3D动画建模：构建虚拟世界，轻松验证多领域科学理论

Marie-Paule Cani

巴黎综合理工学院计算机科学教授、法国科学院院士

在计算机图形学的快速发展中，虚拟三维空间和物体的创造已经成为常态。巴黎综合理工学院的Marie-Paule Cani及其团队，通过基础研究和机器学习，开发了三维虚拟环境创建工具，并推动了多学科合作。在电影特效、游戏、医疗等领域，这些技术应用广泛。Cani团队创新提出了三策略建模法，使科学家能更直观地表达思想，并验证理论与假设。未来，这些技术将如何进一步提升科学研究和公众认知？虚拟现实与科学研究的结合还能带来哪些创新？

计算机图形生成技术，可用于创建三维动画虚拟空间。

这一技术应用广泛，可用于各个学科测试、优化理论及假设。

巴黎综合理工学院计算机科学实验室（LIX）的VISTA研究团队创新性地提出了基于三策略的建模方法：使用多层模型、“表现性建模”、从示例中学习。

其中，“表现性建模”意味着不熟悉建模技术的学者也可以轻松地将自己的构想通过手势、涂鸦等方式建模。

展望未来，三维动画建模有望成为提升公众对环境问题的认知和参与度的重要工具。

如今，通过计算机图形学创造虚拟三维空间和物体可谓是司空见惯。在巴黎综合理工学院计算机科学实验室（LIX）的建模仿真与学习部门，杰出研究员Marie-Paule Cani的成果广受认可，并多次获奖。她向我们阐述了LIX的发展历程：“起初，LIX以基础研究为主，专注于与计算机图形学紧密相关的数学和算法。然而，随着我们研究领域的拓宽，现涵盖生物信息学、人工智能等多个领域。自2017年起，我们成立了数个计算机图形学研究团队，我所在的VISTA团队就是其中之一。当前，我们基于现有理论基础和机器学习手段，开发新型三维虚拟环境创建辅助工具，以及虚拟物体运动和形变的技术。”

计算机图形学应用广泛，可用于产品量产前的设计和虚拟样品测试、为电影创造壮观特效或让玩家沉浸于游戏环境中。此外，在交通、医疗、能源、军事等领域，三维虚拟环境可作为高风险场景的训练模拟器。

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一款让广大科学家自主创建三维动画的工具

Cani 说：“多年来，我的主要研究聚焦于如何向其他学科提供计算机图形学技术，以便学者将自身的创意和实验过程可视化。” 人在思考时，脑海中会浮现出动态的景象。以细胞生物学家为例，“他们能想象出肿瘤细胞分裂的过程，然而仅仅依赖纸笔绘制的示意图，并不能生动且动态地展现。必须有掌握建模软件的专业人士协助，才能创建出三维动画。尽管通过多次的沟通与修改，最终可以制作出大致符合想象的动画，但细胞生物学家自身却难以对动画参数进行修改或实现交互操作。基于我参与奠定的‘表现性建模’方法论，VISTA团队致力于开发一款能够让广大科学家自主创建三维动画的工具。”其设计理念是模仿普通人感知现实世界和创造现实物体的方式，让科学家能够更直观地表达自己的思想。

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VISTA的三策略建模法

现实世界细节丰富，建模难度大。诸如飘动的头发、壮观的瀑布、风吹拂的森林等复杂现象，实现实时动画化颇具挑战。为满足科学家对表达的需求，VISTA团队创新性地提出了基于三策略的方法：

第一个策略是使用多层模型，即将问题分解为不同的子模型。“天空特别难做成三维动画模型，为了表示云的实时流动，我们把多个子模型组合在一起。首先堆叠了表示不同云层的 2D 层。然后利用流体力学的原理（云层间的气流传输），将云层模型和大气力学模型结合，以表示气流。最后，为了增强视觉真实感，对不同类型的云（层云、风暴云、积云等）进行了分类，并添加了过程细节。由此得到的天空动画模型中，每片云的运动根据其性质和温度决定。采用类似的步骤，即使是非常复杂的物体也可以实时地制作成动画。”

图片来源：PI France

第二个策略是“表现性建模”。学会使用三维建模软件难度高。Cani的团队希望能直接通过用户的手势进行创建。“我们想让科学家通过类似于绘画和雕塑塑形的手势，创建与他们想象相符的三维动画。”

