在當(dāng)今科技迅猛發(fā)展的時(shí)代，視頻生成模型取得了令人矚目的進(jìn)步，但對(duì)于如何使這些模型能夠響應(yīng)更自然的物理交互，比如推動(dòng)或風(fēng)吹等真實(shí)世界的力量，一直是一個(gè)未被深入探索的領(lǐng)域。近日，布朗大學(xué)的Nate Gillman、谷歌DeepMind的Charles Herrmann與Deqing Sun，以及布朗大學(xué)的Michael Freeman、Daksh Aggarwal、Evan Luo和Chen Sun共同發(fā)表了一篇題為《力量提示：視頻生成模型可以學(xué)習(xí)并泛化物理力控制信號(hào)》的研究論文。這項(xiàng)研究發(fā)表于2025年5月26日的arXiv預(yù)印本平臺(tái)（arXiv:2505.19386v1），為我們展示了一種全新的方式，讓視頻生成模型能夠理解并響應(yīng)物理力控制。

想象一下，你可以對(duì)著屏幕上的一朵花輕輕一戳，它就會(huì)像真實(shí)世界中那樣搖晃；或者你可以對(duì)著一面旗幟吹一口氣，它就會(huì)隨風(fēng)飄動(dòng)。這正是這項(xiàng)研究要實(shí)現(xiàn)的愿景。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種名為"力量提示"（Force Prompting）的方法，使視頻生成模型能夠接受兩種物理力控制信號(hào)：局部點(diǎn)力（比如戳一下植物）和全局風(fēng)力（比如風(fēng)吹過布料）。

這項(xiàng)研究的最驚人之處在于，盡管只使用了有限的合成訓(xùn)練數(shù)據(jù)（僅約15,000個(gè)訓(xùn)練示例），視頻生成模型卻展現(xiàn)出了令人驚訝的泛化能力，能夠?qū)Ω鞣N不同的物體、材料和環(huán)境做出物理上合理的反應(yīng)。更令人印象深刻的是，整個(gè)訓(xùn)練過程僅需在四臺(tái)A100 GPU上運(yùn)行一天時(shí)間，就能達(dá)到這樣的效果。

一、研究背景與動(dòng)機(jī)

從小時(shí)候起，人類就開始發(fā)展對(duì)物理力的直覺理解：輕輕戳一下植物會(huì)使它搖晃，微風(fēng)會(huì)使織物形成波紋狀。研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)有趣的問題：通過互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的預(yù)訓(xùn)練編碼了強(qiáng)大視覺和運(yùn)動(dòng)先驗(yàn)知識(shí)的視頻生成模型，是否也具有類似的直覺物理理解能力？如果有，我們?nèi)绾尾拍芗ぐl(fā)它們對(duì)力量輸入做出反應(yīng)的能力？

這些問題的答案將為視頻內(nèi)容創(chuàng)作提供更靈活、更具表現(xiàn)力的界面，使用戶能夠通過物理力控制進(jìn)行交互式視頻生成（比如生成一個(gè)視頻游戲），并最終為智能代理提供一個(gè)直觀的世界模型，用于規(guī)劃和決策。

二、力量提示的核心原理

力量提示本質(zhì)上是將物理力作為控制信號(hào)引入視頻生成模型。研究團(tuán)隊(duì)探索了兩種截然不同的力量提示類型：

第一種是局部力提示，如瞬時(shí)的戳或拉，應(yīng)用于特定區(qū)域。想象你用手指輕輕推動(dòng)屏幕上的一個(gè)物體，比如一朵花或一個(gè)玩具車，模型就會(huì)生成這個(gè)物體受到推力后的運(yùn)動(dòng)視頻。

第二種是全局力提示，如作用于整個(gè)場(chǎng)景的持續(xù)定向風(fēng)力。比如你想象一陣風(fēng)從左向右吹過，畫面中的所有可移動(dòng)物體——頭發(fā)、旗幟、樹葉等——都會(huì)相應(yīng)地向右擺動(dòng)。

