這項由伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的張浩、徐浩蘭、馮春以及Stability AI的Varun Jampani和伊利諾伊大學(xué)的Narendra Ahuja共同完成的研究發(fā)表于2025年6月26日的arXiv預(yù)印本平臺，論文編號為arXiv:2506.20936v1。有興趣深入了解的讀者可以通過arXiv平臺搜索該編號訪問完整論文。

當我們看動畫電影或玩游戲時，是否注意過那些角色的動作有時看起來有些不自然？比如關(guān)節(jié)彎曲時會出現(xiàn)奇怪的扭曲，或者角色的某些部位會突然變形？這些問題背后其實隱藏著一個技術(shù)難題，而現(xiàn)在，研究團隊提出了一個革命性的解決方案，名為PhysRig。

要理解這項研究的重要性，我們首先需要了解傳統(tǒng)動畫技術(shù)的工作原理。目前業(yè)界廣泛使用的技術(shù)叫做線性混合蒙皮，就像給角色穿上一件緊身衣，然后通過拉扯這件衣服來讓角色做出各種動作。這種方法雖然簡單高效，但就像用橡皮筋控制木偶一樣，經(jīng)常會產(chǎn)生不自然的變形。當角色需要做出復(fù)雜動作時，比如大象擺動鼻子、人類的軟組織運動或者柔軟附屬物的擺動，傳統(tǒng)方法就會露出馬腳，產(chǎn)生體積縮小、不自然彎曲等問題。

研究團隊開發(fā)的PhysRig系統(tǒng)就像是給虛擬角色植入了一個真實的物理身體。不同于傳統(tǒng)方法只是簡單地拉扯表面，PhysRig把角色想象成一個充滿彈性材料的立體結(jié)構(gòu)，就像一個裝滿果凍的容器。當骨骼系統(tǒng)驅(qū)動角色運動時，這些內(nèi)部的"果凍"會根據(jù)真實的物理法則發(fā)生變形，從而產(chǎn)生更加逼真的表面效果。

這種方法的核心在于將角色的骨骼系統(tǒng)嵌入到一個體積表示中，可以理解為在角色內(nèi)部建立了一個三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這個網(wǎng)格就像是角色的內(nèi)臟器官，當骨骼移動時，它們會根據(jù)物理定律產(chǎn)生相應(yīng)的變形。系統(tǒng)通過計算材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和動態(tài)響應(yīng)來確保變形的真實性，就像真實世界中的物體受力后會產(chǎn)生的反應(yīng)一樣。

為了讓這個系統(tǒng)能夠?qū)嶋H應(yīng)用，研究團隊面臨的一個重大挑戰(zhàn)是如何處理大量的材料參數(shù)和復(fù)雜的粒子相互作用。他們創(chuàng)造性地提出了"材料原型"的概念，這就像是建立了一個材料特性的詞匯表。不同于為每個點單獨設(shè)定材料屬性，系統(tǒng)使用少數(shù)幾個典型的材料原型，然后通過智能混合的方式來表示整個角色的材料分布。這種方法大大減少了需要學(xué)習(xí)的參數(shù)數(shù)量，同時保持了材料表現(xiàn)的豐富性。

在具體實現(xiàn)上，PhysRig采用了材料點方法來進行物理模擬。這種方法將角色離散化為嵌入在歐拉背景網(wǎng)格中的粒子，就像是把角色想象成無數(shù)個微小的粒子組成的云團。這些粒子之間通過物理力相互作用，當驅(qū)動點施加速度時，力會通過整個粒子系統(tǒng)傳播，最終在表面產(chǎn)生自然的變形效果。整個過程完全可微分，這意味著系統(tǒng)可以通過梯度下降等方法進行優(yōu)化學(xué)習(xí)。

系統(tǒng)的工作流程可以比作一個精密的工程項目。首先，研究團隊會獲取一個三維角色模型，如果輸入的是網(wǎng)格或高斯表示，系統(tǒng)會首先進行填充操作來獲得實體體積。接著，系統(tǒng)會計算粗略的蒙皮權(quán)重，用于初始化嵌入式驅(qū)動點的位置。這些驅(qū)動點就像是角色內(nèi)部的控制節(jié)點，負責(zé)將骨骼運動傳遞到周圍的體積區(qū)域。

