Unique3D – 清华大学团队开源的图像到3D生成模型

个创新的单图像 3D 网格生成工具，以其高保真度、高效训练和优化以及强泛化能力脱颖而出

一、Unique3D的基本概念

Unique3D是一种新颖的图像到3D框架，可以从单视图图像高效生成高质量的3D网格模型。它主要由清华大学和AVAR Inc.的研究团队共同开发。其能够解决从单视角图像自动生成3D内容这一任务中的诸多挑战，以在单视图野生图像上得到3D网格的快速且高质量的生成成果，并且在生成保真度、几何细节、高分辨率和强泛化性等方面有着较为出色的表现。

二、Unique3D的特点和优势

（一）高保真度生成

纹理和几何形状复杂度
- Unique3D能够生成细致复杂的纹理和复杂的几何形状。这一成果主要是通过多视图扩散模型来实现的，该模型可生成正交多视图图像和相应的法线贴图，从而为生成高质量、高保真度的3D网格奠定了基础。例如在生成一些自然物体（像植物的叶片纹理或者动物的皮毛纹理）的3D模型时，能很好地还原这些复杂的自然纹理特征。
对比同类技术
- 与基于ScoreDistillationSampling（SDS）等方法相比，Unique3D避免了模型生成需要长时间优化、几何质量差和存在不一致性的问题。同时，在与基于多视图扩散模型方法的对比中，克服了受限于局部不一致性和生成分辨率而难以产生精细纹理和复杂几何细节的不足。在一些实际案例中，如生成建筑场景的3D模型时，Unique3D生成的模型在建筑物的墙面纹理、门窗等细节部分要比基于SDS的方法或者部分多视图扩散模型方法生成的更加精准和美观。

（二）效率性

快速生成模型
- Unique3D框架效率很高，能够在30秒内生成高保真3D网格（运行速度会受硬件资源情况影响）。这种高效性归功于快速前馈模型和称为ISOMER（即时一致网格重建算法）的集成，快速前馈模型能够加速处理流程，ISOMER发挥快速重建3D网格的功能，节省生成时间。对于一些需要快速获取3D模型进行设计验证或者创意表现的场景，如产品设计的初期概念展示或者动画制作的初步模型构建等场景十分适用。
训练资源需求及时间
- 仅需5天内使用8个RTX4090 GPU进行训练，相对来说在训练资源和训练周期上具备一定优势，能够较快完成训练后投入使用。这在科研或者企业等对资源和时间敏感的场景下有较大意义，比如在一些科研项目中可以更快速地进行模型迭代训练以获得理想成果，企业则能更快地将基于Unique3D的相关应用推向市场。

（三）一致性

视图一致性
- 通过使用多级升级流程逐步提高生成图像的分辨率，确保生成视图的一致性。比如在对一个3D人物模型生成的不同视角视图（如正面、侧面、背面等视图）之间的连贯性和一致性方面表现较好，可以完整地、无突兀感地呈现整个3D模型各个视角的样子，避免了一些技术在不同视角生成时可能出现的几何形状或者纹理突然变化等问题。
优化策略稳定性
- 在多级升级流程中，涉及微调多视图感知ControlNet并使用超分辨率模型来实现高分辨率输出。同时，为了解决多视图不一致问题并细化几何细节，Unique3D还引入了ExplicitTarget优化，该优化方法可以为每个顶点分配唯一的优化目标，能够比传统方法更稳健地指导优化方向，从而整体提升了在生成过程中的稳定性和一致性。在例如机械产品建模这种对尺寸精度和结构一致性要求极高的场景下，Unique3D的这种稳定性优势可以很好地符合要求。

（四）通用性

适用不同风格图像
- 该框架表现出很强的通用性，在各种不同风格的野生2D图像上表现良好。实验表明Unique3D在处理不同内容类型（如人物、动物、建筑、自然风景等各种图像内容类型）和不同艺术风格（写实、抽象等不同的画面艺术风格）的图像都能够生成质量比较好的3D模型，这意味着它可以广泛应用于多种需求场景下的图像转3D的生成操作。
在不同展示效果下的适用
- 在生成的3D模型在不同的平台展示或者不同的渲染环境下，都能够保持较好的通用性。无论是在PC端以高精度展示还是移动端以相对低精度快速预览，或者是在不同的3D图形引擎中进行渲染，基于Unique3D生成的3D模型都能较好地适应并呈现比较理想的视觉效果。

