這項(xiàng)由東卡羅來納大學(xué)的拉斐爾·杜薩布隆（Raphael Du Sablon）和大衛(wèi)·哈特（David Hart）共同完成的研究發(fā)表于2025年8月，論文標(biāo)題為《Optimization-Free Style Transfer for 3D Gaussian Splats》。有興趣深入了解的讀者可以通過論文的GitHub代碼庫（https://github.com/davidmhart/FastSplatStyler）獲取更多技術(shù)細(xì)節(jié)和實(shí)現(xiàn)代碼。

在數(shù)字藝術(shù)和3D建模的世界里，有一種叫做"3D高斯點(diǎn)云"（3D Gaussian Splats）的新技術(shù)正在悄然改變游戲規(guī)則?？梢园阉胂蟪捎脽o數(shù)個(gè)彩色的小光球來重現(xiàn)真實(shí)世界的場景，每個(gè)光球都有自己的位置、大小、顏色和透明度。當(dāng)這些光球巧妙地組合在一起時(shí)，就能創(chuàng)造出極其逼真的3D場景，就像用數(shù)以萬計(jì)的發(fā)光粉末重新描繪了整個(gè)世界。

但是，當(dāng)人們想要給這些3D場景換個(gè)"畫風(fēng)"——比如讓一個(gè)普通的房間看起來像梵高的星空夜，或者讓一朵花變成畢加索風(fēng)格的抽象藝術(shù)時(shí)，傳統(tǒng)方法就顯得力不從心了。這就像要給一幅已經(jīng)完成的巨型拼圖換顏色，你得把每一塊拼圖都重新繪制一遍，不僅耗時(shí)耗力，還需要強(qiáng)大的計(jì)算設(shè)備。

現(xiàn)有的解決方案就像請一位畫師重新創(chuàng)作整幅作品。每當(dāng)你想要改變畫風(fēng)時(shí)，這位畫師都得從頭開始，重新觀察原始照片，重新調(diào)配顏料，重新一筆一筆地繪制。這個(gè)過程不僅需要幾十分鐘甚至幾小時(shí)，還必須保留所有原始的照片資料，更要求使用專業(yè)級的繪畫設(shè)備。

東卡羅來納大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)革命性的想法：與其重新繪制整幅畫，為什么不像給已有的畫作覆蓋一層透明的彩色濾鏡呢？他們的方法就像是一位神奇的魔術(shù)師，只需要揮揮魔法棒，就能讓任何3D場景瞬間變換風(fēng)格，而且整個(gè)過程不到兩分鐘，甚至在普通的家用電腦上也能輕松完成。

這項(xiàng)研究的核心創(chuàng)新在于將3D空間中散布的無數(shù)光球巧妙地連接成一個(gè)虛擬的表面網(wǎng)絡(luò)，就像在太空中的星星之間畫出星座圖一樣。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，雖然這些光球看似隨意分布在三維空間中，但實(shí)際上它們大多聚集在物體的表面附近，形成了一個(gè)"假想的表面"。通過在這個(gè)假想表面上構(gòu)建一個(gè)類似神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖形結(jié)構(gòu)，他們成功地將原本只能用于平面圖像的風(fēng)格轉(zhuǎn)換技術(shù)移植到了3D世界。

這種方法的妙處在于它完全跳過了傳統(tǒng)的重建過程。就像你不需要重新制作一部電影，只需要給它加上不同的濾鏡效果，就能營造出完全不同的視覺感受。研究團(tuán)隊(duì)的方法能夠直接在現(xiàn)有的3D高斯點(diǎn)云上工作，無需任何額外的訓(xùn)練或優(yōu)化過程，也不需要保留創(chuàng)建這些3D場景時(shí)使用的原始照片。

一、神奇的表面重建：讓散亂的光球變成有序的網(wǎng)絡(luò)

想象你面前有一個(gè)巨大的透明玻璃球，里面飄浮著成千上萬個(gè)發(fā)光的彩色小球，每個(gè)小球都代表3D場景中的一個(gè)點(diǎn)。從遠(yuǎn)處看，這些小球似乎雜亂無章地分布著，但仔細(xì)觀察會發(fā)現(xiàn)，它們實(shí)際上大多聚集在一些看不見的表面附近，就像宇宙中的星系沿著暗物質(zhì)的絲狀結(jié)構(gòu)分布一樣。

