3D动画建模：构建虚拟世界，轻松验证多领域科学理论

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

玛丽·保尔·卡尼

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建已成为常态。巴黎综合理工学院的Marie-Paule Cani 和她的团队开发了用于创建三维虚拟环境的工具，并通过基础研究和机器学习促进多学科协作。这些技术广泛应用于电影特效、游戏、医疗等领域。 Cani团队创新性地提出了三策略建模方法，使科学家能够更直观地表达自己的想法并验证理论和假设。未来这些技术将如何进一步提升科学研究和公众意识？虚拟现实与科学研究的结合还能带来哪些创新？

可用于创建三维动画虚拟空间的计算机图形生成技术。

该技术广泛应用于各个学科来测试和优化理论和假设。

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种策略的建模方法：使用多层模型、“表达性建模”和从示例中学习。

其中，“表现性造型”是指不熟悉造型技术的学者可以通过手势、涂鸦等轻松地塑造自己的想法。

展望未来，3D动画建模有望成为提高公众对环境问题的认识和参与的重要工具。

如今，通过计算机图形学创建虚拟的三维空间和物体已是司空见惯。在巴黎综合理工学院计算机科学实验室（LIX）的建模、仿真和学习系，杰出研究员Marie-Paule Cani的成就得到了广泛认可，并获得了多项奖项。她向我们讲述了LIX的发展历程：“一开始，LIX主要以基础研究为主，专注于与计算机图形学密切相关的数学和算法。但是，随着我们的研究领域不断拓宽，现在涵盖了生物信息学、人工智能等领域。”从2017年开始，我们成立了多个计算机图形学研究团队，我的VISTA团队就是其中之一，目前我们正在基于现有的理论基础和机器学习方法来开发新的三维虚拟环境。以及虚拟物体运动和变形的技术。”

计算机图形学的应用范围很广，从批量生产前的设计和测试虚拟原型到为电影创建壮观的特效或让玩家沉浸在游戏环境中。此外，在交通、医疗、能源、军事等领域，三维虚拟环境可以作为高风险场景的训练模拟器。

一款让科学家独立制作3D动画的工具

“多年来，我的主要研究集中在如何向其他学科提供计算机图形技术，以便学者们能够可视化他们自己的创作和实验过程，”卡尼说。当人们思考的时候，脑海中就会出现动态的场景。以细胞生物学家为例，“他们可以想象肿瘤细胞分裂的过程，但仅仅依靠用纸和铅笔绘制的示意图并不能生动、动态地呈现出来。他们必须得到掌握建模软件的专业人士的帮助才能创建三维动画。虽然通过多次沟通和修改，可以制作出大致符合想象的动画，但细胞生物学家自己很难根据我参与的表达建模来修改动画参数或实现交互操作。 VISTA团队致力于开发一种可以让科学家独立制作三维动画的工具。 “设计理念是模仿普通人感知现实世界的方式，创造真实的物体，让科学家更直观地表达他们的想法。”

VISTA的三策略建模方法

现实世界细节丰富且难以建模。飘逸的头发、壮观的瀑布和被风吹过的森林等复杂现象的实时动画可能具有挑战性。为了满足科学家的表达需求，VISTA团队创新性地提出了基于三种策略的方法：

第一个策略是使用多级模型，将问题分解为不同的子模型。 “天空特别难制作成三维动画模型。为了表现云的实时流动，我们将多个子模型组合在一起。首先，我们堆叠了代表不同云层的2D图层。然后使用流体力学原理（云层之间的气流传输），将云模型和大气力学模型相结合来表示气流，最后，为了增强视觉真实感，不同类型的云（层云、风暴云、积云、等）进行分类并添加过程细节，即使是非常复杂的对象也可以在天空动画模型中实时制作动画。

第二个策略是“表现力造型”。学习使用3D 建模软件很困难。 Cani 的团队希望能够直接根据用户的手势进行创作。 “我们希望科学家通过类似于绘画和雕塑塑造的手势来创建符合他们想象力的三维动画。”

