UniRig – 开启 3D 动画制作新纪元的自动骨骼绑定框架

一、UniRig 是什么

UniRig 是由清华大学计算机系与 VAST 联合研发的开源自动骨骼绑定框架，旨在通过 AI 技术革新 3D 模型动画制作流程。它基于大型自回归模型和创新的骨骼树标记化技术，能够为人类、动物、机械结构等各类 3D 模型自动生成高质量的骨骼拓扑与蒙皮权重，解决了传统绑定流程中耗时、专业门槛高的核心痛点，实现了从静态模型到可动画角色的端到端转换，无需人工干预骨骼层级设计，且在 Rig-XL 数据集测试中，骨骼预测精度提升 215%，动画变形质量提升 194%。

二、核心功能

1. 自动骨骼生成 ：可为各种 3D 模型，如人类、动物、虚构角色等，生成拓扑结构正确的骨骼树。无论模型是简单还是复杂，UniRig 都能快速准确地构建出适合其结构的骨骼框架，为后续的动画制作奠定基础。
2. 蒙皮权重预测 ：精准预测每个骨骼对网格顶点的影响权重，确保网格在骨骼动画驱动下自然变形。这样可以使角色的动作更加流畅、真实，避免出现不自然的形变或穿模现象。
3. 支持多样化模型 ：适用于多种类型的 3D 模型，涵盖复杂的有机和无机结构。无论是动漫角色、生物模型，还是机械装置等，UniRig 都能为其提供有效的骨骼绑定方案。
4. 高效动画制作 ：极大地提高动画制作的效率，减少手动操作的时间和工作量。传统的骨骼绑定过程可能需要数天甚至更长时间，而 UniRig 可以在短时间内完成高质量的绑定任务，让动画师能够将更多精力投入到创意和动画细节中。
5. 动态效果支持 ：生成支持物理模拟的骨骼属性，如弹簧骨骼等。通过引入物理属性，可以使角色的运动更加符合物理规律，增强动画的真实感，比如模拟头发的飘动、布料的摆动等。

三、技术原理

1. 骨骼树标记化 ：采用深度优先搜索算法将骨骼结构序列化，将具有复杂关节相互依赖关系的层级化骨骼结构，表示为适合 Transformer 处理的线性序列，即骨骼树标记化。同时使用特殊标记（如 ）标识骨骼类型，如弹簧骨骼、模板骨骼等。该方法不仅高效地编码了关节坐标、层级结构和骨骼语义，还减少了序列长度，相比传统方法可压缩标记长度至 1/5 左右，从而提高模型的训练和推理效率。
2. 自回归预测网络 ：基于 Transformer 架构的自回归模型（如 Skeleton Tree GPT）预测骨骼树。模型以从 3D 网格采样的点云和可选的类别信息为输入，逐个生成标记构建骨骼树，确保生成的骨骼结构在拓扑上是有效的，从而保证了骨骼树的合理性和准确性。
3. 骨骼点交叉注意力机制 ：基于点云编码器和骨骼编码器分别提取点云和骨骼树的特征，然后利用交叉注意力机制结合两种特征，以此预测蒙皮权重。这种机制能够更精准地计算出每个骨骼对网格顶点的影响程度，提高蒙皮权重预测的准确性，使模型在动画过程中的形变更自然。
4. 大规模数据集 ：为训练和评估 UniRig，研究者们构建了 Rig-XL 数据集，其中包含超过 14,000 个 3D 模型，涵盖多种类别。数据集的多样性和规模让 UniRig 能够学习到不同类型 3D 模型的骨骼结构和蒙皮权重的分布规律，从而提高模型的泛化能力，使其能够更好地应对各种复杂的 3D 模型绑定任务。
5. 物理模拟辅助训练 ：在训练过程中引入物理模拟，基于模拟骨骼在物理力（如重力、弹性力）下的运动，评估预测的蒙皮权重和骨骼属性的合理性。这种间接监督方法能够引导模型学习到更逼真的蒙皮权重，进而提高动画的真实感，使角色的运动更加符合物理规律。

四、支持平台

UniRig 主要支持 Linux、Windows 和 macOS 等操作系统，可与常见的 3D 建模和动画制作软件相结合，如 Blender、Maya 等，为用户提供更便捷的使用体验，满足不同用户在不同平台上的开发和创作需求。

五、团队介绍

UniRig 的研发团队由清华大学计算机系与 VAST 组成。清华大学计算机系在人工智能、计算机图形学等领域拥有深厚的学术底蕴和丰富的研究成果，为 UniRig 的理论研究和技术创新提供了坚实的支持。VAST 作为一家专注于 AIGC 3D 大模型的创业公司，具备强大的技术研发实力和对行业需求的敏锐洞察力，能够将学术研究与实际应用紧密结合，推动 UniRig 在 3D 动画制作领域的落地和应用。此外，团队中还有来自香港大学等机构的专业人士共同参与项目的研究与开发，进一步提升了项目的技术水平和创新能力。

六、项目资源

• 官网
• 源码

七、业务场景

1. 游戏开发 ：在游戏制作中，角色和道具的动画制作是一个关键环节。UniRig 可以快速为游戏中的各种 3D 模型生成骨骼绑定，提高游戏开发的效率，缩短制作周期，使开发者能够更快速地推出高质量的游戏作品。例如，为游戏中的角色生成自然的动作动画，为机械道具赋予逼真的运动效果等。
2. 影视动画制作 ：对于影视动画行业，UniRig 能够帮助动画师更高效地完成复杂的角色动画制作，提升动画的生产效率和质量，降低制作成本。无论是人物角色还是动物、奇幻生物等，都可以通过 UniRig 快速生成高质量的骨骼绑定，实现更加流畅、自然的动画效果，满足影视动画对高质量画面的需求。
3. 虚拟现实与增强现实 ：在虚拟现实和增强现实应用中，需要大量的 3D 模型具备实时的动画效果。UniRig 可以为这些模型提供快速、准确的骨骼绑定解决方案，使虚拟角色和物体在虚拟环境或现实场景中能够做出自然的动作和反应，增强用户体验的真实感和沉浸感。
4. 教育与培训 ：在教育领域，UniRig 可以用于制作生动的 3D 教学资源，如人体解剖学模型、生物运动模拟等。通过自动骨骼绑定技术，使这些模型能够更加直观地展示其运动机制和结构特点，帮助学生更好地理解和掌握相关知识。此外，在职业培训中，也可以利用 UniRig 为培训模型添加动画效果，提高培训的效果和趣味性。