【編者按】

2023年5月27日，是復(fù)旦大學118周年校慶?！靶c種種活動，以促進科學研究為中心。”從1954年校慶前夕時任校長陳望道提出這一主張開始，在校慶期間舉辦科學報告會，就成為復(fù)旦的重要學術(shù)傳統(tǒng)之一。

賡續(xù)學術(shù)傳統(tǒng)，百年弦歌不絕。5月9日起，來自文社理工醫(yī)各學科的50多位復(fù)旦名師將陸續(xù)帶來學術(shù)演講。

“2023相輝校慶系列學術(shù)報告”第十六場，由復(fù)旦大學智能機器人研究院常務(wù)副院長張立華教授以“物理仿真——打造真實數(shù)字世界的基石”為題作報告

復(fù)旦大學智能機器人研究院常務(wù)副院長張立華教授

隨著元宇宙概念的升溫，人們對元宇宙塑造的數(shù)字世界充滿想象。正如真實世界依照物理規(guī)律運行一樣，“真實”元宇宙數(shù)字世界的構(gòu)建離不開現(xiàn)代物理仿真技術(shù)的支撐。張立華帶領(lǐng)聽眾回顧了物理仿真技術(shù)的發(fā)展、物理引擎的基本計算過程與當前研究現(xiàn)狀以及物理仿真技術(shù)在工業(yè)數(shù)字孿生、逼真數(shù)字人創(chuàng)建、機器人仿真和前沿科學研究等方面的應(yīng)用，并展望了物理仿真技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。

“元宇宙”的概念從何而來？“元宇宙”（Metaverse）這個詞最初是由科幻小說作家尼爾·斯蒂芬森在1992年的小說《雪崩》中創(chuàng)造出來的。那是一個平行于真實世界的賽博空間（Cyberspace），即戴上研發(fā)的耳機和目鏡，找到連接終端，就可通過虛擬分身的方式進入由計算機模擬、與真實世界平行的虛擬空間。

張立華介紹，元宇宙具有沉浸式體驗、虛擬化分身、開放式創(chuàng)造、強社交屬性和穩(wěn)定化系統(tǒng)的特征，其六大支撐技術(shù)——區(qū)塊鏈技術(shù)、交互技術(shù)、電子游戲技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及運算技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（簡稱“BIGANT”），可以按照對元宇宙的支撐作用進一步歸納為感知、計算、重構(gòu)、協(xié)同和交互五類?！捌渲?D渲染與物理仿真引擎是元宇宙的重構(gòu)基礎(chǔ)支撐技術(shù)，”張立華強調(diào)，物理仿真是元宇宙中最關(guān)鍵的支撐技術(shù)之一，物理引擎具有極高的商業(yè)價值，科技巨頭也視之為重要基石之一。

活動現(xiàn)場

多年來，張立華帶領(lǐng)科研團隊在物理引擎的設(shè)計和研發(fā)領(lǐng)域取得了重要成果。張立華是世界三大商用物理引擎PhysX的奠基人之一。該引擎被Unreal Engine（虛幻引擎）、Unity3D等頂尖游戲開發(fā)引擎和元宇宙仿真平臺Nvidia Omniverse所采用。

“物理仿真能解決什么問題呢？能讓游戲中的人物運動起來，讓人物和場景實現(xiàn)自然的交互和碰撞?！蓖ㄟ^播放游戲片段，張立華向大家生動展示了物理仿真在影片中具體應(yīng)用。他認為，元宇宙將成為未來互聯(lián)網(wǎng)的新形態(tài)，其更大價值在于通過虛實交互與融合影響人們生活的真正物理世界。

談到物理仿真在元宇宙等領(lǐng)域中的應(yīng)用，張立華介紹了工廠數(shù)字孿生、護理機器人和虛擬數(shù)字人的開發(fā)和應(yīng)用。

說到物理引擎應(yīng)用于護理機器人開發(fā)的案例時，張立華介紹，“物理引擎提供了一個能高度擬真機器人看護場景的仿真平臺，對機器人技能學習、虛擬病人建模、活動場景設(shè)計等提供了充分的支持?！?/p>

以游戲《堡壘之夜》為例，張立華介紹，大場景實時仿真是物理引擎發(fā)展趨勢。美國著名說唱歌手Travis Scott曾在《堡壘之夜》上舉辦了一場有2770萬人觀看的虛擬演唱會，沉浸式的體驗給所有玩家留下了深刻的印象?？梢?，基于物理仿真技術(shù)所實現(xiàn)的包括虛擬數(shù)字人在內(nèi)的虛擬場景構(gòu)建，能夠帶給人們更加真實和震撼的沉浸感受。

如何讓虛擬數(shù)字人更加逼真？張立華結(jié)合圖片介紹了毛發(fā)模擬、肌肉模擬、動作模擬和服裝模擬等數(shù)字人中的物理仿真技術(shù)。布料仿真與毛發(fā)仿真技術(shù)能夠為虛擬數(shù)字人添加逼真、自然的衣物和發(fā)型，構(gòu)建更加真實的人物形象。“布料仿真與毛發(fā)仿真算法原理相似，但尚且缺乏可量化的仿真評價指標?！彼硎?，復(fù)旦大學智能感知與無人系統(tǒng)（IPASS）實驗室在總結(jié)現(xiàn)有評價指標的基礎(chǔ)上提出了一些新的有針對性的仿真評價指標，首次構(gòu)建了較為完整的毛發(fā)與布料物理仿真方法的評價指標體系。

“雖然電子游戲技術(shù)奠定了元宇宙的數(shù)字創(chuàng)造基礎(chǔ)，但元宇宙的應(yīng)用及其衍生的技術(shù)進展遠遠不止于游戲領(lǐng)域，而應(yīng)當成為人們生活、工作的沉浸式虛擬時空?！睆埩⑷A表示，物理仿真雖起源于游戲的需求，但使用范圍早已超越了游戲，隨著當下元宇宙的興起，物理仿真技術(shù)更是成為構(gòu)建元宇宙的關(guān)鍵因素。

“未來面向元宇宙的應(yīng)用，物理仿真引擎是重要的核心技術(shù)之一。”張立華強調(diào)，為適應(yīng)未來場景需求，物理仿真引擎需要設(shè)計通用的求解器來支持剛體、流體、軟體等不同類型材質(zhì)物體之間的穩(wěn)定交互，通過云平臺的部署來支持實時、大量、高精度的運算求解，并設(shè)計分布式架構(gòu)來實現(xiàn)千萬量級以上的用戶同屏互動。

而當前，國內(nèi)游戲與元宇宙開發(fā)仍主要依賴于國外的Unreal Engine和Unity3D等成熟商業(yè)引擎，以及英偉達也早已開始布局元宇宙基礎(chǔ)生態(tài)平臺Omniverse。張立華認為，在元宇宙時代，我們急需研發(fā)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的物理仿真引擎，這也是IPASS團隊的一個重要研究目標。

在報告的最后，張立華教授以芯片散熱器設(shè)計、醫(yī)療影像處理、氣象仿真、地震預(yù)測等場景為例，展示了物理仿真技術(shù)對工業(yè)設(shè)計和前沿科學研究的重要支撐作用，并介紹了AI for Science在大規(guī)模復(fù)雜物理仿真中的應(yīng)用。