王家弘

個(gè)人主頁(yè)：https://haoz19.github.io/

動(dòng)畫(huà)角色在動(dòng)起來(lái)時(shí)，是否常常顯得「塑料感十足」？即使使用再?gòu)?fù)雜的骨骼系統(tǒng)，人物走路時(shí)還是像帶著鉸鏈的木偶？這是因?yàn)楫?dāng)前主流的綁定（rigging）技術(shù)——線性混合蒙皮（LinearBlendSkinning，簡(jiǎn)稱LBS）雖然效率高、計(jì)算方便，但在遇到柔軟材質(zhì)（如皮膚、脂肪、動(dòng)物尾巴）時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)體積丟失、扭曲甚至「糖果包裹」效應(yīng)，嚴(yán)重影響真實(shí)感。

在ICCV2025最新接收論文《PhysRig:DifferentiablePhysics-BasedSkinningandRiggingFramework》中，來(lái)自UIUC和StabilityAI的研究者提出了一個(gè)新框架：將「剛性骨架+彈性軟體」的建模方式引入綁定流程，利用可微分物理模擬方法，實(shí)現(xiàn)更真實(shí)、更自然的動(dòng)畫(huà)角色變形效果。

項(xiàng)目鏈接：

https://physrig.github.io

論文鏈接：

https://arxiv.org/abs/2506.20936

代碼鏈接：

https://github.com/haoz19/PhysRig

01|傳統(tǒng)LBS的困境

LBS通過(guò)將每個(gè)點(diǎn)的位置作為骨骼變換的加權(quán)平均來(lái)生成動(dòng)畫(huà)。這種方法在過(guò)去幾十年中被廣泛使用于游戲、影視、甚至研究中。但它的本質(zhì)是線性的、非物理的。

其主要問(wèn)題包括：

體積丟失：比如手臂彎曲時(shí)出現(xiàn)「癟掉」的現(xiàn)象；

旋轉(zhuǎn)偽影：如關(guān)節(jié)處的「糖果扭轉(zhuǎn)」；

無(wú)法模擬柔軟材質(zhì)：如胖胖角色的肚皮、動(dòng)物的尾巴、耳朵。

盡管也有研究嘗試使用深度學(xué)習(xí)優(yōu)化LBS的權(quán)重或參數(shù)，但其結(jié)構(gòu)性的缺陷始終難以彌補(bǔ)。

02|PhysRig的核心思想

PhysRig開(kāi)辟了一條新路：把骨骼嵌入到一個(gè)可變形的柔體體積中，讓骨骼帶動(dòng)的不再是直接控制的點(diǎn)，而是通過(guò)模擬物理過(guò)程，產(chǎn)生形變結(jié)果。

整個(gè)框架有三個(gè)關(guān)鍵組件：

可微物理模擬器

基于MaterialPointMethod（MPM）實(shí)現(xiàn)；

使用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，考慮應(yīng)力應(yīng)變、質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒等；

模擬真實(shí)物體在受力下的自然變形過(guò)程。

材料原型（MaterialPrototypes）

用少量的原型（如25~100個(gè)）代表不同區(qū)域的彈性材質(zhì)；

每個(gè)原型有彈性模量（Young’smodulus）和泊松比（Poisson’sratio）；

使用馬氏距離在空間中進(jìn)行插值分配，控制不同區(qū)域的材質(zhì)響應(yīng)。

驅(qū)動(dòng)點(diǎn)系統(tǒng)（DrivingPoints）

類似于骨骼的「虛擬關(guān)節(jié)」；

控制其速度即可間接控制變形；

初始化自傳統(tǒng)rigging工具如Pinocchio，并通過(guò)優(yōu)化進(jìn)行細(xì)化。

03|物理模擬與優(yōu)化策略

為了實(shí)現(xiàn)從「觀察到的動(dòng)畫(huà)結(jié)果」反推出「內(nèi)部骨骼運(yùn)動(dòng)和材質(zhì)參數(shù)」

，PhysRig提出了迭代式的反向綁定（InverseSkinning）優(yōu)化流程：

1.固定骨骼速度，優(yōu)化材料參數(shù)；

2.固定材料參數(shù)，逐幀優(yōu)化驅(qū)動(dòng)點(diǎn)速度；

3.兩者交替迭代，直到收斂。

這種策略考慮了材料屬性的「時(shí)序一致性」與骨骼動(dòng)作的「逐幀局部性」，使得優(yōu)化更穩(wěn)定、高效。

04|全面評(píng)測(cè)與數(shù)據(jù)集

為了全面驗(yàn)證PhysRig的有效性，研究者構(gòu)建了一個(gè)包含17種角色（共120組動(dòng)畫(huà)序列）的數(shù)據(jù)集，涵蓋：

人形角色（如Michelle、Kaya）

四足動(dòng)物（如豹子、猛犸、劍龍）

非常規(guī)生物（如鯊魚(yú)、翼龍、眼鏡蛇）

對(duì)比對(duì)象包括：

LBS+RigNet初始化

LBS+Pinocchio初始化

LBS+GT初始化

以及PhysRig的初始和優(yōu)化結(jié)果

采用指標(biāo)包括用戶評(píng)分（UserRating）和Chamfer距離（CD），PhysRig在幾乎所有類別上都顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法，表現(xiàn)出更真實(shí)的動(dòng)態(tài)效果。

05|拓展應(yīng)用：動(dòng)作遷移

PhysRig不僅能從已有動(dòng)畫(huà)反推參數(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)基于骨架角度的動(dòng)作遷移（PoseTransfer）。

具體做法是：

1.提取源動(dòng)畫(huà)的骨骼角度序列；

2.將其傳遞給目標(biāo)對(duì)象（如不同物種）；

3.使用PhysRig生成自然形變的體積動(dòng)畫(huà)。

相比傳統(tǒng)需要預(yù)測(cè)蒙皮權(quán)重的方法，PhysRig不依賴顯式權(quán)重預(yù)測(cè)，更適合處理結(jié)構(gòu)差異大的對(duì)象（比如人到果凍怪的動(dòng)作遷移）。

06|總結(jié)與展望

PhysRig提供了一種從傳統(tǒng)rigging邁向物理真實(shí)綁定的路徑：

擺脫LBS線性模型的限制；

實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)豐富、材質(zhì)多樣對(duì)象的自然變形；

與深度學(xué)習(xí)兼容，可用于可微優(yōu)化與端到端訓(xùn)練；

為動(dòng)畫(huà)、游戲、影視、機(jī)器人仿真等領(lǐng)域打開(kāi)新的思路。

目前，項(xiàng)目已在官網(wǎng)上線展示，并計(jì)劃在ICCV2025會(huì)議前后開(kāi)源代碼與數(shù)據(jù)集。未來(lái)還計(jì)劃將其封裝為Blender插件，面向動(dòng)畫(huà)藝術(shù)家提供可用工具。

如果你也對(duì)物理模擬和角色動(dòng)畫(huà)感興趣，歡迎訪問(wèn)項(xiàng)目主頁(yè)或與作者聯(lián)系交流！

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