《从英伟达 Omniverse 平台看元宇宙》

  01.英伟达Omniverse造就元宇宙基石

  NVIDIA Omniverse 是一个易于扩展的开放式平台,专为虚拟协作和物理级准确的实时模拟打造,并由 NVIDIA RTX 技术提供动力支持的实时协作。创作者、设计师、研究人员和工程师可以连接主要设计工具、资产和项目,从而在共享的虚拟空间中协作和迭代。开发者和软件提供商还可以在Omniverse 的模块化平台上轻松地构建和销售扩展程序、应用、连接器和微服务,以扩展其功能。

  根据英伟达官网介绍,NVIDIA Omniverse 可以转变行业工作流程,其中物理级准确的光线追踪渲染对于沉浸式可视化、准确模拟以及更快审查和发现而言较重要。Omniverse 平台灵活、易于定制,并采用新的 Omniverse 应用、扩展程序和 Connector,实现了持续增强。

  1、Omniverse 可实现的效果

  根据英伟达官网介绍,Omniverse 平台拥有三个主要的应用效果:

  1Omniverse 平台可以实现用户和应用程序间的实时协作。Omniverse 平台可以实现在单个交互式平台上实时整合用户和主流行业 3D 设计工具,在此基础上,开发者无需准备数据便可即时进行更新、迭代和更改,从而简化工作流程;

  2Omniverse 可提供实时性的光线追踪效果。Omniverse 平台提供可扩展的、真实的实时光线追踪和路径追踪,可以基于作品实时实现精美、物理属性准确且逼真的视觉效果;

  3Omniverse 平台实现模型可扩展性。在 Omniverse 平台上,开发者只需构建模型一次,即可在不同设备上渲染。

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通过 Omniverse 平台可实现的渲染效果

  2、Omniverse 的底层技术

  RTX:其中,Omniverse 的底层技术 NVIDIA RTX 是由 NVIDIA 创建的图形平台,能够助力新一代应用程序以空前速度模拟物理环境。NVIDIA RTX 主要用于实现实时光线追踪,基于 RTX 平台构建的应用程序带来了实时照片级渲染和 AI 增强图形、视频和图像处理的强大功能,帮助设计师和艺术家可以以全新的方式创建出色的内容。

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英伟达 RTX 平台

  CUDACUDACompute Unified Device Architecture)是 NVIDIA 专为图形处理单元 (GPU) 上的通 用计算开发的并行计算平台和编程模型。借助 CUDA,开发者能够利用 GPU 的强大性能显著加速计算应用。

  在经 GPU 加速的应用中,工作负载的串行部分在 CPU 上运行,且 CPU 已针对单线程性能进 行优化,而应用的计算密集型部分则以并行方式在数千个 GPU 核心上运行。使用 CUDA 时,开发者使用主流语言(如 C、C++、Fortran、Python 和 MATLAB)进行编程,并通过扩展程序以几个基本关键字的形式来表示并行性。

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CUDA 架构

  3、Omniverse 应用场景

  根据英伟达 Omniverse 页面披露,Omniverse 主要应用场景包括:

  (1)建筑、工程和施工:应用于行业初始概念设计、竞争与客户演示、全球协作以及快速设计评审阶段;

  (2)媒体和娱乐:应用于行业概念设计评审、供应商沟通、生产线机器人的 AI 训练和模拟、庞大的交互式工厂布局数据集阶段;

  (3)制造业:应用于行业初始概念设计、加快迭代设计速度和实时生成每日样片、全球协作以及虚拟制作阶段;

  (4)超级计算:应用于行业从不同来源导入素材、实时模拟平台、同时渲染 2D 和 3D 几何图形、发布电影级视觉效果产品等阶段

  (5)游戏开发:帮助游戏开发者更快地将游戏推向市场、管理扩展的资源库、简化 3D 角色动画并重新定义视频游戏叙事。

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Omniverse 平台五大应用场景

  02.五大基础技术构造元宇宙新世界

  在元宇宙时代,产业需要更为强大的工具将现实中的物体进行 3D 建模,为元宇宙世界输入不同的模型。其中,3D 建模算法需要基于不同的垂直场景不断优化。现阶段已有的建模技术包括游戏建模、影视建模、工业建模与建筑建模几类。产业对于更高效的建模技术需求来自于三个方面:

  (1)3D 模型下数据量将达到 TB 级,相关的软件需要对 TB 级的数据进行运算。针对垂直应用场景更优化的建模技术将节约虚拟建模的时间。

  (2)此外,进阶的算法可以精简 3D 模型所需的数据量,从而提升软件处理的效率。

  (3)为了达到更好的模拟效果,需要更多物理维度的算法,如确定数字模型物理实体的材质及其他物理特征。英伟达 Physics 算法即是根据现实物体物理材质建模的算法。英伟达通过 Omniverse 平台可以为产业提供高效的 3D 建模工具,从而实现开发者生态、软件生态以及垂直应用场景的发展,拉动底层算力的需求。