在材料屬性方面，PhysRig使用兩個關(guān)鍵參數(shù)來描述不同區(qū)域的物理特性：楊氏模量和泊松比。楊氏模量決定了材料的硬度，就像是區(qū)分鋼鐵和橡膠的硬度差異。泊松比則描述了材料在拉伸時的橫向收縮特性。系統(tǒng)通過優(yōu)化這些參數(shù)來學(xué)習(xí)角色不同部位的材料特性，從而實現(xiàn)更真實的變形效果。

為了初始化驅(qū)動點的位置，研究團隊開發(fā)了一套基于蒙皮權(quán)重的粗到細策略。系統(tǒng)首先使用現(xiàn)有的綁定模型獲得粗略的蒙皮權(quán)重，然后通過譜聚類分析來識別角色的剛性區(qū)域。在相鄰剛性組件的交界處，系統(tǒng)會檢測關(guān)節(jié)位置并在每個關(guān)節(jié)均勻放置多個驅(qū)動點，確保對附近體積區(qū)域的精細控制。

在優(yōu)化策略上，PhysRig采用了迭代訓(xùn)練方法來確保穩(wěn)定性。系統(tǒng)交替優(yōu)化材料參數(shù)和驅(qū)動點速度，就像是分別調(diào)節(jié)樂器的不同部件來達到最佳演奏效果。材料參數(shù)的優(yōu)化需要跨多個幀的信息，因為材料特性影響角色的全局行為。相比之下，驅(qū)動點速度的優(yōu)化必須按幀順序進行，因為只有前面的幀優(yōu)化好了，后續(xù)幀的模擬才有意義。

為了驗證PhysRig的有效性，研究團隊構(gòu)建了一個全面的合成數(shù)據(jù)集。這個數(shù)據(jù)集包含了來自O(shè)bjaverse、神奇動物園和Mixamo的17個結(jié)構(gòu)不同的對象，涵蓋了人形角色、四足動物和其他實體等多種類型。每個對象都配有1到4個運動序列，總共包含40個運動序列，每個序列包含20到100幀。為了進一步評估系統(tǒng)學(xué)習(xí)材料屬性的能力，團隊為每個運動序列提供了兩種不同的材料配置：均質(zhì)材料對象和異質(zhì)材料對象，最終形成了包含120個案例的完整數(shù)據(jù)集。

在實驗結(jié)果方面，PhysRig在各項評估指標上都顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的線性混合蒙皮方法。在用戶研究評分中，PhysRig在人形角色上達到了4.7分（滿分5分），在四足動物上達到了4.45到4.8分的高分。在幾何保真度方面，PhysRig的倒角距離誤差也遠低于傳統(tǒng)方法，表明其生成的變形更接近真實情況。

研究團隊還進行了詳細的消融實驗來驗證各個組件的重要性。實驗表明，基于原型的材料表示方法相比直接學(xué)習(xí)每點材料屬性或使用三平面材料場都有顯著優(yōu)勢。驅(qū)動點的關(guān)節(jié)定位和速度初始化策略也被證明對優(yōu)化效率和準確性至關(guān)重要。在材料原型數(shù)量的選擇上，研究發(fā)現(xiàn)25到200個原型之間都能取得良好效果，其中100個原型在性能和收斂時間之間達到了最佳平衡。

除了逆向蒙皮任務(wù)，PhysRig還展示了在姿態(tài)轉(zhuǎn)移應(yīng)用中的潛力。系統(tǒng)可以從輸入網(wǎng)格序列中提取骨骼信息，然后將骨骼角度轉(zhuǎn)移到生成的對象上。通過計算連續(xù)幀之間的關(guān)節(jié)速度，系統(tǒng)可以驅(qū)動生成網(wǎng)格的變形。與依賴蒙皮權(quán)重的傳統(tǒng)方法相比，PhysRig實現(xiàn)了更真實的變形效果，同時顯著提高了泛化能力。

這項研究的意義遠超技術(shù)層面的改進。在動畫制作領(lǐng)域，PhysRig能夠幫助動畫師創(chuàng)造更加逼真的角色動作，特別是在處理軟組織變形、布料擺動或者液體流動等復(fù)雜場景時。在游戲開發(fā)中，這種技術(shù)可以讓虛擬角色的動作更加自然流暢，提升玩家的沉浸感。在電影特效制作中，PhysRig可以簡化復(fù)雜角色的綁定和動畫流程，同時提供更高質(zhì)量的視覺效果。

