中金观点 | 元宇宙系列研究之建模引擎：数字孪生之基，虚实交融之纽

　　以下文章来源于中金点睛，作者王之昊 张雪晴等

　　近期，“中金观点”栏目持续推出“元宇宙”主题系列研究，围绕元宇宙定义、技术基础、积极影响及VR/AR、Web 3.0、虚拟人等方面的应用展开具体解读和畅想，以飨读者

　　建模引擎是构建数字虚拟世界的核心工具，其为三维数字对象的建模提供基本的开发环境，赋予数字世界中建模对象以基本几何与物理属性。经过近五十年的发展，建模引擎的应用领域已经覆盖了工业、建筑、游戏、动画、影视等丰富的场景。我们认为建模引擎也将作为元宇宙中数字对象建模的基础工具，成为元宇宙的核心基础设施。本文将从技术和应用的视角，对建模引擎的迭代方向以及全球产业的动态趋势进行分析与展望。

　　摘要

　　建模引擎是三维图形开发领域的基础“中间件”。

　　几何建模：泛工业应用为先，通往正向设计的“阶梯”。

　　图形渲染：泛娱乐应用为重，构建虚拟世界的“画笔”。

　　未来趋势：泛工业与泛娱乐应用交融，技术演进与应用探索并进。

　　风险

　　正文

　　建模引擎：三维图形开发中间件，元宇宙的基础设施

　　建模引擎是构建虚拟数字世界的重要基础设施。

　　如何构建一个数字对象？建模、渲染、仿真为基本的三步。

　　建模引擎提供标准的三维图形开发环境，协助用户实现数字对象的创建及编辑。

　　►几何建模：

　　几何建模技术赋予建模对象以基本的几何数据结构。

　　►图形渲染：

　　图形渲染技术使得建模对象能够在计算机图形界面中呈现出三维视觉效果。

　　►仿真计算：

　　仿真计算技术帮助建模对象模拟出真实世界中应具备的物理特征。

　　建模引擎是三维图形开发领域的“中间件”，支撑起丰富的泛工业、泛娱乐场景应用。

　　建模对象的“虚实之分”是泛工业与泛娱乐领域各自建模偏重的本质区别。

　　几何建模：泛工业应用为先，通往正向设计的“阶梯”

　　几何建模技术：构建造型对象的几何与拓扑关系

　　几何建模技术实现物体模型在计算机中的数学表述。

　　几何属性

　　拓扑属性

　　参数化建模，基于约束的自动化设计。

　　几何建模应用：泛工业领域CAX建模，从正向设计到数字孪生

　　三维几何建模内核是泛工业领域CAX应用的基础

　　广义的三维几何建模内核囊括从底层的数据管理架构，到顶层的三维造型组件，

　　Parasolid、ACIS是全球主流的两款商业几何建模引擎。

　　少数国产工业软件厂商掌握有自主几何建模引擎。

　　三维几何建模内核主要以CAX产品的方式实现商业化

　　三维几何建模内核最初是从专业CAD中独立而出。

　　单纯内核授权的市场规模较小，主要仍是以完整CAX产品的方式实现商业化。

　　图形渲染：泛娱乐应用为重，构建虚拟世界的“画笔”