  英伟达借助 Omniverse 平台创造了全新的产品:艺术家、设计师、创作者和开发者可以在Omniverse 平台中使用 NVIDIA PhysX5、Blast 和 Flow 的实时物理模拟功能,并使用使用Omniverse Create、Isaac Sim™或 DRIVE Sim™等应用。

  (1)物理级模拟:底层算法

  PhysX:英伟达 PhysX 是执行复杂的物理运算的技术,使设计师在开发游戏的过程中使用复杂的物理效果而不需要像以往那样耗费漫长的时间开发一套物理引擎。借助 PhysX 功能,最新一代 PhysX5 在 PhysX4 的基础上增加了关于软体动力学、布料、物料点法等方向的功能模块。

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PhysX5 与 PhysX4 功能对比

  Blast:Blast 是 NVIDIA GameWorks 的销毁库,用于替换 APEX 销毁模块。Blast 专注于性能,可扩展性和灵活性,旨在将物理和图形渲染留给应用程序。Blast 以简化的表示形式处理破坏元素,向用户传达在其应用程序中更新物理和图形所需的内容,通过这种方法使开发者能够专注于核心算法的性能,并提供一个具有强大和透明功能行为的库。

  Flow:NVIDIA Flow 是 GameWorks 的可燃液体、火和烟雾模拟产品。NVIDIA Flow 中的流体模拟基于自适应稀疏体素网格进行建模,以实现最大的灵活性和最小的内存影响,并针对可用时的体积平铺资源的使用进行了优化。

  (2)物理级模拟:应用载体 Omniverse Create

  Omniverse Create 是一款用于加速高级场景合成的应用,支持用户依照 Pixar USD,以实时、交互方式组装、照明、模拟、渲染环境并与环境互动。借助依照 Pixar 的通用场景描述 (USD) 构建的简单但功能强大的工具包,艺术家、设计师和工程师可以构建具有精准物理特性的复杂实时模拟、图像或电影。

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Omniverse Create 应用功能

  (3)多用户设计协作:Nvidia Omniverse Enterprise

  Nvidia Omniverse Enterprise 通过适用于各种规模组织的实时协作和逼真仿真平台,加速工作流程和项目。Nvidia Omniverse Enterprise 是一款端到端协作和仿真平台,可从根本上改变复杂的设计工作流程,现阶段英伟达已提供 Nvidia Omniverse Enterprise 平台的订阅。

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  Nvidia Omniverse Enterprise 平台架构

  Omniverse Enterprise 平台订阅:所有 Omniverse Enterprise 订阅都包括 Enterprise 启动程序和 Enterprise 连接器。最低初始购买包包括 2 个 Omniverse Enterprise Creator、10 个Omniverse Enterprise Reviewers、4 个 Omniverse Enterprise Nucleus 订阅。

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Omniverse Enterprise 平台使用权限

  Omniverse Enterprise 平台可适配各种规模的企业。Omniverse Enterprise 可轻松部署至任何规模的组织,范围从局域网上的小型工作组,到混合的本地和云部署,再到在中央数据中心工作的全球分布式团队。

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  面向小型工作组的 Omniverse Enterprise 平台架构

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  面向大型企业的 Omniverse Enterprise 平台架构

  (4)逼真、实时渲染:Marbles RTX

  Marbles RTX 是一个基于物理的迷你游戏关卡,玩家可以控制弹珠在充满障碍物的场景中运行。在 Omniverse 中完成的最终 Marbles RTX 技术演示产生了超过 500GB 的纹理数据,165 个手工建模和纹理的独特资源,超过 5,000 个网格和大约 1 亿个多边形。

  (5)AI 加速的工作流程:Omniverse AI ToyBox

  GANverse3D 借助 AI 的强大功能,将汽车的单个图像转换为完全可驾驶的 3D 资产,其中包含 灯光、物理和基于物理的材料。NVIDIA 正在使用 AI 来改进内容创建过程,为各地的创作者提供创建虚拟世界的能力。AI Toybox 是 Omniverse 扩展的集合,展示了 NVIDIA 旨在增强内容创作者能力的最新研究成果。英伟达预计将率先发布一个由 NVIDIA 研究提供支持的 Omniverse 扩展——GANverse3D,通过这一模块,开发者可以拍摄汽车照片并创建虚拟复制品。

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Marbles RTX 建模及纹理效果

  03.数字孪生技术应用

  1、制造业:宝马数字工厂

  宝马的虚拟数字化工厂基于英伟达 Omniverse 平台打造,该实时模拟和协作平台软件由英伟达开发,基于英伟达 GPU 架构。在宝马虚拟数字化工厂中,Omniverse 的功能主要包括:

