近年來，伴隨自動駕駛技術的快速發(fā)展，行業(yè)對于仿真測試平臺的精度、覆蓋率和可擴展性提出了更高要求。尤其在數(shù)據(jù)閉環(huán)迭代、長尾場景驗證及安全冗余驗證等關鍵環(huán)節(jié)中，高保真、高復雜度的場景生成能力正在成為測試體系的核心支撐。

傳統(tǒng)場景生成方式面臨效率低、人工成本高、行為多樣性不足等問題，難以滿足當前智能駕駛系統(tǒng)對大規(guī)模、多模態(tài)、真實物理驅(qū)動場景的需求。為應對這一挑戰(zhàn)，基于生成式AI的4D場景生成技術迅速興起，構建了從環(huán)境建模、行為重建到視覺渲染的完整鏈條，正在重塑自動駕駛仿真驗證的技術基礎。

本文將從技術背景、系統(tǒng)能力、核心技術和實際應用四個方面，系統(tǒng)梳理AI驅(qū)動的4D場景生成體系及其在自動駕駛仿真中的實踐價值。

一、測試覆蓋率瓶頸與生成式AI切入點

自動駕駛測試需要應對極其復雜的交通場景，包括非結構化路口、弱交通規(guī)則區(qū)域、罕見天氣、低照度場景，以及多主體交互引發(fā)的不確定性行為等。當前基于真實數(shù)據(jù)采集或手工建模的方式存在如下限制：

（1）采集成本高：依賴實車、實景、多模態(tài)同步設備，周期長、數(shù)據(jù)稀疏；

（2）稀有場景不足：事故場景、異常行為等真實比例極低，難以高質(zhì)量復現(xiàn)；

（3）組合爆炸問題：參數(shù)空間（如天氣、時間、交通密度）指數(shù)級增長，難以人工覆蓋；

（4）場景可控性弱：缺乏可調(diào)控的語義接口，測試粒度不足。

生成式AI具備從數(shù)據(jù)中學習潛在分布、生成新組合樣本的能力。其引入使得場景構建從“手工定義”轉(zhuǎn)向“自動生成”，具備如下優(yōu)勢：

（1）能構造真實但未見過的長尾組合；

（2）能對目標測試策略進行定向增強（如遮擋率、交通密度等指標）；

（3）可支持大規(guī)模仿真測試平臺的持續(xù)供場；

（4）支持動態(tài)交互與時間演進建模，構建完整4D語義閉環(huán)。

二、4D場景生成的核心能力

所謂4D場景生成，核心在于“空間 + 時間”的聯(lián)合建模能力，既要對物理環(huán)境建模，也要對場景中各類參與者的行為軌跡進行動態(tài)建模與演化。典型的系統(tǒng)能力包括：

（1）幾何/語義重建能力：生成準確的道路、建筑、交通設施等結構化環(huán)境，并附帶完整語義標簽；

（2）多主體行為建模能力：生成車輛、行人、非機動車的時序軌跡，滿足行為邏輯與交互合理性；

（3）高保真視覺建模能力：輸出具備真實紋理、光照與傳感器特性的圖像序列；

（4）物理一致性約束能力：保持交通規(guī)則、實體尺寸、運動學約束等基本物理一致性；

（5）模態(tài)可控能力：支持控制場景的天氣、時間、視角、密度、行為模式等關鍵參數(shù)。

在不同技術路徑中，上述能力往往由多個模塊聯(lián)合實現(xiàn)，從數(shù)據(jù)驅(qū)動的軌跡預測模型，到神經(jīng)渲染網(wǎng)絡，再到多模態(tài)融合仿真接口，共同構成完整的4D場景生成流水線。

三、核心技術解析

1、Neural Radiance Fields（NeRF）

NeRF是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡的體積渲染方法，通過對空間點位置與觀察方向的編碼，學習輸出每個點的顏色與密度，實現(xiàn)高質(zhì)量的三維重建與新視角圖像合成。

（1）技術特點

- 具備很高的渲染保真度；

- 支持任意視角合成，適用于多視圖重建任務；

- 對遮擋、反射、透明等復雜視覺效果建模能力強。

（2）局限性

- 訓練效率低，渲染速度慢；

- 不原生支持動態(tài)場景；

- 依賴多視角密集數(shù)據(jù)輸入。

NeRF更適合作為小規(guī)模高精重建模塊，用于城市局部區(qū)域或典型交互區(qū)域建模。

EmerNeRF的自動駕駛場景重建真值/渲染值對比

2、3D Gaussian Splatting（3DGS）

3D Gaussian Splatting 是近年來提出的高效神經(jīng)渲染方法，由 Inria 團隊于 2023 年發(fā)布。它采用高斯分布建模離散點云，在屏幕空間進行潑濺（splatting）操作，從而實現(xiàn)對三維場景的實時渲染。不同于 NeRF 使用體積積分的方式，3DGS 將空間中的顏色和密度建模為可渲染的高斯球體，渲染效率顯著提升。

