跟蹤。
• 視頻編輯功能：用戶可以在不同場景間交換物體，或在不改變物體初始位置的情況下移除特定物體。
• 多角度相機控制：支持從不同視角生成視頻。
• 從繪畫生成視頻：不僅能處理圖像，還可以處理繪畫等其他輸入類型，生成相應的視頻。

PhysGen3D的技術原理

• 3D 場景重建：PhysGen3D 利用先進的圖像幾何和語義理解技術，從單張圖像中推斷物體的 3D 形狀、姿態、物理特性和光照信息，同時重建背景的幾何形狀和外觀。通過整合多種預訓練視覺模型的輸出，構建以圖像為中心的數字雙胞胎。
• 物理模擬：在物理模擬方面，PhysGen3D 采用物質點方法（MPM），這種基于點和體素的框架用于模擬圖像中物體的反事實物理行為。通過準確推導物體的物理屬性，實現高真實感和穩定性的模擬，用戶可以根據需要設定物體的速度和材質等初始條件。
• 基于物理的渲染：在完成動態模擬后，PhysGen3D 通過插值計算頂點和網格變形，使用優化的基于物理的渲染（PBR）材料，依托 Mitsuba3 進行物理基礎的渲染。為避免將整個靜態背景納入渲染流程，PhysGen3D 構建了一個 3D 陰影捕捉表面，并采用雙遍陰影映射技術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后的背景中，生成最終視頻。

PhysGen3D的項目地址

• 項目官網：https://by-luckk.github.io/PhysGen3D/
• Github倉庫：https://github.com/by-luckk/PhysGen3D
• arXiv技術論文：https://arxiv.org/pdf/2503.20746

PhysGen3D的應用場景

• 影視制作與特效：PhysGen3D 可廣泛應用于影視特效制作，幫助創作者快速構建物理真實感的動態場景。
• 虛擬現實與增強現實：在虛擬現實（VR）和增強現實（AR）應用中，PhysGen3D 能夠從單張圖像生成互動的 3D 場景，為用戶提供沉浸式體驗。
• 教育與培訓：該技術可用于教育領域，幫助學生更好地理解物理概念。
• 游戲開發：為游戲開發者提供新的可能性，使其能夠從單張圖像生成具有物理真實性的動態場景，從而快速構建游戲關卡和環境。
• 廣告與營銷：在廣告與營銷領域，PhysGen3D 可用于生成引人注目的動態廣告內容，通過產品照片生成動態視頻，展示產品的使用場景和物理特性，吸引消費者的關注。

常見問題

Q: PhysGen3D 能處理哪些類型的輸入？
A: PhysGen3D 可以處理單張圖像、繪畫等多種輸入類型。

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

Q: PhysGen3D 的適用領域有哪些？
A: 適用領域包括影視制作、虛擬現實、教育、游戲開發及廣告營銷等。