  1)将宝马工厂各种设计软件导入 CATIA、Bently、点云等设计数据到 Omniverse 平台,并在 Omniverse 进行 GPU 渲染,建立虚拟模型并基于该虚拟模型进行优化设计;

  2)Omniverse 平台利用自身的 3D 应用和用户间实时协作能力,帮助宝马虚拟化工厂进行人机工程优化仿真;

  3)通过英伟达的 GPU 渲染能力将仿真数据可视化。宝马工厂可以在物理世界建造任何东西之前,虚拟地设计、规划与运营其工厂。

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借助 Omniverse 平台搭建的宝马数字工厂

  2、自动驾驶汽车:DRIVE Sim

  NVIDIA DRIVE Sim™ 是一款端到端仿真平台,从头开始构建,可运行大规模、物理上精确的多传感器仿真。它是开放、可扩展的模块化产品,支持从概念到部署的音视开发和验证,从而提高开发人员的工作效率并加快上市时间。

  3、机器人:Isaac Sim

  由 Omniverse 提供支持的 NVIDIA Isaac Sim 是一款可扩展的机器人仿真应用程序和合成数据生成工具,可为照片级真实感、物理精确度的虚拟环境提供支持,以开发、测试和管理基于 AI 的机器人。

  Isaac Sim 的主要功能包括:

  (1)逼真模拟:利用 Omniverse 平台强大的仿真技术,包括使用 PhysX 5 的高级支持 GPU的物理仿真、具有实时光线和路径追踪的逼真度,以及对基于物理的渲染的 MDL 材质定义支持;

  (2)涵盖广泛应用的模块化架构:Isaac Sim 旨在解决许多最常见的机器人用例,包括操作,导航,用于训练数据的合成数据生成。此外,由于其模块化设计,该工具可以定制并扩展到许多新的用例;

  (3)无缝连接和互操作性:借助 NVIDIA Omniverse,Isaac Sim 受益于 Omniverse Nucleus和 Omniverse Connectors,能够以 USD 协作构建,共享和导入环境和机器人模型。

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英伟达 Isaac Sim 工业机器人仿真

  4、超算中心:NVIDIA IndeX

  NVIDIA IndeX 是一种立体可视化工具,支持用户通过交互方式可视化整个数据集并加速收集更深入见解的过程。用户可以随时更改彩色地图来突出数据的细微属性,查看整个时间系列的横截面,并利用环境光遮蔽和阴影等功能来检查数据的关键组件。

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Nvidia IndeX 效果示意

  04.市场前景

  许多元宇宙中的虚拟场景是根据现实中的场景建模。这一过程需要依赖高度成熟的 3D 建模算法,这些算法的积累可能来自于游戏、娱乐、建筑、工业等场景。这为布局 3D 虚拟建模的厂商带来了新的营收。这一营收增量可被拆解为软件工具的营收(License 费用)以及生态对于底层算力的拉动。

  根据英伟达公告,Omniverse 已被 700 多家公司以及7 万多名个人创作者采用。Omniverse 也已经从测试版转向通用版,扩展到软件生态系统,使 4000 万 3D 设计师可以接触到它。按每位 3D设计师每年 1000 美元的 Licensing 费用测算,新的软件市场空间在成熟后可达 400 亿美元/年。

  Omniverse 的优势:软件能力+生态系统。英伟达专为加速不同工作流程而打造的专用应用程序。开发者可以使用 Omniverse 应用程序,或在 Omniverse 套件上构建自己的应用程序。

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Omniverse 应用程序及功能

  另外,开发者可以通过导入/导出、带有支持 USD 的第三方应用和库的 Omniverse Drive 或Omniverse Connector(支持实时编辑工作流程的单向或双向插件),发挥互联多应用工作流程的优势。Omniverse 已可联通 Autodesk、Adobe Photoshop、Unreal 等工具。

  定位:3D 工作流程的互连中心。借助 Omniverse 平台的高兼容性,Omniverse 可以充当整个 3D 工作流程的互连中心,以实时同步创作取代线性流程。通过 Omniverse Connectors 和应用程序,使用开发者熟悉的设计应用程序,无缝集成开发者的 3D 工作流程,并开辟新的方法来加快构建和探索创意。

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Omniverse 定位为 3D 工作流程的互连中心

  智东西认为,相比社交网络、游戏巨头、软件巨头,英伟达定位是元宇宙硬件最底层:GPU、AI和Omniverse。Omniverse平台是英伟达过去二十多年软、硬件技术的集大成者,是英伟达为创建元宇宙数字化虚拟空间的技术平台底座。未来,在元宇宙时代,英伟达可能还将继续维持其GPU时代的硬件霸主地位,或是元宇宙时代最大的赢家。

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