研究的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于獲取高質(zhì)量的力-視頻配對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)非常困難。在真實(shí)世界中，記錄力信號(hào)本身就很復(fù)雜；而在合成數(shù)據(jù)方面，物理模擬器在視覺質(zhì)量和領(lǐng)域多樣性上都存在局限。

為了解決這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)利用物理模擬器（如Blender）手工制作了完美標(biāo)注的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。他們指定一系列物體及力條件，然后模擬產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)以獲得配對(duì)的訓(xùn)練視頻。研究團(tuán)隊(duì)假設(shè)，這種從模擬到真實(shí)的泛化是可行的，因?yàn)樽钕冗M(jìn)的視頻生成模型已經(jīng)編碼了關(guān)于視覺動(dòng)態(tài)的強(qiáng)大先驗(yàn)知識(shí)，而配對(duì)的力-視頻數(shù)據(jù)只是起到引導(dǎo)它們理解物理力控制信號(hào)的作用。

三、數(shù)據(jù)集構(gòu)建與模型訓(xùn)練

研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了兩個(gè)獨(dú)特的數(shù)據(jù)集，分別用于訓(xùn)練全局力模型和局部力模型。

對(duì)于全局風(fēng)力數(shù)據(jù)集，他們使用Blender構(gòu)建了一個(gè)旗幟在不同風(fēng)力條件下飄動(dòng)的數(shù)據(jù)集。為了生成多樣化的數(shù)據(jù)，他們隨機(jī)化了多個(gè)參數(shù)：旗幟數(shù)量（從1到64不等）、旗幟顏色（從100種選擇中）、旗幟位置、相機(jī)放置、HDRI背景圖像（從50個(gè)選項(xiàng)中選擇）、風(fēng)向（0到360度）和風(fēng)速（從0到1，0表示無風(fēng)，1表示非常強(qiáng)的風(fēng)）。每個(gè)視頻捕捉旗幟從靜止到受風(fēng)影響狀態(tài)的過渡。他們的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集包含15,000個(gè)視頻。

對(duì)于局部力數(shù)據(jù)集，他們創(chuàng)建了兩種場(chǎng)景。第一種場(chǎng)景包含12,000個(gè)球體視頻，其中一個(gè)球被看不見的點(diǎn)力推動(dòng)而滾動(dòng)，而其他球保持靜止。他們通過Blender生成這些視頻，隨機(jī)化了球的數(shù)量（2到4個(gè)）、球的紋理（足球或保齡球）、球的顏色、位置、相機(jī)位置、地面紋理、目標(biāo)球選擇、力的角度和力的大小。保齡球被設(shè)定為足球質(zhì)量的四倍，目的是教導(dǎo)模型基于質(zhì)量的動(dòng)態(tài)。第二種場(chǎng)景（11,000個(gè)視頻）利用PhysDreamer（一種生成-模擬器混合模型）生成被推動(dòng)后前后搖擺的康乃馨視頻。研究團(tuán)隊(duì)生成這些視頻時(shí)隨機(jī)化了相機(jī)位置、接觸點(diǎn)、力角度和力大小。

在兩個(gè)數(shù)據(jù)集中，研究團(tuán)隊(duì)都使用相機(jī)參數(shù)將3D空間中的力投影到2D像素平面上。這種轉(zhuǎn)換將力向量和物體位置從物理世界坐標(biāo)系映射到屏幕坐標(biāo)，使他們能夠在圖像幀內(nèi)建模力。他們還使用GPT-4o API為每個(gè)HDRI背景和地面紋理生成詳細(xì)的文本提示，并為所有PhysDreamer康乃馨視頻創(chuàng)建了一個(gè)共享提示。