三、Unique3D的应用领域

（一）游戏开发

角色和场景创建
- 在游戏开发中，Create角色和场景是重要的环节。Unique3D可快速将单视图图像转换为3D网格，为游戏开发中的角色建模提供了高效方式。例如，游戏中的NPC角色可以通过一张角色概念图，利用Unique3D快速生成3D角色模型，大大缩短建模时间。对于游戏场景，无论是古代城堡、现代都市还是奇幻森林等各种场景概念图都能快速转换为3D场景模型，有助于加速游戏开发进度。
资源优化
- 由于Unique3D在生成保真度高的同时效率很高，这对于游戏开发中的资源优化意义重大。相较于传统建模方式需要花费大量人力和时间去调整模型使其适应游戏性能限制，Unique3D生成的3D模型可以在保证游戏画面质量的同时，更便于游戏开发人员调整模型以适配不同的设备性能。例如，在手机游戏开发中，需要平衡游戏画面和手机硬件资源的消耗，Unique3D生成的3D模型可以根据设备性能进行后期优化调整，以适应手机运行环境，而不会出现过于消耗资源的情况。

（二）建筑设计

前期概念展示
- 在建筑设计初期，建筑师需要向客户展示概念性设计方案。Unique3D可以将建筑的草图或者初步设计图像快速转换为3D模型，让客户更直观地看到建筑的立体外观、空间布局等。例如，建筑师手绘的一张建筑外形草图，通过Unique3D可以迅速得到一个具有一定精度的3D模型，客户可以从各个角度观察建筑的形状、门窗位置等关键要素，方便提出修改意见，有助于提高设计决策的效率。
设计方案修改和优化
- 在建筑设计过程中，对建筑模型进行修改和优化是常有的操作。如果使用Unique3D，基于之前生成的3D模型，当建筑的某个设计要素如房间布局、外立面造型等发生改变时，可以再输入修改后的视图图像，快速得到修改后的3D模型，这比传统重新建模或者基于参数化模型逐个修改参数的方式更加高效，从而加速整个设计周期的进程。

（三）艺术与动画制作

艺术创作灵感实现
- 艺术家在创作时常常会有一些平面的创意概念，Unique3D可以将这些概念图快速转换为3D模型，从而让艺术家看到自己创意在3D空间中的呈现效果。例如一位雕塑家画出了关于雕塑作品抽象的平面创意图，利用Unique3D将其转换为3D雕塑模型，这有助于艺术家从三维的视角去完善自己的创意，决定如何进一步对雕塑的形状和纹理等进行艺术化处理。
动画制作环节
- 在动画制作中，模型的构建是基础工作。Unique3D能快速生成动画角色和场景的3D模型，减少动画制作中建模环节的时间成本。并且生成的3D模型可作为后续动画绑定、动作制作、渲染等其他环节的基础素材。比如动画制作中常见的动物角色建模，Unique3D可以快速从动物概念绘画转换出3D动物模型，再进行动画相关的制作。

（四）教育领域

STEM教育辅助
- 在学校的STEM教育（科学、技术、工程、数学教育）中，3D模型有助于学生更好地理解抽象概念。教师可以使用Unique3D将相关的教学图像（如地质结构平面图、生物细胞图等）快速转变为3D模型，提高学生对这些知识的直观认识。例如在生物课上讲解细胞结构时，通过将细胞结构的平面图像转换为3D模型，可以让学生更清楚地看到细胞各部分在三维空间中的位置关系，增强学习效果。
创意编程教育
- 在编程教育中，尤其是3D创意编程相关课程。Unique3D生成的3D模型可以作为编程的基础对象，学生可以基于这些3D模型进行编程操作，如添加互动效果等。这比起学生从头开始构建3D模型更加容易上手，能够聚焦于编程逻辑的学习。例如学生在学习使用Python进行3D游戏编程时，可以先将Unique3D生成的3D角色模型导入编程环境，然后编写程序使其能够在场景内移动、跳跃等动作。

四、Unique3D与其他类似技术的比较

（一）与基于ScoreDistillationSampling (SDS)的方法比较

优化时间
- 基于SDS的方法通常存在模型生成需要长时间优化的问题，Unique3D则能够在30秒内从单视图野生图像生成高保真的3D网格，大幅减少了每个案例的优化时间，这在实际应用场景中尤其是对于需要快速得到结果的业务需求，具有极大的竞争优势。例如在一个即时设计应用场景中，需要快速从2D概念图得到3D模型进行展示和讨论，Unique3D可以满足这种及时性要求，而基于SDS的方法可能还在长时间的优化过程当中。
生成质量
- 基于SDS的方法存在几何质量差、存在不一致性等问题。Unique3D在生成结果的一致性方面表现优秀，通过采用多级升级流程等来提高分辨率并且确保视图一致性，在处理多视图时不会出现如SDS方法那样的几何不一致或者不连续等情况；并且Unique3D能够生成细致复杂的纹理和复杂的几何形状，解决了SDS方法几何质量差的问题，可生成更高质量的3D模型。