其主要優(yōu)勢包括：

（1）很高的渲染效率：相比 NeRF 快數(shù)百倍，可實現(xiàn)實時或近實時的圖像合成；

（2）訓練速度快：幾十秒到幾分鐘即可完成一個中等規(guī)模場景的建模；

（3）結構緊湊，易于部署：渲染結構不依賴深度網(wǎng)絡推理，適合本地仿真引擎嵌入；

（4）視覺質(zhì)量優(yōu)異：保留了 NeRF 的軟陰影、光照過渡與遮擋關系等特性。

在自動駕駛仿真系統(tǒng)中，3DGS 可用于從多視角圖像或視頻中重建真實道路場景，為感知模型提供高保真圖像合成能力，適用于傳感器回放、虛擬重構、數(shù)據(jù)增強等場景，是當前神經(jīng)渲染領域中效率與質(zhì)量兼具的重要方案之一。

基于3DGS的S3Gaussian算法提出的重建流程

3、log2world：從實采數(shù)據(jù)到虛擬世界的橋梁

log2world是一種將自動駕駛原始數(shù)據(jù)（如ROS bag、CAN log、傳感器幀）自動轉(zhuǎn)化為可視、可交互仿真場景的工具鏈。主要功能包括：

（1）根據(jù)IMU與GNSS數(shù)據(jù)還原車輛軌跡；

（2）使用圖像與點云重建環(huán)境幾何與紋理；

（3）提取行為序列并重建動態(tài)參與者；

（4）輸出統(tǒng)一格式場景文件，支持仿真平臺直接加載（如Unreal、CARLA、LGSVL等）。

log2world顯著降低了真實場景數(shù)字化與復現(xiàn)成本，是構建基于真實行為數(shù)據(jù)的4D測試場景的重要手段。

用于Log2World仿真的流程示例(IVEX+aiSim)

四、應用場景與系統(tǒng)集成實踐

生成式AI+4D場景生成技術目前已在以下典型場景中形成落地：

（1）閉環(huán)驗證系統(tǒng)：自動識別模型薄弱場景，動態(tài)生成補全，形成仿真-訓練-驗證閉環(huán)；

（2）多模態(tài)數(shù)據(jù)生成引擎：結合仿真接口輸出RGB圖像、深度圖、點云、語義標簽等，用于感知模型訓練；

（3）長尾用例擴增：生成特定條件組合下的稀有事件，如夜間施工、交通事故、人車混行等；

（4）仿真平臺集成：與CARLA、Unreal、aiSim等平臺對接，作為自動構圖/行為驅(qū)動模塊使用；

（5）城市級數(shù)字孿生：快速還原城區(qū)典型路段結構及交通特征，支持區(qū)域智能交通仿真與決策測試。

五、結語

未來，隨著大模型融合語義驅(qū)動生成（如Prompt-to-Scene）、行為軌跡生成器與語義控制接口集成、生成內(nèi)容與實車反饋協(xié)同優(yōu)化機制的發(fā)展，AI生成的4D場景將成為自動駕駛數(shù)據(jù)體系中的基礎設施，為模型迭代、安全驗證與持續(xù)運營提供核心支撐。

4D場景生成技術正從研究階段走向規(guī)模應用，構建出兼顧真實性、復雜性與效率的場景生成能力，是實現(xiàn)自動駕駛系統(tǒng)仿真閉環(huán)與持續(xù)優(yōu)化的關鍵引擎。

生成式AI正逐步承擔起從世界建模者到智能驗證者的角色，其影響力正在由測試階段擴展至研發(fā)、訓練、部署等完整流程。可以預見，未來的自動駕駛系統(tǒng)開發(fā)，將越來越依賴于這一類“生成驅(qū)動的智能仿真基礎設施”。

▍參考文獻

1. EmerNeRF: Emergent Spatial-Temporal Scene Decomposition via Self-Supervision

2. S3Gaussian: Self-Supervised Street Gaussians for Autonomous Driving