四、技術(shù)實(shí)現(xiàn)與力量編碼

由于風(fēng)力是全局應(yīng)用的，而點(diǎn)力是局部應(yīng)用的，研究團(tuán)隊(duì)提出了兩種不同的力編碼策略。

對(duì)于全局風(fēng)力，控制信號(hào)由力F∈[0,1]和角度θ∈[0,360)參數(shù)化。他們將物理提示表示為一個(gè)張量，其中第一通道編碼力的大小，第二和第三通道分別編碼角度的余弦和正弦值。這定義了一個(gè)平滑映射，編碼了風(fēng)力場(chǎng)的角度和大小。

對(duì)于局部點(diǎn)力，控制信號(hào)不僅包括力的大小F∈[0,1]和角度θ∈[0,360)，還包括應(yīng)用力的像素坐標(biāo)(x,y)。他們將控制信號(hào)表示為一系列幀，其中一個(gè)高斯斑點(diǎn)從像素位置(x,y)開始，然后以恒定速度向θ方向移動(dòng)，總距離與力F成比例。當(dāng)力最?。‵=0）時(shí)，總位移是較小的，而當(dāng)力最大（F=1）時(shí)，位移更大。

值得注意的是，這些力提示模型與基于軌跡的視頻生成模型（如Zhang等人和Geng等人的工作）有根本區(qū)別。在力提示中，高斯斑點(diǎn)作為局部力模型的力指示器通常遠(yuǎn)離它影響的像素，正如搖擺花朵的復(fù)雜振蕩運(yùn)動(dòng)所示。同樣，風(fēng)力控制信號(hào)也不指定哪些點(diǎn)必須移動(dòng)到哪些位置，因?yàn)樵摽刂菩盘?hào)是全局的和因果的。

五、架構(gòu)與訓(xùn)練

研究團(tuán)隊(duì)基于CogVideoX-5B-I2V（Yang等人，2024）構(gòu)建了力提示模型，這是一個(gè)接受文本和初始幀作為條件輸入的視頻生成模型。該模型以8fps的速度生成49幀視頻。為了整合力提示條件，他們添加了一個(gè)ControlNet（Zhang等人，2023），該網(wǎng)絡(luò)輸入物理控制提示，通過下采樣、編碼和時(shí)間壓縮處理后，通過零卷積與隱藏狀態(tài)結(jié)合。

ControlNet克隆了前六個(gè)Transformer層并對(duì)它們進(jìn)行微調(diào)，同時(shí)保持基礎(chǔ)模型的Transformer層凍結(jié)。他們?cè)谒膫€(gè)80GB A100 GPU集群上訓(xùn)練模型5000步，大約需要一天時(shí)間。訓(xùn)練使用每設(shè)備1的即時(shí)批量大小，兩個(gè)梯度累積步驟，產(chǎn)生8的有效批量大小。

六、驚人的泛化能力

研究的最關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，盡管訓(xùn)練數(shù)據(jù)有限且視覺外觀合成，視頻生成模型確實(shí)能夠?qū)W習(xí)執(zhí)行精細(xì)的力提示，并表現(xiàn)出驚人的泛化行為。

局部點(diǎn)力模型僅在球體滾動(dòng)（線性運(yùn)動(dòng)）和植物戳動(dòng)（復(fù)雜運(yùn)動(dòng)）場(chǎng)景上訓(xùn)練，但能夠泛化到各種不同的運(yùn)動(dòng)類別：

1. 線性運(yùn)動(dòng)：模型能夠?qū)ν婢哕嚒⒅避壣系耐婢呋疖?、熱氣球等施加力，使它們按照預(yù)期方向移動(dòng)。

2. 振蕩運(yùn)動(dòng)：風(fēng)車、鐘擺、裝飾品和秋千等物體在受到力后能夠進(jìn)行自然的振蕩運(yùn)動(dòng)。

3. 復(fù)雜運(yùn)動(dòng)：環(huán)形軌道上的玩具火車、各種植物（包括常春藤、蘋果樹和花卉）等，能夠根據(jù)力的應(yīng)用展現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模式。