第三个策略是从例子中学习。学习的对象可以是临时解决方案，也可以是深度学习或强化学习数据集。这样，用户只需要提供示例，模型就可以生成高度相似的形状或动作。 VISTA团队开发的工具会优先使用临时解决方案作为学习对象，因为时间和精力成本比深度学习要低，而且不需要给算法喂大量数据。 Cani 解释道：“假设用户想要创建一个自然景观，可以在一个小区域内手动放置某些元素（卵石、树木、草地等），以说明元素之间的空间关系，并绘制出其他空间因素（例如土地坡度等）。然后，我们的工具将通过统计方式“学习”元素之间的相关性。 “这样，用户就可以随时使用统计驱动的‘画笔’进行绘画，创建虚拟世界。

3D动画建模：构建虚拟世界，轻松验证多领域科学理论

结合以上三种策略，VISTA团队成功创建并动画化了复杂多样的三维虚拟环境。通过与其他学科的合作，该团队成功展示了多种自然现象的动态过程，包括冰川侵蚀地表[1]、地中海和高山生态系统的演化[2]以及山脉的形成[3]。

“表现力建模”的附加设施

三维环境构建完成后，还必须实现用户与模型通过手势的交互。 Cani的团队不仅专注于模型和算法的研发，还开发了捕捉运动的专门工具，例如配备力传感器的新型“鼠标”[4]，它可以被视为手动导航器，可以结合六项自由。鼠标连接到由用户手指激活的小传感器。该工具不仅可以生成虚拟手，还可以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仍然可行，但在某些情况下，借助触摸设备和虚拟现实设备，用户可以更直观地与模型交互，简化建模过程，并以更直观的方式对其进行控制。符合人类直觉。复杂的虚拟环境。

“这些虚拟现实工具的发明对于推进一些前沿研究是必要的。生成式人工智能的目的是取代人类进行创造，但我想开发出让人们通过手势与智能系统交互的工具，以辅助人类表达他们的创造力。”

测试理论和假设

VISTA团队与其他学科形成了定期合作，基于各个学科的模型开发新的建模工具，让学者可以轻松地独立建模。 “例如，从2017年到2021年，我们与古生物学家完成了一个项目。他们研究了法国陶塔维尔山谷的古代气候模型及其对当地动植物分布的影响，希望将结果可视化。” Tauta The Ver Valley 位于法国东比利牛斯省。这是一个重要的史前遗址。出土了许多距今超过30万年的骨头、工具和遗骸。 “我们利用研究人员提供的数据和假设，重现了当时的生态系统和远古气候条件。根据温度、湿度、阳光等关键参数，结合对方提供的可能物种清单，我们准确地生成了那个时期的当地人口的动植物群落。”利用3D动画模型，古生物学家可以清楚地看到他们理论中的缺陷，并相应地调整他们的假设。

计算机图形生成技术的进步是否意味着我们可以在虚拟空间中“旅行”到过去？尽管当前的技术尚未达到这个水平，但它确实使我们能够探索以前无法到达的环境，例如在虚拟世界中重建旧石器时代的山谷。随着理论与数字学习技术的进一步融合，计算机图形生成技术正在帮助各学科学者更好地完善理论概念和模型。

“计算机图形学的不断进步为未来提供了许多可能性。”

为了验证其建模方法，卡尼的团队还对现实生活中的景观进行了建模，并将结果与卫星图像进行了比较。这使得在必要时可以调整建模策略，以提高模型的准确性并确认模型本身的正确性。

计算机图形学的不断进步为未来提供了许多可能性。学者们可以更快地想象他们的想象力并测试提出的假设，从而为研究和教育开辟新的途径。

展望未来，三维模型有望提高公众对气候变化的理解。用户将能够亲自动手，从三个维度直观地看到他们的行为选择对地球的影响。这种方法有望促进公众更深入地参与当前的环境问题。可见，计算机图形学不仅可以模拟现实世界，还可以成为科学研究的有力支撑，帮助学生和普通大众了解我们的世界。

洛兰·奥多特

编辑

夏师傅

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

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

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