（二）与多视图扩散模型方法比较

局部一致性
- 多视图扩散模型方法往往受限于局部不一致性，Unique3D通过独特的组件如即时一致网格重建算法（ISOMER）以及引入ExplicitTarget优化来解决多视图不一致的问题。例如在生成一个多部件复杂机械的3D模型时，Unique3D可以在各部件之间保持较好的局部一致性，而多视图扩散模型方法可能会出现部件之间衔接不自然、不一致的情况。
分辨率和纹理细节
- 多视图扩散模型方法有生成分辨率受限和难以产生精细的纹理和复杂的几何细节的问题。Unique3D采用多级上采样的策略逐步提高图像分辨率，并且利用法线扩散模型预测与多视图彩色图像相对应的法线贴图，以此来提高几何细节的准确性（尤其是边缘处），从而在生成具有高分辨率、复杂几何细节以及精细纹理的3D网格方面表现更胜一筹，能够很好地满足对3D模型质量要求较高的应用场景需求，如高端游戏中的精细模型、高仿真的建筑模型等场景。

（三）与其他3D重建技术（如InstantMesh、CRM和OpenLRM等）比较

几何和纹理细节准确性
- 在与InstantMesh、CRM和OpenLRM等现有技术的比较中，Unique3D在几何和纹理细节的准确性上表现出色。Unique3D能够利用多视图扩散模型、法线扩散模型以及一系列的优化策略（如多级上采样、ExplicitTarget优化等）准确地捕捉物体的几何形状并且生成逼真的纹理细节。例如在3D扫描后进行三维模型重建的对比中，Unique3D能够更好地还原被扫描物体的真实纹理和几何细节，而其他技术可能会在一些细微之处出现纹理模糊或者几何形状近似不准确的问题。

五、Unique3D的发展前景

（一）技术自身优化可能

提升生成质量
- 目前虽然Unique3D已经在生成保真度等方面有很好的表现，但仍然存在一些小的瑕疵，比如有时背面分辨率不高、会有一些小斑点等情况或者在某些特殊结构（如梯子结构）生成效果不好的问题。开发团队表示会继续优化算法，通过算法的改进有可能进一步提升生成3D模型的质量，包括进一步提高分辨率的均匀性、提高对特殊结构的建模准确性等。例如在处理复杂的不规则几何体建模时能够更加完美地还原其形状和细节。
提升生成速度
- 尽管Unique3D已经能够在30秒内生成3D网格，但随着算法优化和硬件技术的进步，其生成速度还有可能进一步提升。随着新一代的显卡或者计算硬件不断出现，Unique3D可以对其加以适配和利用，通过算法和硬件的协同优化，实现更短时间内生成高质量3D网格。这在一些对快速反馈要求极高的实时创作场景（如实时舞台3D场景构建、即时虚拟角色生成等场景）下意义重大。

（二）应用场景拓展

4D模型探索
- Unique3D团队表示这只是通往4D生成模型的第一步，其最终目标是创建一个具有3D概念的4D生成模型。一旦实现向4D模型的跨越，将在更多的领域开辟新的应用场景。例如在影视制作中可以实现4D的时空环境模拟，为观众带来更加沉浸式的影视体验；在建筑领域可以模拟建筑在不同时间维度下（如随时间变化的建筑老化、不同季节的能耗变化等）的状态变化，为建筑全生命周期管理提供新的决策依据等。
新功能开发与应用融合
- 基于Unique3D打造的产品即将上线一张图生成3D全景图、一键将视频人物替换为生成角色等功能。这些新功能的开发是Unique3D向更多应用场景拓展的关键步伐。例如在虚拟现实（VR）和增强现实（AR）的内容创作中，3D全景图功能可以让用户在VR环境中有更全面、逼真的视觉体验；在视频内容编辑和特效制作中，视频人物替换功能可以为影视后期制作、短视频创意制作等提供新的创作手段。随着未来更多类似功能的开发和与其他相关技术（如VR、AR、视频处理、动画制作等技术）的深度融合，Unique3D的应用场景将不断拓展，市场需求也将持续增长。

（三）市场前景与商业价值

行业需求增长
- 随着3D技术在越来越多的行业中的广泛应用，如图游戏、建筑、艺术、教育等领域，对快速高效生成高质量3D模型的需求不断增长。Unique3D的高保真、高效率和通用性等特点使其能够很好地满足这些不断增长的行业需求。例如在游戏行业中，随着游戏对画面品质要求越高、游戏内容更新换代速度越快，对于能够快速创建高质量游戏角色和场景的技术需求愈发迫切，Unique3D可以填补这一需求空白，从而在游戏行业相关的3D建模市场占据一席之地。
潜在商业机会
- 作为一种前景较好的3D模型生成技术，Unique3D有很多潜在商业机会。一方面，在软件销售方面，可以开发不同层级和功能版本面向不同需求层次的用户（如面向个人创作者的基础版、面向企业的专业版等）；另一方面，在基于Unique3D模型开发相关行业解决方案上也有很大潜力，例如与建筑设计企业合作开发专门用于建筑前期概念快速展示和优化的软件产品，或者与游戏开发公司合作，优化游戏开发流程中的3D建模环节等。此外，在3D模型素材库商业运营方面，如果以Unique3D为核心创建和运营高质量3D模型素材库，可以向需要3D模型的企业和个人销售素材库会员，实现盈利。