NEXUS: Neural Energy Fields for Physically Consistent Contact-Rich 3D Object Dynamics

TL;DR

NEXUS通过神经能量场实现接触丰富的3D物体动态物理一致性,提升长时间精度。

cs.CV 🔴 高级 2026-06-13 2 次浏览
Qizhen Ying Guangming Wang Yangchen Pan Victor Adrian Prisacariu Brian Sheil Yixiong Jing
神经网络 物理模拟 3D动态 能量场 接触力学

核心发现

方法论

NEXUS采用神经能量场框架,将每个物体表示为结构图,并构建动态接触图。通过标量能量和耗散项来描述运动,而不是直接预测状态或加速度。保守效应如重力和弹性变形被表示为加性能量项,非保守效应如阻尼和冲击能量损失则通过学习的Rayleigh耗散建模。

关键结果

  • 在单物体动态预测中,NEXUS在长时间滚动误差RE@48上表现最佳,为0.137,显著优于基线方法。
  • 在多物体场景中,NEXUS在五物体接触场景中表现出最低的RE@48误差为0.185,显示出其在复杂接触场景中的优越性。
  • 视频生成实验中,NEXUS在语义一致性和物理常识评分上均优于其他方法。

研究意义

NEXUS在学术界和工业界具有重要意义。它解决了现有方法难以在接触丰富的3D场景中统一保守和非保守效应的问题。通过提供一个稳定且可控的物理推理模块,NEXUS提升了长时间精度,改善了下游物理一致性视频生成的物理合理性。

技术贡献

NEXUS的技术贡献在于其将Hamiltonian神经网络的能量耗散动态公式应用于接触丰富的3D动态场景。通过图结构表示和能量耗散函数的学习,NEXUS在长时间滚动精度上优于现有的学习和物理结构动态基线。

新颖性

NEXUS首次将能量耗散动态公式应用于接触丰富的3D动态场景,创新性地结合了结构图和动态接触图,提供了一个统一的物理接口来处理保守和非保守效应。

局限性

  • 在接触图构建过程中,计算复杂度较高,可能导致内存消耗过大。
  • 对环境的静态假设可能限制了在动态环境中的应用。

未来方向

未来工作可以包括优化接触图构建的计算效率,探索动态环境下的应用,以及进一步提升视频生成的视觉质量。

AI 总览摘要

在物理一致的视频生成中,现有方法通常难以在接触丰富的3D场景中统一保守和非保守效应。NEXUS通过神经能量场框架解决了这一问题。它将每个物体表示为结构图,并构建动态接触图,使用标量能量和耗散项来描述运动。实验结果表明,NEXUS在长时间滚动精度上显著优于基线方法,并在视频生成中提升了物理合理性。

NEXUS的核心技术原理包括使用Hamiltonian神经网络的能量耗散动态公式,通过图结构表示和能量耗散函数的学习,提供一个统一的物理接口来处理保守和非保守效应。实验结果显示,NEXUS在单物体和多物体场景中均表现出色,尤其是在复杂接触场景中的优越性。

尽管NEXUS在长时间精度和物理合理性上取得了显著进展,但其在接触图构建中的计算复杂度仍需优化。未来的研究方向包括提升计算效率和探索动态环境下的应用。

深度分析

研究背景

物理一致的视频生成需要在接触、变形和外力作用下保持可控的3D物体动态。现有的方法通常难以在接触丰富的3D场景中统一保守和非保守效应,导致物理一致性不足。NEXUS通过神经能量场框架解决了这一问题。

核心问题

现有的轨迹生成方法通常难以在接触丰富的3D场景中统一保守和非保守效应,导致物理一致性不足。这一问题在机器人等需要物理一致性滚动的下游应用中尤为重要。

核心创新

NEXUS通过神经能量场框架,将每个物体表示为结构图,并构建动态接触图。使用标量能量和耗散项来描述运动,创新性地结合了结构图和动态接触图,提供了一个统一的物理接口来处理保守和非保守效应。

方法详解

  • �� NEXUS将每个物体表示为结构图,并构建动态接触图。
  • �� 使用标量能量和耗散项来描述运动,而不是直接预测状态或加速度。
  • �� 保守效应如重力和弹性变形被表示为加性能量项。
  • �� 非保守效应如阻尼和冲击能量损失通过学习的Rayleigh耗散建模。

