GS-Verse: Mesh-based Gaussian Splatting for Physics-aware Interaction in Virtual Reality

📄 arXiv: 2510.11878v2 📥 PDF

作者: Anastasiya Pechko, Piotr Borycki, Joanna Waczyńska, Daniel Barczyk, Agata Szymańska, Sławomir Tadeja, Przemysław Spurek

分类: cs.GR, cs.CV

发布日期: 2025-10-13 (更新: 2025-11-04)

💡 一句话要点

GS-Verse：基于网格的高斯溅射，用于虚拟现实中具有物理感知交互

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱三：空间感知与语义 (Perception & Semantics)

关键词: 虚拟现实 高斯溅射 物理交互 网格表示 场景编辑

📋 核心要点

  1. 现有VR物理交互方法依赖工程密集流程和简化几何表示，导致视觉效果和物理精度受损。
  2. GS-Verse将对象网格与高斯溅射表示直接集成，实现更精确的表面逼近和逼真的变形交互。
  3. 用户研究表明，GS-Verse在物理感知拉伸操作方面优于现有技术，并在其他物理操作中表现更稳定。

📝 摘要（中文）

随着对沉浸式3D内容的需求增长，直观高效的交互方法变得至关重要。目前在虚拟现实(VR)中物理操作3D内容的技术面临重大限制，包括依赖于工程密集型流程和简化的几何表示（如四面体笼），这会影响视觉保真度和物理精度。本文介绍GS-Verse（用于虚拟环境渲染和场景编辑的高斯溅射），这是一种旨在克服这些挑战的新方法，它将对象的网格与高斯溅射(GS)表示直接集成。我们的方法能够实现更精确的表面逼近，从而实现高度逼真的变形和交互。通过利用现有的3D网格资产，GS-Verse促进了无缝的内容重用并简化了开发工作流程。此外，我们的系统被设计为与物理引擎无关，从而为开发人员提供了强大的部署灵活性。这种通用的架构提供了一种高度逼真、适应性强且直观的交互式3D操作方法。我们通过一项包含18名参与者的对比用户研究，针对当前最先进的VR与GS耦合技术，严格验证了我们的方法。具体来说，我们证明了我们的方法在物理感知拉伸操作方面具有统计学上的显著优势，并且在其他基于物理的操作（如扭曲和摇晃）中也更加一致。在各种交互和场景中的进一步评估证实，我们的方法始终如一地提供高性能和可靠的性能，显示出其作为现有方法的可行替代方案的潜力。

🔬 方法详解

问题定义：现有VR中的物理交互方法，如基于四面体笼的方法，在视觉保真度和物理精度上存在不足。它们通常需要大量的工程工作，并且难以处理复杂的几何形状，导致交互体验不真实。因此，需要一种能够提供更逼真、更直观的VR物理交互方法。

核心思路：GS-Verse的核心思路是将3D对象的网格表示直接与高斯溅射(Gaussian Splatting, GS)表示相结合。GS是一种新兴的场景表示方法，它使用3D高斯分布来表示场景，具有渲染速度快、质量高的优点。通过将网格信息融入GS表示，可以实现更精确的表面逼近，从而实现更逼真的变形和交互。

技术框架：GS-Verse的整体框架包括以下几个主要阶段：1) 将3D网格模型转换为高斯溅射表示；2) 在VR环境中渲染高斯溅射表示；3) 用户与高斯溅射表示进行交互，例如拉伸、扭曲等；4) 根据用户的交互，更新高斯溅射表示的参数，从而实现对象的变形；5) 重新渲染变形后的高斯溅射表示。该框架是物理引擎无关的，可以与不同的物理引擎集成。

关键创新：GS-Verse最重要的创新点在于直接将网格信息融入高斯溅射表示。这与现有方法不同，现有方法通常使用简化的几何表示（如四面体笼）来进行物理交互。通过直接使用网格信息，GS-Verse可以实现更精确的表面逼近，从而实现更逼真的变形和交互。

关键设计：GS-Verse的关键设计包括：1) 使用一种新的方法将网格信息编码到高斯溅射表示中；2) 设计一种高效的算法来更新高斯溅射表示的参数，以响应用户的交互；3) 优化渲染过程，以实现实时渲染性能。具体的参数设置、损失函数和网络结构等技术细节在论文中有详细描述。

📊 实验亮点

用户研究表明，GS-Verse在物理感知拉伸操作方面，相比于当前最先进的VR与GS耦合技术，具有统计学上的显著优势。此外，在扭曲和摇晃等其他基于物理的操作中，GS-Verse也表现出更高的稳定性。在各种交互和场景中的进一步评估证实，GS-Verse始终如一地提供高性能和可靠的性能。

🎯 应用场景

GS-Verse具有广泛的应用前景，包括VR游戏、VR设计、VR教育等领域。它可以用于创建更逼真、更具交互性的VR体验。例如，在VR游戏中，玩家可以使用GS-Verse来与虚拟对象进行物理交互，如拿起、扔掷、拉伸等。在VR设计中，设计师可以使用GS-Verse来创建和编辑3D模型。在VR教育中，学生可以使用GS-Verse来学习物理知识。

📄 摘要（原文）

As the demand for immersive 3D content grows, the need for intuitive and efficient interaction methods becomes paramount. Current techniques for physically manipulating 3D content within Virtual Reality (VR) often face significant limitations, including reliance on engineering-intensive processes and simplified geometric representations, such as tetrahedral cages, which can compromise visual fidelity and physical accuracy. In this paper, we introduce GS-Verse (Gaussian Splatting for Virtual Environment Rendering and Scene Editing), a novel method designed to overcome these challenges by directly integrating an object's mesh with a Gaussian Splatting (GS) representation. Our approach enables more precise surface approximation, leading to highly realistic deformations and interactions. By leveraging existing 3D mesh assets, GS-Verse facilitates seamless content reuse and simplifies the development workflow. Moreover, our system is designed to be physics-engine-agnostic, granting developers robust deployment flexibility. This versatile architecture delivers a highly realistic, adaptable, and intuitive approach to interactive 3D manipulation. We rigorously validate our method against the current state-of-the-art technique that couples VR with GS in a comparative user study involving 18 participants. Specifically, we demonstrate that our approach is statistically significantly better for physics-aware stretching manipulation and is also more consistent in other physics-based manipulations like twisting and shaking. Further evaluation across various interactions and scenes confirms that our method consistently delivers high and reliable performance, showing its potential as a plausible alternative to existing methods.