　　图形渲染技术：实现建模对象的3D视觉效果呈现

　　图形渲染使得建模对象得以2D屏幕上呈现出3D视觉效果。

　　图形渲染引擎调用底层硬件资源，实现3D对象在计算机显示上的绘制呈现。

　　图形渲染的方法原理：光栅化与光线追踪

　　光栅化是最为经典的图形渲染方法。

　　光线追踪则是对光线的真实模拟，可实现更为真实的渲染效果。

　　图形渲染的技术分支：离线渲染与实时渲染

　　图形渲染技术在应用上分为两支分支：实时渲染和离线渲染，来自于两类产业的不同需求。

　　►离线渲染：高精度的长时间离线渲染，主要应用于非实时交互的场景，如动画CG和电影。

　　►实时渲染：牺牲一定画质来交换效率的选择，主要应用于3D游戏、VR等强实时交互的场景。

　　图形渲染应用：泛娱乐领域的数字原生创作，从动画建模到游戏引擎

　　与工业领域相同，泛娱乐领域的建模同样需要经历从几何建模、图形渲染到场景细节设计及虚拟仿真的过程。

　　游戏与动画建模更为注重视觉呈现效果，图形渲染成为其中的核心步骤。

　　独立离线渲染器：最基础的渲染工具

　　渲染器是用来进行图像渲染的软件。

　　动画建模软件：集成的泛娱乐建模工具

　　3ds MAX和Maya都是当前泛娱乐领域主流的三维建模软件，均属于Autodesk公司。

　　游戏引擎：可交互3D世界的创造工具

　　游戏引擎是可交互3D内容创作的核心工具。

　　主流游戏引擎均内置了完备的渲染引擎能力。

　　游戏引擎的诞生源自自研游戏开发，中长尾开发者需求驱动商用引擎发展。

　　对于大型游戏厂商而言，自研引擎和商用引擎并非互不相容。

　　中长尾需求推动商业游戏引擎快速发展。

　　Unity：移动端游戏应用最为广泛的游戏引擎

　　Unity是跨平台的2D及3D建模引擎。

　　Unity科技公司业务主要可分为2个模块：开发解决方案（Creation solution）和运营解决方案（Operation solution）。

　　►开发解决方案指的是创建、编辑、运行和部署实时2D和3D内容的方案，

　　►运营解决方案可协助游戏开发者运营游戏、扩大吸引终端用户数，及提升用户价值。

　　Unity引擎作为公司的基石业务，免费版积累用户基础，辅助工具挖掘客户价值。

　　Unity的运营解决方案为游戏开发者提供长期的用户价值变现和优化工具，与开发解决方案形成高度协同。

　　虚幻引擎：3A游戏的高质量开发工具

　　Epic公司的虚幻引擎是目前游戏行业常用的引擎之一。

　　在销售许可模式上，虚幻引擎按照收入分成收费。

　　相较于Unity而言，虚幻引擎更加侧重于PC端大型3A游戏的开发。

　　而Unity的优势在于中长尾的游戏开发者，尤其是移动端游戏开发。

　　泛工业与泛娱乐领域的建模应用正在走向交融

　　泛工业向泛娱乐：Autodesk的泛娱乐领域布局

　　Autodesk通过Maya和3ds MAX布局娱乐建模工具。

　　StingRay是Autodesk在游戏引擎方向的一次布局尝试。

　　泛娱乐向泛工业：Unity的泛工业领域实践

　　Unity依托已有的游戏建模引擎技术，将建模引擎业务拓展至建筑、汽车、消费等行业。

　　一体化的实时建模和协作平台：英伟达Omniverse

　　英伟达在2021年11月的GTC大会上推出了3D建模领域的实时模拟和协作平台Omniverse。

　　Omniverse平台主要由5个部件组成，其中Nucleus和Kit是最为核心的两个部件。

　　不仅仅是协作平台，英伟达在底层计算硬件上的积累成为Omniverse平台坚实的后盾，硬件渲染和AI能力是核心壁垒。

　　USD为建模工具的一体化和平台化提供了可能。

　　未来展望：建模引擎可能的技术演进与应用探索方向

　　技术演进：新兴技术为建模引擎的演进提供新方向

　　AI：图像增强与3D建模

　　图像增强技术：NVIDIA的DLSS降噪。

　　GAN技术可帮助直接从照片生成几何模型。

　　云计算：云端建模与渲染

　　云化3D CAD厂商OnShape。

　　腾讯云的实时云渲染引擎。

　　实时光线追踪：新一代渲染技术

　　实时光线追踪的大范围推广受限于算力的不足。

　　►硬件：GPU原生支持光线追踪。

　　►API：支持光线追踪的API标准发布。

　　应用探索：元宇宙畅想，数字孪生与数字原生

　　数字建模引擎将成为元宇宙中重要的底层基础设施。

　　►从架构部署而言，最好是云化的。

　　►从输出效率而言，应当是实时渲染的。

　　►从软件协作而言，数据格式统一化，软件之间互操作。

　　[1] 《工业软件简史》，上海社会科学出版社（2021年11月），林雪萍

　　文章来源

　　本文摘自：2022年5月15日已经发布的《建模引擎：数字孪生之基，虚实交融之纽》

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　　张雪晴 CFA SAC 执业证书编号：S0080517090001 SFC CE Ref：BNC281

　　于钟海 SAC 执业证书编号：S0080518070011 SFC CE Ref：BOP246

　　卓德麟 SAC 执业证书编号：S0080120080068 SFC CE Ref：BSE161

　　钱 凯 SAC 执业证书编号：S0080513050004 SFC CE Ref：AZA933

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