研究團(tuán)隊(duì)的第一個(gè)關(guān)鍵洞察就是發(fā)現(xiàn)了這個(gè)規(guī)律。在3D高斯點(diǎn)云的創(chuàng)建過程中，系統(tǒng)會自動將大部分光球放置在物體表面附近，因?yàn)檫@樣能夠最有效地重現(xiàn)真實(shí)場景的外觀。這就形成了一個(gè)"偽表面"——雖然沒有真正的表面存在，但光球的分布暗示了物體的輪廓和形狀。

利用這個(gè)發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套巧妙的方法來重建這個(gè)隱含的表面。首先，他們將每個(gè)光球的中心點(diǎn)提取出來，就像在夜空中標(biāo)記每顆星星的位置。然后，使用一種叫做"K近鄰"的算法，為每個(gè)點(diǎn)找到它最近的16個(gè)鄰居，并在它們之間建立連接，就像在星座圖中用線條連接星星一樣。

這個(gè)過程最精妙的部分是方向的確定。研究團(tuán)隊(duì)使用了一種叫做"球旋轉(zhuǎn)采樣"的經(jīng)典算法來估算每個(gè)點(diǎn)的法向量——簡單來說，就是確定每個(gè)點(diǎn)所在表面的"朝向"。這就像確定每片葉子的正面和背面一樣，為后續(xù)的處理提供了重要的方向信息。

接下來，他們使用一種叫做"格拉姆-施密特正交化"的數(shù)學(xué)技巧，為每個(gè)點(diǎn)建立一個(gè)局部的坐標(biāo)系統(tǒng)。這個(gè)過程就像為每個(gè)點(diǎn)安裝一個(gè)微型的指南針，不僅指明了"北方"（法向量方向），還確定了"東方"和"南方"。這樣，即使是在三維空間中彎曲復(fù)雜的表面，每個(gè)小區(qū)域都有了清晰的方向參照。

最終，這個(gè)看似簡單的過程創(chuàng)造了一個(gè)奇跡：原本散亂分布的光球被組織成了一個(gè)有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道自己的位置、方向和鄰居關(guān)系。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)成為了后續(xù)風(fēng)格轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)，就像為一場精彩的交響樂準(zhǔn)備好了所有的樂譜和指揮。

二、借力打力：讓平面魔法在3D世界生效

現(xiàn)在面臨的挑戰(zhàn)就像試圖將一個(gè)專門為平面繪畫設(shè)計(jì)的畫筆用在雕塑上。傳統(tǒng)的風(fēng)格轉(zhuǎn)換技術(shù)，比如那些能夠?qū)⑵胀ㄕ掌兂设蟾唢L(fēng)格畫作的人工智能系統(tǒng)，都是專門為二維圖像設(shè)計(jì)的。它們就像一位技藝精湛的畫師，知道如何在平整的畫布上揮灑顏料，但面對立體的雕塑就束手無策了。

研究團(tuán)隊(duì)的天才之處在于找到了一種"降維打擊"的方法。他們意識到，雖然3D場景是立體的，但在每個(gè)小的局部區(qū)域內(nèi)，表面實(shí)際上可以近似看作是平坦的，就像地球表面對于我們?nèi)祟悂碚f基本是平的一樣。利用前面建立的局部坐標(biāo)系統(tǒng)，他們可以將每個(gè)小區(qū)域"展平"，讓原本為平面設(shè)計(jì)的風(fēng)格轉(zhuǎn)換工具能夠正常工作。

這個(gè)過程使用了一種叫做"選擇卷積"（SelectionConv）的技術(shù)。簡單來說，這就像是一個(gè)智能的萬能適配器，能夠?qū)ｉT用于處理規(guī)整網(wǎng)格圖像的算法調(diào)整為可以處理不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形式。就好比將一個(gè)只能在標(biāo)準(zhǔn)棋盤上移動的象棋程序改造為能夠在不規(guī)則多邊形板上下棋的版本。

具體的工作原理是這樣的：原始的風(fēng)格轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)包含許多層，每一層都像一個(gè)過濾器，能夠識別和處理圖像中的不同特征。研究團(tuán)隊(duì)將這些過濾器的參數(shù)直接復(fù)制到他們構(gòu)建的3D網(wǎng)絡(luò)中，但是將原本在規(guī)整像素網(wǎng)格上的操作轉(zhuǎn)換為在不規(guī)則節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)上的操作。

這種轉(zhuǎn)換過程中最巧妙的部分是方向的處理。在平面圖像中，每個(gè)像素都有固定的上下左右鄰居，但在3D網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居可能在各個(gè)方向上。研究團(tuán)隊(duì)使用之前建立的局部坐標(biāo)系統(tǒng)，將每條連接邊按照其在局部平面上的方向進(jìn)行分類，然后將相同方向的邊歸為一組進(jìn)行處理。這就像是將一個(gè)復(fù)雜的立體迷宮分解為多個(gè)平面地圖，然后分別在每個(gè)地圖上導(dǎo)航。