全局風(fēng)力模型僅在旗幟飄動(dòng)（系繩運(yùn)動(dòng)）數(shù)據(jù)上訓(xùn)練，但能夠泛化到不同類型的物理屬性：

1. 系繩運(yùn)動(dòng)：頭發(fā)、布料、人身上的衣物、掛在鉤子上的紙燈籠等能夠隨風(fēng)擺動(dòng)。

2. 空氣動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)：氣泡、落葉、游泳池中的充氣管、漂浮的垃圾、五彩紙屑等在風(fēng)力下表現(xiàn)出自然的運(yùn)動(dòng)。

3. 流體動(dòng)態(tài)：霧、煙、雪、蒸汽等流體現(xiàn)象也能夠受到風(fēng)力影響，展現(xiàn)出逼真的流動(dòng)模式。

通過人類評(píng)估，研究團(tuán)隊(duì)證明力提示在遵循物理指令的同時(shí)保持了逼真的運(yùn)動(dòng)和視覺質(zhì)量，相比于基于文本的基線模型表現(xiàn)更好。這驗(yàn)證了他們的假設(shè)：合成數(shù)據(jù)可以教導(dǎo)視頻生成模型直觀物理學(xué)和控制，而不損害它們的視頻先驗(yàn)知識(shí)。

七、質(zhì)量理解的初步證據(jù)

研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，他們的力條件模型展示了對(duì)質(zhì)量的某種程度理解，即相同的力會(huì)導(dǎo)致較輕的物體比較重的物體移動(dòng)得更遠(yuǎn)。

他們?cè)O(shè)計(jì)了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量足球和保齡球在受到相同力時(shí)的滾動(dòng)距離。結(jié)果證實(shí)了兩個(gè)關(guān)鍵物理原理：對(duì)于兩種球類型，行進(jìn)距離都與施加的力線性增加；而且，足球在所有力大小下都比保齡球行進(jìn)得更遠(yuǎn)，這表明模型對(duì)質(zhì)量依賴的物理學(xué)有直觀理解。

他們還對(duì)四個(gè)具有不同隱含質(zhì)量的幾何相同物體的基準(zhǔn)任務(wù)進(jìn)行了質(zhì)量理解評(píng)估：木制與鑄鐵裝飾品、空與裝滿衣物的洗衣籃、一本、兩本或三本書的堆疊，以及單個(gè)與雙重立方體。結(jié)果表明，較輕的物體在受到相同力時(shí)確實(shí)一致地移動(dòng)得更遠(yuǎn)。這種模式在四個(gè)隨機(jī)種子上保持穩(wěn)健，表明力提示模型中出現(xiàn)了對(duì)質(zhì)量依賴物理學(xué)的初步理解。

八、數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)選擇對(duì)泛化的影響

研究團(tuán)隊(duì)還探索了合成數(shù)據(jù)集設(shè)計(jì)選擇如何影響模型泛化。他們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于局部點(diǎn)力任務(wù)，移除場(chǎng)景中的"干擾球"（即保留只有一個(gè)受點(diǎn)力影響的球）會(huì)顯著降低力的定位能力。沒有干擾球，模型會(huì)表現(xiàn)出不良行為：戳一個(gè)熱氣球時(shí)，所有氣球都會(huì)輕微移動(dòng)；戳玻璃花瓶中的玫瑰花時(shí)，玫瑰和花瓶會(huì)一起移動(dòng)，無法隔離力的施加。