從更廣闊的視角來看，這項研究代表了計算機圖形學(xué)領(lǐng)域從幾何驅(qū)動向物理驅(qū)動的重要轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的圖形學(xué)方法往往側(cè)重于視覺效果的近似，而PhysRig這樣的方法則追求基于真實物理法則的準確模擬。這種轉(zhuǎn)變不僅提高了視覺質(zhì)量，還為虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實和數(shù)字人等新興應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

當然，這項技術(shù)目前還存在一些局限性。計算復(fù)雜度相比傳統(tǒng)方法有所增加，實時應(yīng)用還需要進一步優(yōu)化。材料參數(shù)的學(xué)習(xí)過程需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，對于全新類型的角色可能需要重新訓(xùn)練。此外，系統(tǒng)假設(shè)角色不同組織的泊松比相似，這在某些情況下可能不夠準確。

展望未來，研究團隊計劃在幾個方向上繼續(xù)改進PhysRig系統(tǒng)。首先是集成真實世界的材料屬性數(shù)據(jù)，讓虛擬角色的物理特性更接近現(xiàn)實。其次是優(yōu)化計算效率，使系統(tǒng)能夠支持實時應(yīng)用場景。第三是擴展系統(tǒng)的適用范圍，讓它能夠處理更多樣化的角色類型和材料組合。

這項研究還可能催生出新的應(yīng)用領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)模擬中，PhysRig的物理建模能力可以用于創(chuàng)建更準確的人體組織模型，幫助醫(yī)生進行手術(shù)規(guī)劃和培訓(xùn)。在工程設(shè)計中，類似的技術(shù)可以用于模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)的變形行為。在教育領(lǐng)域，物理準確的動畫可以幫助學(xué)生更好地理解力學(xué)原理和材料特性。

說到底，PhysRig代表了一種全新的思維方式，它不再滿足于表面的相似性，而是追求內(nèi)在機制的準確性。就像從畫家的寫生轉(zhuǎn)向攝影師的記錄一樣，這種轉(zhuǎn)變標志著數(shù)字角色動畫從藝術(shù)創(chuàng)作向科學(xué)模擬的演進。雖然傳統(tǒng)方法在某些場景下仍然有其價值，但基于物理的方法無疑將成為未來的主流趨勢。

歸根結(jié)底，這項研究為我們提供了一個重要啟示：當我們試圖在數(shù)字世界中重現(xiàn)真實世界的現(xiàn)象時，最好的方法往往是理解和模擬其底層的物理機制，而不是簡單地模仿表面現(xiàn)象。PhysRig的成功證明了這一點，它通過引入真實的物理法則，讓虛擬角色獲得了前所未有的真實感和表現(xiàn)力。對于那些希望在動畫、游戲或者虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域創(chuàng)造更加逼真體驗的開發(fā)者來說，這項技術(shù)無疑提供了一個強有力的工具。感興趣的讀者可以通過arXiv平臺訪問完整的研究論文，深入了解這一創(chuàng)新技術(shù)的具體實現(xiàn)細節(jié)。

Q&A

Q1：PhysRig是什么？它能解決什么問題？ A：PhysRig是一個基于物理原理的虛擬角色動畫技術(shù)，它通過模擬真實的材料物理特性來生成更自然的角色變形。主要解決傳統(tǒng)動畫技術(shù)中出現(xiàn)的體積縮小、不自然彎曲等問題，特別適用于軟組織、柔軟附屬物的動畫制作。

Q2：PhysRig會不會取代現(xiàn)有的動畫制作技術(shù)？ A：目前不會完全取代，但會顯著改變動畫制作方式。傳統(tǒng)的線性混合蒙皮技術(shù)在簡單場景下仍然高效，但PhysRig在需要真實物理效果的復(fù)雜變形中具有明顯優(yōu)勢。未來可能會形成兩種技術(shù)互補使用的局面。

Q3：普通開發(fā)者如何使用PhysRig技術(shù)？有什么要求？ A：目前PhysRig還是研究階段的技術(shù)，普通開發(fā)者可以通過arXiv平臺獲取論文詳細了解實現(xiàn)方法。使用需要一定的計算機圖形學(xué)基礎(chǔ)和物理仿真知識，對計算資源也有一定要求，預(yù)計未來會有更易用的工具包發(fā)布。