令人驚訝的是，盡管3D場景中的點(diǎn)不像平面圖像中的像素那樣嚴(yán)格平坦，但這種近似處理的效果依然非常好。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，3D高斯點(diǎn)云天然的分布特性使得大多數(shù)相鄰的點(diǎn)確實(shí)接近于同一平面，這為這種"局部平坦化"的處理方式提供了理論支撐。

三、精雕細(xì)琢：提升風(fēng)格轉(zhuǎn)換的質(zhì)量

雖然基礎(chǔ)的方法已經(jīng)能夠工作，但研究團(tuán)隊(duì)并沒有滿足于此。他們發(fā)現(xiàn)，直接使用光球的中心點(diǎn)來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)有時(shí)會導(dǎo)致一些細(xì)節(jié)的丟失，就像用粗糙的畫筆無法繪制精細(xì)的圖案一樣。

為了解決這個(gè)問題，他們開發(fā)了一種"超級采樣"技術(shù)?；叵胍幌拢總€(gè)光球?qū)嶋H上代表的是一個(gè)三維的高斯分布，就像一團(tuán)彩色的霧氣。研究團(tuán)隊(duì)的想法是，與其只使用霧氣的中心點(diǎn)，為什么不從整團(tuán)霧氣中采樣更多的點(diǎn)呢？

這個(gè)采樣過程是智能化的。那些更大、更不透明的光球會被采樣更多的點(diǎn)，因?yàn)樗鼈冊谧罱K的視覺效果中貢獻(xiàn)更大。這就像在制作一幅馬賽克畫時(shí)，對于重要的區(qū)域使用更小、更密集的瓷磚片。通過這種方式，生成的網(wǎng)絡(luò)能夠保持更多的細(xì)節(jié)信息，讓風(fēng)格轉(zhuǎn)換的結(jié)果更加精致。

另一個(gè)重要的改進(jìn)是噪聲過濾。在3D高斯點(diǎn)云的創(chuàng)建過程中，有時(shí)會產(chǎn)生一些"孤兒"光球——它們遠(yuǎn)離主體，孤零零地漂浮在空間中。這些孤兒光球就像照片中的噪點(diǎn)，不僅不美觀，還會干擾風(fēng)格轉(zhuǎn)換的效果。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單而有效的過濾算法。他們計(jì)算每個(gè)光球與其鄰居的平均距離，那些距離異常大的光球就被識別為噪聲并被移除。這個(gè)過程就像清理花園時(shí)移除雜草，讓主要的植物能夠更好地展示其美麗。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種過濾能夠達(dá)到98.87%的準(zhǔn)確率，在幾乎不影響正常內(nèi)容的情況下有效移除噪聲。更重要的是，這種過濾不僅改善了視覺效果，還提高了風(fēng)格轉(zhuǎn)換的質(zhì)量，因?yàn)樗惴ú辉傩枰幚砟切┗靵y的噪聲信號。

四、速度的藝術(shù)：讓魔法在眨眼間完成

在風(fēng)格轉(zhuǎn)換的世界里，速度往往是一個(gè)巨大的痛點(diǎn)。傳統(tǒng)的方法需要重新訓(xùn)練或優(yōu)化整個(gè)3D場景，這個(gè)過程就像重新烘焙一整個(gè)蛋糕，即使你只想改變表面的裝飾。這些傳統(tǒng)方法通常需要20到180分鐘才能完成一次風(fēng)格轉(zhuǎn)換，而且必須使用高端的圖形處理器。

研究團(tuán)隊(duì)的方法徹底改變了這個(gè)局面。他們的整個(gè)流程被設(shè)計(jì)為"一次性"操作：構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用風(fēng)格轉(zhuǎn)換、插值回原始光球，然后就完成了。整個(gè)過程就像使用一個(gè)即時(shí)的魔法咒語，無需復(fù)雜的儀式或長時(shí)間的等待。

更令人驚喜的是，這個(gè)方法主要依靠CPU進(jìn)行計(jì)算，只有風(fēng)格轉(zhuǎn)換的核心步驟需要使用GPU加速。這意味著即使在普通的筆記本電腦上，整個(gè)過程也能在兩分鐘內(nèi)完成。研究團(tuán)隊(duì)甚至在蘋果的M2芯片上進(jìn)行了測試，證明了方法的通用性和效率。