對(duì)于全局風(fēng)力任務(wù)，他們?cè)u(píng)估了兩個(gè)多樣性因素：旗幟數(shù)量和背景多樣性。他們發(fā)現(xiàn)，使用單一背景訓(xùn)練會(huì)導(dǎo)致模型遵循力物理學(xué)，但經(jīng)常無法區(qū)分前景和背景，降低視覺質(zhì)量。同樣，當(dāng)場(chǎng)景僅限于包含一面旗幟而不是可變數(shù)量（1到64面）時(shí)，模型成功建模了布料力學(xué)，但無法泛化到其他材料。在這些情況下，篝火的煙霧不受風(fēng)影響，五彩紙屑要么不響應(yīng)要么不自然地懸浮，氣泡不響應(yīng)風(fēng)，而人體四肢不正確地像布料一樣飄動(dòng)。

九、文本提示特異性的重要性

研究團(tuán)隊(duì)還調(diào)查了文本提示中的特異性如何影響模型輸出。他們進(jìn)行了一項(xiàng)2×2網(wǎng)格搜索消融研究，訓(xùn)練和測(cè)試他們的風(fēng)模型時(shí)使用或不使用風(fēng)相關(guān)關(guān)鍵詞（風(fēng)/微風(fēng)/吹）。結(jié)果表明，在訓(xùn)練過程中省略這些關(guān)鍵詞會(huì)顯著增加基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集中的失敗案例——霧保持靜止，燈籠意外倒塌，蒸汽無故出現(xiàn)。相比之下，使用特定于風(fēng)的術(shù)語訓(xùn)練的模型展示了對(duì)多樣化風(fēng)場(chǎng)景的更好泛化能力。

有趣的是，這些關(guān)鍵詞在推理過程中的存在比在訓(xùn)練過程中的影響要小，盡管使用風(fēng)術(shù)語通常會(huì)產(chǎn)生更穩(wěn)健的結(jié)果。

十、研究的局限性與失敗案例

盡管成功，研究也存在一些局限性。力提示模型展示了相關(guān)性問題——例如，在頭發(fā)吹動(dòng)場(chǎng)景中，面部有時(shí)會(huì)根據(jù)風(fēng)向重新定向，這可能反映了訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的模式，即頭發(fā)通常向后吹動(dòng)。該方法受到底層視頻先驗(yàn)的物理理解能力的根本限制；研究團(tuán)隊(duì)專注于控制現(xiàn)有物理能力，而非改進(jìn)模型的物理理解。

研究還發(fā)現(xiàn)了一些失敗案例，比如當(dāng)基礎(chǔ)模型的物理學(xué)超出領(lǐng)域時(shí)（如嘗試滾動(dòng)非球形物體），或當(dāng)視頻先驗(yàn)與力提示的意圖沖突時(shí)（如搖椅移動(dòng)方向正確，但基礎(chǔ)視頻模型難以區(qū)分前景和背景物體）。

十一、結(jié)論與未來方向

這項(xiàng)研究介紹了力提示，使用戶能夠通過物理上有意義的控制與生成視頻模型交互，包括局部點(diǎn)力和全局風(fēng)力效果。研究表明，視頻生成模型可以成功學(xué)習(xí)響應(yīng)基于力的條件，從有限的合成訓(xùn)練數(shù)據(jù)中進(jìn)行廣泛泛化，而在推理時(shí)不需要物理模擬器。

這些結(jié)果表明了一個(gè)有希望的方向，可以開發(fā)響應(yīng)自然物理交互的直觀世界模型，潛在應(yīng)用于創(chuàng)意內(nèi)容生成和具身AI規(guī)劃。研究團(tuán)隊(duì)已在項(xiàng)目頁面https://force-prompting.github.io/上發(fā)布了所有數(shù)據(jù)集、代碼和模型。

這項(xiàng)工作不僅展示了視頻生成模型的潛力，也為我們提供了一種新的交互方式，使數(shù)字內(nèi)容創(chuàng)作更接近真實(shí)世界的物理交互體驗(yàn)。通過簡單的物理力輸入，我們可以讓虛擬物體以自然、直觀的方式響應(yīng)，就像它們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界中那樣，這為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)和交互式媒體創(chuàng)造了新的可能性。