這項由伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的張浩、徐浩蘭、馮春以及Stability AI的Varun Jampani和伊利諾伊大學的Narendra Ahuja共同完成的研究發(fā)表于2025年6月26日的arXiv預印本平臺，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)動畫技術的工作原理。目前業(yè)界廣泛使用的技術叫做線性混合蒙皮，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構，就像一個裝滿果凍的容器。當骨骼系統(tǒng)驅動角色運動時，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)格結構。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)生相應的變形。系統(tǒng)通過計算材料的應力應變關系和動態(tài)響應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)生的反應一樣。

為了讓這個系統(tǒng)能夠實際應用，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習的參數(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)化學習。

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重，用于初始化嵌入式驅動點的位置。這些驅動點就像是角色內(nèi)部的控制節(jié)點，負責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)來學習角色不同部位的材料特性，從而實現(xiàn)更真實的變形效果。

為了初始化驅動點的位置，研究團隊開發(fā)了一套基于蒙皮權重的粗到細策略。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)會檢測關節(jié)位置并在每個關節(jié)均勻放置多個驅動點，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Objaverse、神奇動物園和Mixamo的17個結構不同的對象，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)學習材料屬性的能力，團隊為每個運動序列提供了兩種不同的材料配置：均質材料對象和異質材料對象，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習每點材料屬性或使用三平面材料場都有顯著優(yōu)勢。驅動點的關節(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，PhysRig還展示了在姿態(tài)轉移應用中的潛力。系統(tǒng)可以從輸入網(wǎng)格序列中提取骨骼信息，然后將骨骼角度轉移到生成的對象上。通過計算連續(xù)幀之間的關節(jié)速度，系統(tǒng)可以驅動生成網(wǎng)格的變形。與依賴蒙皮權重的傳統(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層面的改進。在動畫制作領域，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雜場景時。在游戲開發(fā)中，這種技術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可以簡化復雜角色的綁定和動畫流程，同時提供更高質量的視覺效果。

從更廣闊的視角來看，這項研究代表了計算機圖形學領域從幾何驅動向物理驅動的重要轉變。傳統(tǒng)的圖形學方法往往側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。這種轉變不僅提高了視覺質量，還為虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實和數(shù)字人等新興應用奠定了技術基礎。

當然，這項技術目前還存在一些局限性。計算復雜度相比傳統(tǒng)方法有所增加，實時應用還需要進一步優(yōu)化。材料參數(shù)的學習過程需要大量的訓練數(shù)據(jù)，對于全新類型的角色可能需要重新訓練。此外，系統(tǒng)假設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用領域。在醫(yī)學模擬中，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)生進行手術規(guī)劃和培訓。在工程設計中，類似的技術可以用于模擬復雜結構的變形行為。在教育領域，物理準確的動畫可以幫助學生更好地理解力學原理和材料特性。

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向攝影師的記錄一樣，這種轉變標志著數(shù)字角色動畫從藝術創(chuàng)作向科學模擬的演進。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)實領域創(chuàng)造更加逼真體驗的開發(fā)者來說，這項技術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，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？ 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在簡單場景下仍然高效，但PhysRig在需要真實物理效果的復雜變形中具有明顯優(yōu)勢。未來可能會形成兩種技術互補使用的局面。

Q3：普通開發(fā)者如何使用PhysRig技術？有什么要求？ A：目前PhysRig還是研究階段的技術，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基礎和物理仿真知識，對計算資源也有一定要求，預計未來會有更易用的工具包發(fā)布。