這種速度優(yōu)勢不僅僅是技術(shù)上的進(jìn)步，更是實(shí)用性的革命。藝術(shù)家和設(shè)計(jì)師可以快速嘗試不同的風(fēng)格效果，就像試穿不同的衣服一樣輕松。這種即時(shí)反饋的能力極大地拓展了創(chuàng)意探索的可能性。

在與其他方法的對比測試中，研究團(tuán)隊(duì)的方法展現(xiàn)出了壓倒性的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的G-style方法需要12.5分鐘，StyleGaussian方法雖然風(fēng)格化步驟很快，但需要3小時(shí)的預(yù)處理時(shí)間，而這項(xiàng)新方法總共只需要1分鐘就能完成所有步驟。

五、視覺效果的檢驗(yàn)：當(dāng)理論遇見現(xiàn)實(shí)

理論再完美，如果實(shí)際效果不佳，也只是紙上談兵。研究團(tuán)隊(duì)在多個(gè)不同類型的3D場景上測試了他們的方法，包括來自知名數(shù)據(jù)集Tanks and Temples的專業(yè)場景，以及使用手機(jī)應(yīng)用Scaniverse創(chuàng)建的用戶生成內(nèi)容。

測試結(jié)果令人印象深刻。在高質(zhì)量的3D場景上，新方法能夠產(chǎn)生與傳統(tǒng)方法媲美的視覺效果。風(fēng)格的色彩能夠準(zhǔn)確地傳遞到3D場景中，內(nèi)容的細(xì)節(jié)得到了很好的保持。更重要的是，由于風(fēng)格信息被直接存儲在每個(gè)光球中，轉(zhuǎn)換后的場景可以從任意角度觀看，都能保持一致的風(fēng)格效果。

在與現(xiàn)有最先進(jìn)方法的對比中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了各自的特點(diǎn)。G-style方法由于能夠在優(yōu)化過程中移動光球位置，在某些情況下能夠達(dá)到最佳的內(nèi)容保持效果。StyleGaussian方法在某些場景下表現(xiàn)良好，但需要為每個(gè)場景重新訓(xùn)練特征提取網(wǎng)絡(luò)。而新方法在色彩匹配方面表現(xiàn)出色，雖然在某些極端情況下可能不如專門優(yōu)化的方法那樣銳利，但考慮到其便利性和速度優(yōu)勢，這種權(quán)衡是值得的。

特別值得一提的是超級采樣技術(shù)的效果。在一個(gè)包含復(fù)雜細(xì)節(jié)的咖啡機(jī)場景測試中，傳統(tǒng)的單點(diǎn)采樣方法導(dǎo)致了大量細(xì)節(jié)的丟失，包括按鈕邊界、文字標(biāo)識等精細(xì)特征。而使用超級采樣的方法成功保留了這些細(xì)節(jié)，風(fēng)格轉(zhuǎn)換的結(jié)果既保持了原始內(nèi)容的完整性，又成功地融入了目標(biāo)風(fēng)格的特征。

法向量準(zhǔn)確性的重要性也得到了驗(yàn)證。當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)故意使用隨機(jī)方向替代準(zhǔn)確計(jì)算的法向量時(shí)，風(fēng)格轉(zhuǎn)換的效果立即變得模糊不清，失去了應(yīng)有的細(xì)節(jié)和對比度。這證明了精確的幾何信息對于高質(zhì)量風(fēng)格轉(zhuǎn)換的重要性。

六、技術(shù)局限與未來展望：誠實(shí)面對挑戰(zhàn)

誠實(shí)地說，這項(xiàng)技術(shù)也不是萬能的魔法棒。研究團(tuán)隊(duì)坦誠地指出了方法的幾個(gè)局限性，這種科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度值得贊賞。

首先，新方法無法改變3D場景的幾何形狀。如果目標(biāo)風(fēng)格需要顯著的形狀變化——比如將一個(gè)圓形物體轉(zhuǎn)換成方形——這種方法就無能為力了。它更像是給雕塑換了顏色和紋理，而不是重新塑造雕塑的形狀。這與那些能夠在優(yōu)化過程中調(diào)整光球位置的方法相比，在某些極端情況下可能顯得不夠靈活。

其次，方法依賴于"偽隱式表面"的假設(shè)。雖然在測試的場景中這個(gè)假設(shè)都得到了驗(yàn)證，但對于一些特殊的3D高斯點(diǎn)云——比如那些光球分布極其稀疏或不規(guī)律的場景——方法的效果可能會受到影響。這就像為平原地區(qū)設(shè)計(jì)的導(dǎo)航系統(tǒng)在極地或深海環(huán)境中可能需要特別的調(diào)整。

