上海科大联合华中科大等推出TANGLED：突破3D发型生成技术瓶颈，赋能文化包容性数字角色创建
引言：数字角色的“头等大事”
在数字时代，虚拟人物已经渗透到我们生活的方方面面，从游戏、动画到增强现实、虚拟社交，高质量的数字角色需求日益增长。而发型，作为人物形象的重要组成部分，其真实感和多样性直接影响着数字角色的表现力。然而，长期以来，3D发型生成一直是计算机图形学领域的一大挑战。传统方法往往难以处理复杂发型，尤其是在文化包容性方面存在明显不足，难以满足日益增长的多元化需求。
近日，上海科技大学、Deemos Technology和华中科技大学联合推出了一项名为TANGLED的创新技术，为3D发型生成领域带来了突破性的进展。TANGLED不仅能够从任意风格和视角的图像中生成高质量的3D发丝，更重要的是，它在发型的真实感、多样性和文化包容性方面实现了显著提升，为动画、增强现实等领域提供了新的应用可能性。
TANGLED：技术原理与核心优势
TANGLED的核心在于其巧妙结合了多样化的数据集、基于多视图线稿的扩散框架以及参数化后处理模块，从而实现了对复杂发型的精确建模和渲染。
- NeuraPressMultiHair数据集：多样性与文化包容性的基石
传统发型数据集往往缺乏多样性，尤其是在卷曲、辫子等复杂发型以及具有文化意义的发型方面存在明显不足。为了解决这一问题，TANGLED团队构建了NeuraPressMultiHair数据集，该数据集包含了457种多样化的发型，并标注了74个属性。
- 多样性： 数据集涵盖了各种发型风格，包括直发、卷发、辫子、盘发等，以及不同长度、颜色和密度的发型。
- 文化包容性： 数据集特别关注未被充分代表的发型纹理（如卷曲、辫子）和复杂几何结构，收录了大量具有文化意义的发型，如非洲辫、中国结等。
- 详细标注： 数据集中的每个发型都标注了74个属性，包括发型类型、长度、颜色、密度、卷曲度、辫子数量、分界线位置等，为模型的训练提供了丰富的监督信息。
- 数据增强： 为了进一步增强数据集的多样性，TANGLED团队采用了多视图渲染和线稿提取等技术，从不同角度和风格生成同一发型的多个变体。此外，团队还利用GPT-4生成了详细的文本标注，为模型的训练提供了更全面的信息。
NeuraPressMultiHair数据集的构建为TANGLED在发型多样性和文化包容性方面的突破奠定了坚实的基础。
- 基于多视图线稿的扩散框架：捕捉发型的拓扑结构
扩散模型在图像生成领域取得了显著的成果，但将其应用于3D发型生成仍然面临着挑战。TANGLED团队巧妙地利用多视图线稿作为扩散模型的输入，从而有效地捕捉发型的拓扑结构。
- 线稿特征： 线稿能够简洁地表达发型的结构信息，如发丝的走向、分界线的位置、辫子的形状等。
- 多视图输入： 通过从不同视角获取发型的线稿，可以更全面地了解发型的三维结构。
- DINOv2特征提取： TANGLED团队利用DINOv2模型提取线稿特征，DINOv2是一种强大的自监督视觉特征提取器，能够有效地捕捉图像中的语义信息。
- 交叉注意力机制： TANGLED团队设计了一种交叉注意力机制，将不同视角的线稿特征整合到扩散模型中。交叉注意力机制能够学习不同视角线稿特征之间的关系，从而生成更一致和准确的3D发型。
- 随机混合： 为了增强模型对不同输入风格和视角的适应性，TANGLED团队在训练过程中随机混合不同视角的线稿特征。
基于多视图线稿的扩散框架使得TANGLED能够有效地捕捉发型的拓扑结构，从而生成更真实和自然的3D发型。
- 参数化后处理模块：修复复杂发型的细节
对于辫子等复杂发型，扩散模型往往难以生成精细的细节。为了解决这一问题，TANGLED团队设计了一种参数化后处理模块，专门用于修复复杂发型的细节。
- Frenet-Serret框架： TANGLED团队利用Frenet-Serret框架生成辫子的几何结构。Frenet-Serret框架是一种描述曲线局部性质的数学工具，可以精确地控制辫子的形状和走向。
- 注意力机制： TANGLED团队利用注意力机制将生成的辫子几何结构自然地融入发型中。注意力机制能够学习辫子与周围发丝之间的关系，从而生成更自然的过渡效果。
- Laplacian平滑： 为了减少高频率噪声，确保发型的几何连贯性和视觉效果，TANGLED团队采用了Laplacian平滑技术。
参数化后处理模块使得TANGLED能够生成具有精细细节的复杂发型，从而进一步提升了发型的真实感和多样性.