实验设计

实验设计包括单物体动态预测和多物体接触场景的测试。使用的基线方法包括显式KNN能量、直接状态预测和直接加速度预测等。主要评估指标为长时间滚动误差RE@H。

结果分析

在单物体动态预测中,NEXUS在长时间滚动误差RE@48上表现最佳,为0.137。在多物体场景中,NEXUS在五物体接触场景中表现出最低的RE@48误差为0.185。视频生成实验中,NEXUS在语义一致性和物理常识评分上均优于其他方法。

应用场景

NEXUS可用于需要物理一致性滚动的下游应用,如机器人和物理一致性视频生成。其在复杂接触场景中的优越性使其在这些领域具有广泛的应用潜力。

局限与展望

NEXUS在接触图构建中的计算复杂度较高,可能导致内存消耗过大。此外,对环境的静态假设可能限制了在动态环境中的应用。未来工作可以包括优化接触图构建的计算效率和探索动态环境下的应用。

通俗解读 非专业人士也能看懂

想象一个厨房,NEXUS就像一个聪明的厨师。每个食材(物体)都有自己的位置和特性(结构图),厨师需要根据食材的相互作用(接触图)来决定如何烹饪。保守效应就像重力和弹性变形,是食材的天然特性,而非保守效应如阻尼和冲击能量损失则是烹饪过程中产生的变化。NEXUS通过学习这些变化,确保每道菜(3D动态)都能在长时间内保持一致的味道(物理一致性)。

简单解释 像给14岁少年讲一样

嘿,小伙伴们!想象一下你在玩一个超级酷的游戏,里面的角色可以在3D世界里自由移动。NEXUS就像是游戏的幕后大脑,确保角色在跳跃、碰撞和反弹时都遵循物理规律。它就像一个聪明的机器人,能预测角色的每一步动作,让游戏看起来更真实!是不是很酷?

术语表

神经能量场 (Neural Energy Fields)

一种通过神经网络建模的能量场,用于描述物体的动态行为。

NEXUS使用神经能量场来统一描述保守和非保守效应。

结构图 (Structural Graph)

表示物体几何结构的图,用于建模物体的内部关系。

NEXUS将每个物体表示为结构图,以捕捉其几何特性。

动态接触图 (Dynamic Contact Graph)

用于描述物体间和物体与环境间相互作用的图。

NEXUS在滚动过程中构建动态接触图以捕捉接触行为。

Rayleigh耗散 (Rayleigh-style Dissipation)

一种用于建模非保守效应的耗散函数,通过学习来捕捉阻尼和冲击能量损失。

NEXUS使用Rayleigh耗散来描述非保守效应。

长时间滚动误差 (Long-horizon Rollout Error)

用于评估模型在长时间预测中的准确性指标。

NEXUS在长时间滚动误差评估中表现优于基线方法。

开放问题 这项研究留下的未解疑问

  • 1 如何在动态环境中优化接触图构建的计算效率?
  • 2 如何进一步提升视频生成的视觉质量?

应用场景

近期应用

机器人运动规划

NEXUS可用于机器人运动规划,提供物理一致的路径预测,提升机器人在复杂环境中的导航能力。

远期愿景

虚拟现实中的真实感增强

NEXUS可用于增强虚拟现实中的物理真实感,提供更自然的用户体验。

原文摘要

Physics-grounded video generation requires controllable 3D object dynamics that remain physically consistent under contact, deformation, and external forcing. Existing trajectory-based methods often model isolated physical effects, making it difficult to compose conservative and non-conservative dynamics in contact-rich 3D scenes. We present NEXUS, a neural energy-field framework for contact-rich 3D object dynamics. NEXUS represents each object as a structural graph and constructs dynamic object-object and object-environment contact graphs. Inspired by Hamiltonian Neural Networks, NEXUS formulates motion through scalar energy and dissipation terms rather than directly predicting states or accelerations. Conservative effects, including gravity and elastic deformation, are composed as additive energy terms, while non-conservative effects such as damping and impact-induced energy loss are modeled with learned Rayleigh-style dissipation. Forces are derived by differentiating the energy and dissipation functions and rolled out with a multi-substep semi-implicit integrator. Across controlled trajectory benchmarks, NEXUS improves long-horizon accuracy over representative learned and physics-structured dynamics baselines under varying mechanical properties and physical-effect compositions. We further show that NEXUS trajectories provide effective guidance for contact-rich video generation, improving physical plausibility while maintaining competitive visual quality.

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