GaussianFluent: Gaussian Simulation for Dynamic Scenes with Mixed Materials

📄 arXiv: 2601.09265v1 📥 PDF

作者: Bei Huang, Yixin Chen, Ruijie Lu, Gang Zeng, Hongbin Zha, Yuru Pei, Siyuan Huang

分类: cs.CV

发布日期: 2026-01-14

备注: 16 pages

💡 一句话要点

GaussianFluent：提出基于高斯分布的动态场景混合材质断裂模拟与渲染框架

🎯 匹配领域: 支柱三：空间感知与语义 (Perception & Semantics)

关键词: 3D高斯溅射 物理模拟 脆性断裂 混合材质 实时渲染

📋 核心要点

  1. 现有基于高斯分布的物理模拟主要集中于软体形变，缺乏对脆性断裂的有效处理，尤其是在具有复杂内部结构和纹理的物体上。
  2. GaussianFluent通过生成模型引导内部高斯分布的密集化，合成逼真的物体内部，并结合优化的CD-MPM方法，实现快速且真实的脆性断裂模拟。
  3. 实验结果表明，GaussianFluent能够处理混合材料和多阶段断裂等复杂场景，实现逼真的实时渲染，并在VR和机器人等领域具有应用潜力。

📝 摘要（中文）

3D高斯溅射(3DGS)已成为高保真和实时渲染的重要3D表示方法。先前的工作已将物理模拟与高斯分布相结合，但主要针对柔软、可变形的材料，而脆性断裂在很大程度上未得到解决。这源于两个关键障碍：GS表示中缺乏具有连贯纹理的体内部，以及缺乏针对高斯分布的断裂感知模拟方法。为了应对这些挑战，我们引入了GaussianFluent，这是一个用于动态对象状态的逼真模拟和渲染的统一框架。首先，它通过生成模型引导的内部高斯分布密集化来合成逼真的内部。其次，它集成了优化的连续损伤材料点方法(CD-MPM)，以实现极高的脆性断裂模拟速度。我们的方法可以处理包括混合材料对象和多阶段断裂传播在内的复杂场景，从而实现以前的方法无法实现的结果。实验清楚地证明了GaussianFluent具有结构一致内部的逼真实时渲染能力，突出了其在VR和机器人等下游应用中的潜力。

🔬 方法详解

问题定义：现有基于3D高斯溅射的物理模拟方法，在处理具有复杂内部结构和纹理的脆性材料断裂时存在局限性。主要痛点在于：一是高斯表示缺乏对物体内部的有效建模，难以捕捉断裂后的内部纹理变化；二是缺乏针对高斯分布的断裂感知模拟方法，难以实现高效且真实的断裂效果。

核心思路：GaussianFluent的核心思路是，首先通过生成模型引导内部高斯分布的密集化，从而构建具有逼真内部结构和纹理的3D高斯表示。然后，利用优化的连续损伤材料点方法(CD-MPM)进行断裂模拟，并将模拟结果反馈到高斯分布的参数更新中，实现动态场景的逼真渲染。这样设计的目的是为了克服现有方法在内部建模和断裂模拟方面的不足，从而实现更真实、更高效的脆性断裂模拟。

技术框架：GaussianFluent的整体框架包含两个主要阶段：1) 内部高斯分布生成阶段：利用生成模型，根据物体表面的高斯分布，在物体内部生成密集的、具有连贯纹理的高斯分布。2) 断裂模拟与渲染阶段：使用优化的CD-MPM方法进行断裂模拟，根据模拟结果更新高斯分布的位置、颜色等参数，并进行实时渲染。这两个阶段相互作用，共同实现动态场景的逼真模拟和渲染。

关键创新：GaussianFluent最重要的技术创新点在于：1) 提出了一种基于生成模型的内部高斯分布生成方法，有效解决了高斯表示缺乏内部建模的问题。2) 集成了优化的CD-MPM方法，实现了高效且真实的脆性断裂模拟。与现有方法相比，GaussianFluent能够处理更复杂的场景，例如混合材料和多阶段断裂，并实现更高的渲染质量。

关键设计：在内部高斯分布生成阶段，使用了变分自编码器(VAE)作为生成模型，通过学习物体表面的高斯分布特征，生成内部高斯分布。在CD-MPM模拟中，对传统的MPM方法进行了优化，例如使用自适应时间步长和并行计算等技术，以提高模拟速度。损失函数主要包括渲染损失和物理损失，用于约束高斯分布的参数更新，保证渲染结果的真实性和物理一致性。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

GaussianFluent在混合材料和多阶段断裂等复杂场景中取得了显著的成果。与现有方法相比，GaussianFluent能够实现更高的渲染质量和更快的模拟速度。例如，在模拟一个陶瓷杯子掉落并破碎的场景中，GaussianFluent能够以30帧/秒的速度进行实时渲染，同时保持逼真的断裂效果和内部纹理。

🎯 应用场景

GaussianFluent在虚拟现实(VR)、机器人、游戏开发等领域具有广泛的应用前景。例如，在VR中，可以用于创建更逼真的交互式场景，让用户体验到更真实的物体破坏效果。在机器人领域，可以用于模拟机器人与环境的交互，例如抓取、碰撞等，从而提高机器人的鲁棒性和适应性。在游戏开发中，可以用于创建更具沉浸感的游戏场景，例如建筑物倒塌、物体破碎等。

📄 摘要（原文）

3D Gaussian Splatting (3DGS) has emerged as a prominent 3D representation for high-fidelity and real-time rendering. Prior work has coupled physics simulation with Gaussians, but predominantly targets soft, deformable materials, leaving brittle fracture largely unresolved. This stems from two key obstacles: the lack of volumetric interiors with coherent textures in GS representation, and the absence of fracture-aware simulation methods for Gaussians. To address these challenges, we introduce GaussianFluent, a unified framework for realistic simulation and rendering of dynamic object states. First, it synthesizes photorealistic interiors by densifying internal Gaussians guided by generative models. Second, it integrates an optimized Continuum Damage Material Point Method (CD-MPM) to enable brittle fracture simulation at remarkably high speed. Our approach handles complex scenarios including mixed-material objects and multi-stage fracture propagation, achieving results infeasible with previous methods. Experiments clearly demonstrate GaussianFluent's capability for photo-realistic, real-time rendering with structurally consistent interiors, highlighting its potential for downstream application, such as VR and Robotics.