近年来，计算机视觉领域正经历着一场由“4D”技术驱动的深刻变革。传统的3D重建技术专注于静态场景的建模，而4D技术则在此基础上增加了时间维度，使得对动态场景的理解和模拟成为可能。这种进步不仅为虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等应用带来了全新的可能性，也为机器人导航、自动驾驶等领域提供了更强大的感知能力。从最初的单视角视频重建，到如今基于AI模型的高精度动态场景生成，4D技术的演进速度令人瞩目，预示着一个全新的、沉浸式的数字时代即将到来。
早期场景重建技术的局限性在于其静态本质。通过多视角图像或激光雷达数据构建的三维模型，虽然能精确地捕捉物体的形状和空间关系，却无法反映真实世界的动态变化。想象一下，试图用一张照片来理解一场舞蹈，这显然是不可能的。真实世界充满了运动和变化，例如行人的行走、车辆的行驶、树木的摇曳等等。为了更好地模拟和理解真实世界，研究人员开始探索将时间维度融入到场景重建中，4D重建技术应运而生。最初的4D重建方法依赖于多帧图像或视频，通过追踪场景中的特征点或物体，来估计它们在时间上的运动轨迹。这些方法在计算上十分密集，且对光照变化和遮挡等因素非常敏感，如同在暴风雨中试图绘制一幅精确的地图，难度可想而知。然而，这些早期的尝试为后来的技术发展奠定了基础，并指明了未来的方向。
深度学习的快速发展为4D重建带来了革命性的突破。基于AI的4D重建方法逐渐成为主流，利用神经网络学习场景的时空表示，并利用生成模型来预测未来的状态。例如，上海AI Lab开源的Aether，通过三维时空建模与生成式建模的深度融合，实现了4D动态重建、动作条件视频预测和目标导向视觉规划三大核心能力。这意味着，我们可以利用Aether来模拟和预测复杂动态场景的行为，例如交通流的演变，或者人群的运动模式。ReconDreamer则展示了单视角视频构建4D世界的潜力，仅需单视角输入视频，即可通过同时重建+生成构建逼真的4D世界，并实现高精度渲染，从而推动领域从静态跨越至动态。这就像是赋予AI一双眼睛和一颗大脑，让它能够理解和预测世界的变化。这些模型的核心在于学习场景的时空表示，并利用生成模型来预测未来的状态，这使得它们能够处理各种复杂的动态场景，并生成逼真的4D模型。
在4D重建技术的具体实现中，表征方法的选择至关重要。一种新兴的表征方法——4D Gaussian Splatting (4D-GS) 正在迅速崛起。4D-GS 是一种显式表示方法，它同时包含三维高斯分布和四维神经体素，能够以较高的训练和存储效率实现实时动态场景渲染。这意味着，我们可以用更少的计算资源，更快地生成更逼真的4D模型。与对每一帧应用3D-GS不同，4D-GS将整个动态场景作为一个整体进行表示，从而能够更好地捕捉场景中的时空一致性。这就像是学习一门外语，不是简单地记住每个单词，而是理解语言的整体结构和语法规则，从而更好地表达自己的意思。除了表征方法的创新，时空解耦也是提升重建质量的关键。Meta与浙江大学联合开源的4DGT模型，通过一系列策略有效解耦时空结构，生成高质量的几何、新视角合成结果以及涌现的运动属性，如分割和光流。这种解耦使得模型能够更好地理解场景中的运动模式，并生成更加逼真的动态场景。此外，通过四维运动脚手架，可以实现对任意时刻的任意一点进行变形，从而融合观测信息，提升重建精度。这就像是外科医生进行手术，不仅要了解身体的结构，还要了解各个器官之间的相互作用，从而更好地进行治疗。
4D技术的应用场景十分广泛，其中一个令人兴奋的领域是全景沉浸式体验。HoloTime，由北大等机构提出的全景动画生成器，可以直接生成全景视频，并通过全景时空重建方法实现时空一致的4D重建。实验表明，HoloTime能够创建更具吸引力的沉浸式动态环境，显著提升虚拟漫游体验。这意味着，我们可以利用HoloTime来创建虚拟旅游体验，让人们足不出户就可以身临其境地感受世界各地的风景名胜。此外，HoloTime还引入了360World数据集，为4D生成研究提供了重要支持。DynamicCity项目则致力于让城市“动”起来，通过共享3D卷积特征提取器提取初步的时空4D特征，并利用多个投影网络将4D特征投影到2D平面，突破了4D大场景生成技术的边界。无论真实视频还是AI生成的视频，摩斯卡技术都能重建恢复4D动态可渲染场景，进一步拓展了4D技术的应用范围。这项技术可以用于城市规划、交通管理、以及应急响应等领域，帮助我们更好地理解和管理城市。想象一下，我们可以利用4D技术来模拟城市交通流，从而优化交通信号灯的设置，减少交通拥堵。
4D重建技术正朝着更高精度、更强泛化能力、更低计算成本的方向发展。随着更大规模数据集的出现和更先进的AI模型的涌现，4D技术将会在VR/AR、自动驾驶、机器人等领域发挥越来越重要的作用，为人类带来更加丰富和便捷的生活体验。4D-LRM等模型的出现，更是预示着从任意视角和时间戳进行4D重建的时代即将到来，使得我们能够在任何时间和任何角度观察和分析动态场景。未来的自动驾驶汽车将能够利用4D技术来更好地理解周围环境，从而更安全地行驶。未来的机器人将能够利用4D技术来更好地与人类互动，并执行各种复杂的任务。4D技术不仅仅是一种技术，更是一种新的视角，一种新的理解世界的方式。它将改变我们的生活方式，并为我们带来无限的可能性。
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