PhysGen3D – 开启单图生成交互式 3D 场景的新纪元

PhysGen3D 是什么

PhysGen3D 是一款由清华大学等顶尖高校联合推出的创新性 AI 产品，它能够将单张静态图像转换为可交互的动态 3D 场景，并生成具有物理真实感的视频内容。通过结合基于图像的几何和语义理解以及基于物理的模拟，PhysGen3D 从单张图像中推断物体的 3D 形状、姿态、物理和光照属性，创建出以图像为中心的数字孪生，再利用物质点方法模拟物体的物理行为，最终将动态效果无缝整合到原始图像中，实现了从静态到动态的跨越。

核心功能

• 单图转 3D 场景 ：用户只需上传一张照片，即可自动重建出完整的 3D 场景，包括物体的形状、姿态、光照条件等，连阴影角度都能完美还原。
• 物理模拟与精确控制 ：采用物质点方法模拟真实的物理行为，如弹跳、破碎、流体效果等。用户可以自定义物体的速度、材质属性等初始条件，对生成视频的结果进行精细控制，让物体的运动和交互更加符合现实物理规律。
• 动态跟踪与视频编辑 ：对场景中的物体进行密集 3D 跟踪，支持跨场景物体交换与背景保持，也允许用户在保持原有位置不变的情况下移除特定物体，方便进行各种视频编辑操作。
• 多视角生成 ：支持自由切换摄像机角度，用户可以从不同视角查看和生成动态视频内容，满足多样化的视角需求。
• 绘画处理与输入兼容 ：除了普通照片，还兼容生成图像和手绘作品输入，创作者可以基于绘画等其他图像进行视频创作，拓展了创作的范围和形式。

技术原理

• 3D 场景重建与图像理解 ：通过深度学习算法和多种预训练的视觉模型，从单张图像中提取物体的三维结构信息、表面材质特性和环境光照条件，结合先进的计算机视觉技术和语义分割算法，生成物体的深度点云、多视角图像、背景修复、物体蒙版、网格重建等，确保重建结果的高度准确性。
• 物理模拟与动力学计算 ：基于物质点方法（MPM）这一基于点 - 体素混合框架的物理模拟技术，精确计算物体在虚拟环境中的反事实物理行为，模拟物体的变形、碰撞和运动等动态变化，同时该方法提高了模拟效率，确保了结果的真实性和准确性。
• 基于物理的渲染引擎 ：配备高性能渲染系统，结合光线追踪和实时渲染技术，通过运动插值计算顶点运动，变形网格，使用优化的基于物理的渲染（PBR）材料，在环境光照下利用 Mitsuba3 进行基于物理的渲染，并采用两遍阴影映射技术提取阴影和全局光照效果，将模拟得到的动态数据转化为高质量、视觉逼真的视频输出。

支持平台

PhysGen3D 主要支持 Linux 和 Mac 操作系统，其具体运行环境要求为 Python 3.8+，并且在实现过程中使用了 PyTorch、Mitsuba 3、Dr.Jit、Trimesh、Kaolin、NVDiffrec、Gradio 等工具和库。

团队介绍

PhysGen3D 的开发团队由清华大学等多所顶尖高校的研究人员组成，他们在计算机视觉、图形学、深度学习等领域拥有深厚的技术积累和丰富的研究经验。团队成员在相关领域的权威期刊和会议上发表了众多高质量论文，并且通过紧密合作，将各自的专业优势相结合，成功打造了这款具有创新性和突破性的 AI 产品。

项目资源

• 项目官网 ：https://by - luckk.github.io/PhysGen3D/
• Github 仓库 ：https://github.com/by-luckk/PhysGen3D
• arXiv 技术论文 ：https://arxiv.org/pdf/2503.20746

业务场景

• 影视特效制作 ：能够快速构建具有物理真实感的动态场景，大大节省传统的特效制作时间和成本，帮助特效师更高效地创造出逼真的特效画面，如爆炸、破碎、流体等效果。
• 虚拟 / 增强现实应用 ：为虚拟现实和增强现实内容的创作提供了强大的工具，生成的交互式 3D 场景可以用于创建沉浸式的虚拟展览、虚拟旅游、教育培训等应用，提升用户的沉浸感和体验感。
• 教育培训领域 ：在物理教学中，通过直观地展示物体的物理行为和运动规律，帮助学生更好地理解和掌握物理概念；还可以用于创建虚拟的实验环境，让学生进行虚拟实验操作。
• 游戏开发方面 ：游戏开发者可以利用 PhysGen3D 快速构建游戏中的 3D 场景和关卡，实现更加真实的游戏物理效果，提升游戏的真实感和趣味性，增强玩家的游戏体验。
• 广告营销行业 ：可用于生成吸引人的动态广告内容，通过将产品置于逼真的 3D 场景中，展示产品的使用过程、特点和优势，以更加生动、形象的方式吸引消费者的注意力，提高广告的 effectiveness。