UniRig：清华大学与VAST-AI（Tripo）联合开源的自动骨骼绑定框架

一、UniRig是什么？

UniRig是由清华大学与VAST-AI（Tripo）联合研发的开源自动骨骼绑定框架，旨在通过AI技术彻底革新3D模型动画制作流程。该项目基于大型自回归模型（如GPT架构的Transformer）和创新的骨骼树标记化技术，能够为人类、动物、机械结构等多样化3D模型自动生成高质量的骨骼拓扑与蒙皮权重，解决了传统绑定流程中耗时、专业门槛高的核心痛点。其技术价值体现在：

1. 全自动处理：从静态模型到可动画角色的端到端转换，无需人工干预骨骼层级设计；

2. 跨类别泛化：支持人形、四足生物、幻想角色等多元模型，打破传统模板方法的局限性；

3. 工业级精度：在Rig-XL数据集测试中，骨骼预测精度提升215%，动画变形质量提升194%。

二、功能特色

1. 智能骨骼生成

• 通过**骨架树令牌化（Skeleton Tree Tokenization）**将骨骼层级编码为序列，利用自回归模型逐关节预测拓扑结构，支持动态骨骼（如头发/布料弹簧骨骼）的语义标记；

• 在蚂蚁、多足生物等复杂结构上生成符合解剖学逻辑的骨骼，错误率较传统方法降低72%。

2. 自适应蒙皮权重预测

• 创新骨点交叉注意力机制（Bone-Point Cross Attention），结合网格几何特征与测地线距离，实现顶点级权重分配；

• 支持物理属性预测（如弹簧刚度），通过可微分物理模拟优化动画真实感。

3. 高效人机协作

• 提供多轮迭代接口，允许艺术家手动调整骨骼位置或权重分布，系统自动优化后续参数；

• 命令行工具支持批处理模式，单模型绑定耗时仅1-5秒（NVIDIA A100）。

4. 多格式兼容性

• 输入支持.obj/.fbx/.glb/.vrm等主流3D格式，输出可直接导入Maya、Blender等动画软件。

三、技术细节

1. 模型架构

• 两阶段流程：

• 物理模拟辅助训练：在损失函数中引入骨骼运动轨迹的物理合理性评估，增强权重分布的生物力学真实性。

1. 骨骼预测阶段：点云编码器提取模型几何特征，SkeletonTreeGPT自回归生成标记序列，解码为层级化骨骼树；

2. 权重预测阶段：骨骼编码器与点云编码器通过交叉注意力融合特征，输出每根骨骼对顶点的蒙皮权重。

2. 训练数据与优化

• Rig-XL数据集：包含14,000+已绑定模型，覆盖双足/四足/昆虫/机械等类别，数据规模为同类数据集的8倍；

• 动态课程学习：训练初期侧重简单结构（如人形），后期逐步引入复杂生物与非刚性物体。

3. 关键创新

• 令牌压缩技术：通过深度优先搜索（DFS）线性化骨骼树，序列长度减少30%，推理效率提升40%；

• 多分辨率特征融合：在权重预测阶段联合处理低分辨率语义特征与高分辨率几何细节，平衡速度与精度。

四、应用场景

1. 影视与游戏开发

• 快速生成角色绑定：《阿凡达》风格异形生物的骨骼拓扑生成时间从8小时缩短至10分钟；

• 实时动画调整：游戏角色动态换装时自动重计算权重，避免手动刷权重导致的穿模问题。

2. 虚拟偶像与元宇宙

• VTuber模型自动化绑定：支持VRM格式输出，直接导入Live2D等直播工具；

• 物理骨骼生成：为服装/毛发添加次级运动骨骼，增强虚拟角色动态真实感。

3. 工业设计与教育

• 机械结构运动模拟：为机器人模型生成关节骨骼，支持动力学仿真；

• 教学演示：学生可通过修改输入参数（如关节数）直观理解绑定原理。

五、相关链接

• 代码仓库：https://github.com/VAST-AI-Research/UniRig

• 项目主页：https://zjp-shadow.github.io/works/UniRig

• 技术论文：https://arxiv.org/abs/2504.12451

总结

UniRig通过自回归骨骼预测与物理驱动的蒙皮权重优化，在消除传统绑定流程人工成本的同时，实现了跨类别模型的工业级动画质量，其开源生态与模块化设计已为3D内容创作领域树立了自动化绑定的新标杆。