一张图，开启四维时空：4DNeX让动态世界 「活」起来

仅凭一张照片，能否让行人继续行走、汽车继续飞驰、云朵继续流动，并让你从任意视角自由观赏？

南洋理工大学 S-Lab 携手上海人工智能实验室，给出肯定答案 ——4DNeX。作为全球首个仅依赖单张输入即可直接输出 4D 动态场景的前馈（feed-forward） 框架，4DNeX 摆脱了游戏引擎与合成数据的束缚，首次大规模利用真实世界动态影像进行训练，实现「时空视频」的高效、多视角、高保真渲染。

在多项基准测试中，4DNeX 以显著优势超越 Free4D、4Real 等当前最佳方法，真正把「一张图生成四维世界」的科幻概念带进了现实。

• 论文链接：https://4dnex.github.io/4DNeX.pdf
• 项目主页：https://4dnex.github.io/

1. 研究背景

世界模型正成为 AI 研究的高频热词。 Google DeepMind 近期迭代的 Genie 3 已能在高质量游戏数据上生成长达数分钟的交互式视频，但目前尚且缺乏在诸多真实场景上的验证。

世界模型发展的一个重要拐点在于：让模型学会刻画我们身处的动态 3D 世界，并服从其物理定律。 唯有如此，生成的内容才能既逼真又可导，进而支持「反事实」推演 —— 在虚拟中重放、预测甚至改写现实。这一能力不仅可构成下一代 AR/VR 与具身智能的重要研究基石，更是迈向可信 AGI 的必经之路。

构建 4D 世界模型的关键能力，在于能否持续产出高保真、可扩展的 4D 内容，其主要在于以下三个方面的研究：

• 数据 – 相较于游戏等引擎合成的数据，真实采集的数据虽能保留物理属性，却难以大量获取，更难标注；
• 表征 - 如何兼顾不同模态（如材质和几何等）特性，设计选取高效的 3D/4D 表征仍是学界长久未竟的科研命题；
• 架构 – 当前的不同生成模型架构互有优劣，如何更好地继承现有模型先验，保障高质量仍需探索。

鉴于此，「真实高效」的 4D 世界模型构建非常重要，也充满挑战。

2. 4DNeX-10M Dataset

近千万帧带 4D 标注的视频集

为破解高质量真实 4D 数据稀缺的瓶颈，4DNeX 首度发布 4DNeX-10M—— 近千万帧、多场景、带伪标签的超大规模 4D 视频数据集。其覆盖室内外环境、自然景观与人体运动等多元主题，尤以海量「以人为中心」的 4D 数据为特色，囊括丰富的物理属性、动态细节与交互行为，为 4D 世界模型的构建奠定坚实基础。

图 1 4DNeX-10M Dataset 包含了不同来源且丰富多样的动态数据

为支撑 4DNeX-10M 的构建，研究者们同步设计了一条全自动的数据–标注管线（见下图）。

• 数据源：单目实拍视频数据，其中动态场景取自 Pexels、Vimeo 等公开视频库；静态场景则整合 RealEstate-10K、DL3DV 等。
• 首轮清洗：基于光流一致性、亮度统计、运动强度及 OCR 文字检测，剔除低质片段。
• 标签制作：
• 内容：LLaVA-Next Video 给视频片段打标。
• 几何：静态场景使用 Dust3R 三维重建，动态场景使用 Monst3R / MegaSam 四维重建，输出 Semi-Dense 3D/4D 点云图、几何标签。
• 质量把关：联合置信度（MCV、HCPR 等）与运动平滑度等多重阈值，筛除几何漂移或动态异常序列。

最终打标完成的 4DNeX-10M 数据集构成如图右下角统计所示。

图 2 4DNeX-10M 构建管线以及数据统计情况

3. 4DNeX 方法架构

表征选取

在 4D 内容生成中，传统「4D」指 3D 空间几何外加时间轴；而在世界模型的语境下，RGB 视频携带的材质、光照与语义信息同样关键。4DNeX 因而提出 6D 统一表征：以 RGB 序列刻画外观（3 维）并以 XYZ 序列编码几何（3 维）。该设计无需显式相机控制，即可同步生成多模态内容，兼顾真实感与物理一致性。

图 3 不同的 RGB 和 XYZ 模态融合策略

算法框架

4DNeX 框架的技术突破在于「宽度融合」这一关键策略：系统比较五种方案后，研究者们发现将 RGB 与 XYZ 在 token 宽度维度直接拼接，可将跨模态距离压到最低。 相比之下，通道融合会扰乱预训练分布，批处理融合又无法保证对齐。

图 4 不同的空间融合策略对比

网络骨架沿用 Wan2.1 视频扩散模型，通过轻量级 LoRA 微调完成适配，主要的策略包括有：

• 输入端以斜坡深度初始化，先验地逼近自然场景的深度梯度；
• XYZ 坐标经归一化校正，彻底消除 VAE 潜在空间的分布错位；
• 软掩码机制在扩散过程中动态约束几何细节，引导结构收敛；
• 旋转位置编码维持像素级 RGB-XYZ 对齐。

最后，仅需一次轻量重投影即可反算出相机参数，确保输出在物理层面严密自洽。

图 5 4DNeX 框架总览

4. 实验结果

实验验证显示 4DNeX 在效率与质量上实现双重突破：VBench 测试中，其动态幅度达 100%（超越 Free4D 的 40.1%），时空一致性 96.8% 领先业界。用户研究（23 人评估）更显示 85% 用户偏好其生成效果，尤其在运动幅度与真实感方面优势显著。

生成效果可视化证明模型能力 —— 单图输入可输出连贯动态点云序列（图 5），新视角合成在真实场景（in-the-wild）中保持几何一致性（下图 6）；与 Animate124、4Real 等基线对比（下图 7），4DNeX 在树叶摇曳幅度、人体动作自然度等细节表现更优。

图 6 4DNeX 生成的视频效果（RGB & Point Map）

图 7 4DNeX 生成未经训练真实世界视频的新视角视频

图 8 4DNeX 对比其他方法的生成效果

User Study 用户调研结果显示 4DNeX 生成的效果优于 Free4D、4Real、Animate124、GenXD 方法。

表格 1 User Study 结果对比

消融实验

研究者们还对比了五种融合 RGB 以及 XYZ 的策略，以发现最佳的多模态融合策略。实验一步证实宽度融合策略的关键作用，消除其他方案（如通道融合）的噪声或对齐失败问题。

图 9 不同融合策略的结果可视化展示

文中视频链接：
https://mp.weixin.qq.com/s/_e4C5H6JzqlA1SHKip4USg