Free4D：华中科技大学推出的4D场景生成框架

Free4D简介

Free4D是由华中科技大学、南洋理工大学S-Lab以及大湾区大学的研究团队共同开发的一种新型4D场景生成框架。它能够从单张图像生成具有时空一致性的4D场景，无需繁琐的调整。该框架通过提取预训练基础模型来实现一致的4D场景表示，具有高效性和泛化性。Free4D的核心技术包括4D几何结构初始化、时空一致的多视角视频生成以及一致的4D表示提升。它在单张图像基础上的4D场景生成方面取得了显著进展，能够生成具有逼真外观和真实运动的场景，为实现逼真的数字体验提供了有力支持。

Free4D主要功能

• 高效生成4D场景：从单张图像或文本输入生成高质量的4D场景，支持实时、可控的渲染。
• 时空一致性：生成的4D场景在空间和时间上保持高度一致，避免了常见的不连贯问题。
• 动态场景生成：能够生成具有复杂动态背景和纹理的场景，支持多样化的运动和交互。
• 无需调整：无需对模型进行微调或依赖大规模4D数据集，降低了训练成本和资源消耗。
• 实时渲染：支持实时渲染，适用于需要快速生成和交互的应用场景，如虚拟现实和增强现实。

Free4D技术原理

• 4D几何结构初始化：使用动态场景重建方法（如MonST3R）从单张图像生成的参考视频中提取4D几何结构，通过点云表示场景的几何信息，并采用逐步聚合策略优化静态点云，确保跨帧一致性。
• 时空一致的多视角视频生成：利用点云引导的扩散模型（如ViewCrafter）生成多视角视频，并通过自适应分类器自由引导（CFG）和点云引导去噪策略增强空间一致性，同时采用参考潜在替换策略提升时间连贯性。
• 一致的4D表示提升：通过粗到细的训练策略和基于调制的细化方法，将生成的多视角视频信息整合到4D表示中，减少不一致性，优化4D场景的最终表示。
• 基于调制的细化：在4D表示的优化过程中，使用生成的多视角视频作为调制信号，引导去噪过程，确保生成的4D场景在不同视角和时间点上保持一致性和高质量。
• 高效的训练策略：采用分阶段训练方法，先利用与输入图像约束较高的视图和时间戳训练粗略的4D表示，再通过精细阶段的优化提升整体质量和一致性。

Free4D应用场景

1. 虚拟现实（VR）和增强现实（AR）：Free4D能够从单张图像生成高质量的4D场景，为VR和AR应用提供丰富的动态环境，增强用户的沉浸感。
2. 影视制作：在电影和电视剧的特效制作中，Free4D可以快速生成复杂的动态场景，减少实景拍摄的成本和时间。
3. 游戏开发：为游戏开发者提供动态场景生成工具，能够快速生成游戏中的虚拟世界，提升游戏的视觉效果和玩家体验。
4. 建筑设计与可视化：Free4D可以生成建筑场景的动态4D表示，帮助设计师和客户更好地预览建筑设计在不同时间和视角下的效果。
5. 文化遗产保护：通过从历史图像生成4D场景，Free4D可以为文化遗产的数字化保护和展示提供新的手段，让观众更直观地感受历史场景。
6. 教育与培训：在教育领域，Free4D可以生成动态的4D场景用于教学，帮助学生更好地理解复杂的动态过程，如自然现象、历史事件等。

Free4D项目入口

• 项目主页：https://free4d.github.io/
• GitHub代码库：https://github.com/TQTQliu/Free4D
• arXiv研究论文：https://arxiv.org/abs/2503.20785