TANGLED的主要功能与应用场景
TANGLED凭借其独特的技术优势，实现了多种强大的功能，并为多个领域带来了新的应用可能性。
- 多样化发型生成： TANGLED能够处理各种复杂发型，如辫子、卷发、传统发型等，满足不同用户的需求。
- 多视图输入支持： TANGLED接受单视图或多视图图像作为输入，具有很强的灵活性。
- 灵活的输入风格： TANGLED支持多种输入风格，包括照片、手绘草图、卡通和油画等，满足不同应用场景的需求。
- 文化包容性： TANGLED特别关注未被充分代表的发型纹理和复杂几何结构，支持生成具有文化意义的发型，促进文化交流和理解。
- 高效集成： TANGLED生成的3D发型能够直接集成到现有的CG流程中，如Blender和Unreal Engine，方便用户使用。
基于以上功能，TANGLED在以下领域具有广阔的应用前景：
- 文化包容性虚拟人物创建： TANGLED能够生成多样化发型，支持不同文化背景的虚拟人物设计，促进文化交流和理解。
- 动画发型设计： TANGLED能够从草图生成3D发型，提升动画制作效率，降低制作成本。
- 增强现实（AR）发型预览： TANGLED结合AR技术，让用户虚拟试戴不同发型，提升用户体验。
- 虚拟试妆应用： TANGLED帮助用户在购买前预览发型效果，减少购买风险。
- 基于草图的3D发丝编辑： TANGLED支持基于修改草图快速调整发型，适用于创意设计领域。
TANGLED的意义与影响
TANGLED的推出是3D发型生成领域的一项重要突破，它不仅提升了发型的真实感和多样性，更重要的是，它在文化包容性方面取得了显著进展。
- 技术创新： TANGLED巧妙地结合了多样化的数据集、基于多视图线稿的扩散框架以及参数化后处理模块，为3D发型生成领域提供了新的思路和方法。
- 文化价值： TANGLED特别关注未被充分代表的发型纹理和复杂几何结构，支持生成具有文化意义的发型，促进文化交流和理解，有助于打破刻板印象，增强文化自信。
- 产业推动： TANGLED的应用将推动动画、增强现实、虚拟试妆等相关产业的发展，为数字内容创作带来新的活力。
结语：展望未来
TANGLED的成功是上海科技大学、Deemos Technology和华中科技大学科研团队共同努力的结晶，它代表了中国在人工智能领域的创新实力。随着技术的不断发展，我们有理由相信，未来的3D发型生成技术将更加成熟和完善，为数字世界带来更加丰富多彩的人物形象。
TANGLED的发布不仅是一项技术成果，更是一种文化责任的体现。它提醒我们，在追求技术进步的同时，也要关注文化多样性，尊重不同文化背景的个体，共同构建一个更加包容和美好的数字世界。
参考文献
- TANGLED项目官网：https://sites.google.com/view/tangled
- arXiv技术论文：https://arxiv.org/pdf/2502.06392v1
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