PhysDreamer：够识别和理解3D对象的物理材质属性并生成真实物理动态

PhysDreamer是一个由多所大学（包括麻省理工学院、斯坦福大学、哥伦比亚大学和康奈尔大学）合作开发基于真实物理规律的3D交互技术项目，旨在通过物理基础的方法使静态3D对象能够响应交互式刺激，实现动态反应。

这个项目的核心目的是为静态3D对象提供一种新的交互方式，使它们能够响应外界的操作和力的作用，从而在虚拟环境中创造出更加真实和沉浸式的体验。

PhysDreamer利用从视频生成模型学到的动态先验知识。这些模型在大量的视频数据上预训练，能够捕捉物体在各种动作和交互下的行为模式。PhysDreamer通过这些模型提取的先验知识，可以预测物体在新的交互条件下的反应，即使是之前未见过的动作或力的应用。

主要功能 感知物理属性 ：PhysDreamer 能够识别和理解3D对象的物理材质属性，如硬度和弹性等。 在物理模拟方面，PhysDreamer不仅依赖传统的物理引擎计算，还引入了基于数据驱动的方法来感知和预测物体的物理属性。项目通过分析物体在视频中的运动，推断出其物理特性，如弹性、硬度和质量分布。这种方法特别适用于处理那些难以直接测量或计算的复杂物质属性。

物理材料场的估计

具PhysDreamer设计了一种算法框架来估计所谓的“物理材料场”。这是一个三维场，描述了物体各部分的物理属性，如杨氏模量（描述材料硬度的物理量）。项目通过分析从多角度拍摄的视频，使用神经网络来估计这个材料场，使模拟的动态不仅限于表面反应，还包括了内部结构的相互作用和变形。

预测3D动态 ：基于对象的物理属性，预测其在外力作用下的动态反应。PhysDreamer利用从视频中学习到的动态先验知识，结合物理模型进行精确的动态预测。例如，当一个外力作用于一个虚拟的橡胶球上时，系统不仅考虑力的大小和方向，还会计算基于球的材质属性（如弹性系数）预测其形变和运动轨迹。这种预测利用了物理材料场的估计，通过神经网络模型转化为3D动态的模拟。 合成真实交互 ：通过模拟和合成，PhysDreamer能够生成对象在受到新的交互动作时的真实反应，如被推动或拉扯。在交互性方面，PhysDreamer允许用户通过外部输入（如触摸屏幕、使用控制器等）直接与3D模型互动。系统根据用户的输入实时计算物体的反应，如推、拉、扭曲等，生成对应的动态视频输出。这种实时反馈机制极大地增强了虚拟环境的沉浸感和用户体验。 PhysDreamer不仅考虑了材料的基本属性，还模拟了更复杂的行为，如振动衰减、非线性变形等。 技术方法 物理模拟 ：

PhysDreamer利用物理模拟来模拟虚拟对象的动态响应。这种模拟基于真实世界的物理规律，例如力学和材料特性，来预测对象在外部作用力下的运动和形变。 物理模拟考虑了对象的形状、材质、质量等因素，以及外部作用力的大小和方向，从而准确地模拟对象的运动和变形过程。 视频生成模型 ：

PhysDreamer使用预训练的视频生成模型来学习对象的动态特征。这些模型能够从视频序列中学习到对象的运动和形态变化。 通过视频生成模型，PhysDreamer能够获取对象在不同动态情况下的先验知识，为物理模拟提供输入数据和参考。 物理属性感知与估计 ：

项目能够感知并估计对象的物理属性，例如材质硬度等。这些属性对于预测对象在外部作用力下的动态响应至关重要。 物理属性的感知和估计可以通过多种方法实现，例如基于视觉的方法、传感器数据等，以提高模拟的准确性和真实感。 交互式动态合成 ：

PhysDreamer能够在任意外力作用下合成3D对象的交互动态。这意味着用户可以通过与虚拟对象进行互动，观察对象的动态响应。 通过动态合成技术，项目可以生成包含虚拟对象运动和形变的视频序列，展示对象在不同互动情况下的动态行为。 应用示例： 虚拟现实游戏 ：在虚拟现实游戏中，PhysDreamer可以提供更加真实的物理交互体验。例如，玩家在游戏中推动一个球或其他对象时，可以看到根据物理定律反应的动态效果，如弹跳、滚动和碰撞。这不仅增加了游戏的沉浸感，还提升了游戏的可玩性和互动性。

教育和培训模拟 ：在教育场景中，PhysDreamer可以用来创建物理实验的虚拟模拟，让学生在不需要实际实验设备的情况下，通过互动学习物理原理。例如，学生可以在虚拟环境中进行杠杆原理或物体碰撞的实验，观察和理解不同物理条件下的实际效应。

产品设计和原型测试 ：设计师和工程师可以使用PhysDreamer来测试和验证新产品的物理特性和耐用性，例如在设计阶段通过虚拟测试来观察一个容器在不同压力下的形变情况。这种方法可以节省原型制作的成本和时间，同时提供更多的数据支持设计决策。

艺术创作和动画 ：艺术家和动画师可以利用PhysDreamer来创作动态艺术作品或动画，其中对象的动态反应可以根据实际物理属性精确模拟。这不仅为艺术创作提供了新的工具，也使得动画作品更加生动和具有说服力。

[video width="1552" height="1080" mp4="https://img.xiaohu.ai/2024/04/428Area.mp4"][/video] 八个物体合成互动运动的成果展示，画出的圆圈和箭头大致表示施加力的区域和方向（圆圈仅供参考，并非精确画出）。 项目及演示： https://physdreamer.github.io/ 论文： https://arxiv.org/abs/2404.13026 GitHub： https://github.com/a1600012888/PhysDreamer