此外，雖然方法在大多數(shù)情況下表現(xiàn)出色，但在某些需要極其銳利邊緣效果的風(fēng)格轉(zhuǎn)換中，可能不如專門針對特定場景進(jìn)行優(yōu)化的方法那樣完美。這是便利性與完美性之間的權(quán)衡，就像即食食品雖然方便快捷，但在某些方面可能不如精心烹制的大餐那樣精致。

展望未來，研究團(tuán)隊(duì)提出了幾個(gè)有趣的改進(jìn)方向。他們考慮將基礎(chǔ)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)替換為更現(xiàn)代的視覺變換器或基于擴(kuò)散的模型，這可能會帶來更好的風(fēng)格轉(zhuǎn)換效果。當(dāng)然，這樣的改進(jìn)需要對底層的圖形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，這將是一個(gè)有趣但充滿挑戰(zhàn)的研究方向。

另一個(gè)可能的改進(jìn)是開發(fā)更智能的幾何感知能力。如果系統(tǒng)能夠更好地理解3D場景的語義信息——比如識別出哪些部分是建筑物、哪些是植物、哪些是人物——就可能實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)和個(gè)性化的風(fēng)格轉(zhuǎn)換效果。

說到底，這項(xiàng)研究最大的價(jià)值不僅僅在于它提供了一個(gè)更快更便捷的風(fēng)格轉(zhuǎn)換工具，更在于它開辟了一條全新的思路。它證明了有時(shí)候最好的解決方案不是讓工具變得更復(fù)雜，而是找到更巧妙的方法來利用現(xiàn)有的資源。就像武俠小說中的以柔克剛，這項(xiàng)技術(shù)用簡單優(yōu)雅的方式解決了一個(gè)復(fù)雜的問題。

對于普通用戶來說，這項(xiàng)技術(shù)的意義是深遠(yuǎn)的。它讓3D內(nèi)容的個(gè)性化成為了可能，無論是游戲開發(fā)者想要快速測試不同的視覺風(fēng)格，還是建筑師希望為客戶展示不同的裝飾效果，或者是藝術(shù)家想要探索新的創(chuàng)作可能，這個(gè)工具都能提供前所未有的便利。更重要的是，由于其較低的硬件要求，這種技術(shù)有可能真正普及到普通消費(fèi)者的設(shè)備上，讓每個(gè)人都能成為3D世界的藝術(shù)家。

最終，這項(xiàng)研究提醒我們，在追求技術(shù)完美的道路上，有時(shí)候換一個(gè)角度思考問題，可能會發(fā)現(xiàn)更加優(yōu)雅和實(shí)用的解決方案。正如研究團(tuán)隊(duì)所展示的，真正的創(chuàng)新往往不是讓現(xiàn)有的方法變得更加復(fù)雜，而是找到一種全新的、更加簡單有效的途徑來達(dá)成目標(biāo)。

Q&A

Q1：3D高斯點(diǎn)云風(fēng)格轉(zhuǎn)換是什么？有什么用處？

A：3D高斯點(diǎn)云風(fēng)格轉(zhuǎn)換就是給3D場景換"畫風(fēng)"的技術(shù)，比如讓一個(gè)普通房間看起來像梵高的星空夜。它在游戲開發(fā)、建筑設(shè)計(jì)、藝術(shù)創(chuàng)作等領(lǐng)域很有用，可以讓設(shè)計(jì)師快速嘗試不同視覺效果，就像給照片加濾鏡一樣簡單。

Q2：這項(xiàng)技術(shù)比傳統(tǒng)方法有什么優(yōu)勢？

A：最大優(yōu)勢是速度快和使用方便。傳統(tǒng)方法需要20分鐘到3小時(shí)，還需要高端設(shè)備和原始照片，而這種新方法只需1-2分鐘，普通電腦就能運(yùn)行。而且不需要重新訓(xùn)練或優(yōu)化，直接在現(xiàn)有3D場景上就能工作。

Q3：普通人可以使用這項(xiàng)技術(shù)嗎？有什么限制？

A：目前這項(xiàng)技術(shù)主要面向?qū)I(yè)用戶，代碼已在GitHub開源。技術(shù)限制是不能改變物體形狀，只能改變顏色和紋理風(fēng)格。對于光球分布很稀疏或不規(guī)律的3D場景，效果可能會受影響。