第三个策略是从示例中学习。学习的对象可以是临时（ad hoc）方案，也可以是深度学习或强化学习的数据集。这样，用户只要提供示例，模型就能生成相似度极高的形状或动作。VISTA团队开发的工具会优先使用临时方案作为学习对象，因为时间和能源成本低于深度学习，无须给算法投喂大量数据。Cani 解释道：“假设用户要创建一个自然景观，可以手动将某些元素（鹅卵石、树木、草丛等）放置在一小块区域内，以说明元素之间的空间关系，并画出其他空间因素（如土地坡度等）。然后，我们的工具会通过统计法‘学习’元素之间的相关性。”这样一样来，用户就能用一把以统计学驱动的“画笔”，如涂鸦一般随时创建虚拟世界。

结合上述三个策略，VISTA团队成功创建并动画化了复杂多样的三维虚拟环境。通过与其他学科合作，团队已经成功展现了多个自然现象的动态过程，包括冰川侵蚀地表[1]、地中海和阿尔卑斯山生态系统的演变[2]以及山脉的形成等[3]。

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“表现性建模”的附加设备

三维环境构建后，还必须实现用户与模型通过手势的交互。Cani的团队不仅聚焦于模型和算法的研发，还会开发专门的工具来捕捉运动，例如配备力传感器的新型“鼠标”[4]，可视为一种手动导航器，能将具备六个自由度的鼠标与由用户手指激活的小型传感器相连接。此工具不仅能生成虚拟手，更能实现对虚拟三维粘土的塑形操作。虽然传统的实时建模方法依然可行，但在某些特定情境下，借助触控设备和虚拟现实设备，用户能更直观地与模型交互，简化建模流程，并以更符合人类直觉的方式操控复杂的虚拟环境。

“发明这些虚拟现实工具，对于推进一些前沿研究是必须的。生成式人工智能的目的是代替人类进行创作，但我想开发让人与智能系统进行手势交互的工具，辅助人类发挥创意。”

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验证理论与假设

VISTA团队与其他学科形成了常态化合作，基于各个学科的模型开发新型建模工具，让学者们便捷地自主建模。“例如，自2017年至2021年期间，我们与古生物学家完成了一个项目。他们研究法国陶塔维尔山谷古代的气候模型和其对当地动植物分布的影响，希望将结果可视化。”陶塔维尔山谷坐落于法国东比利牛斯省，是一处举足轻重的史前遗址，已经出土了众多骨骼、工具以及距今30多万年的遗迹。“我们利用研究人员所提供的数据与假设，重现了当时的生态系统与古代气候状况，依据温度、湿度和阳光等关键参数，结合对方提供的可能物种清单，精确地生成了那个时期当地的动植物群落。”借助三维动画模型，古生物学家清晰地观察到其理论中存在的不足之处，并据此调整假设。

计算机图形生成技术的进步，是否意味着可以在虚拟空间中“穿越”到过去呢？尽管当前技术尚未达到这一水平，但确实能使我们探索以前难以触及的环境，例如在虚拟世界中重现旧石器时代的山谷。随着理论和数字学习技术的进一步结合，计算机图形生成技术正助力各学科的学者们更好地完善理论构想和模型。

“计算机图形学的持续进步为未来提供了诸多可能。”

为验证其建模方法论，Cani的团队还会对现实景观进行建模，并将所得结果与卫星图像进行对比。这样就能在必要时对建模策略进行调整，以提升模型的精确度，并确认模型本身的正确性。

计算机图形学的持续进步为未来提供了诸多可能。学者能更迅速地将其想象可视化，并对提出的假设进行测试，从而为研究及教育领域开辟了新的路径。

展望未来，三维模型有望提升公众对气候变化的认知。用户将能够亲自动手操作，并在三维空间中直观地看到他们的行为选择对地球产生的影响。这种方法有望促进公众对当前环境问题的更深度参与。由此可见，计算机图形不仅能模拟现实世界，更可成为科学研究的有力支撑，助力学生及广大公众理解我们的世界。

作者

Loraine Odot

编辑

Meister Xia

1. https://inria.hal.science/hal-04090644v1/document

2. https://hal.science/hal-01519852v1/document

3. https://hal.science/hal-01517343v1/document

4. https://www.researchgate.net/publication/255668454_Hand_Navigator_Prototypages_de_peripheriques_d’interaction_pour_le_controle_d’une_main_virtuelle