Omniverse数字孪生实战

Posted 2022-05-10 新缸中之脑

在过去的几周里，SmartCow AI 的模拟团队一直致力于帮助我们更深入地了解如何在我们的世界中创造更好、更智能和更高效的空间。

所有这一切都可以通过称为数字孪生的尖端新兴技术来完成——一种大规模的模拟系统，可以作为现实生活区域或物体的精确对应物。

数字孪生的第一个实际概念源于 1991 年，来自 David Gelernter 的 Mirror Worlds，他在其中提到：

“镜像世界是一个信息的海洋，由许多数据流提供。一些流代表在计算机终端上手动输入数据；它们慢慢地流动。其他的则由自动数据收集和监控设备提供数据，例如医院重症监护室的机器、天气监控设备或安装在道路上的交通量传感器。”

在世纪之交，迈克尔·格里夫斯博士将数字孪生的实际想法应用到软件和现实生活中，而在 2010 年晚些时候，美国宇航局的约翰·维克斯（John Vickers）引入了“数字孪生”一词。如今，正在构建数字孪生系统以监控各种数据结构，从现实生活中获取数据，并接收相同的数据以获取有关如何推进特定任务的知识。

1、为什么是数字孪生？

我们发现数字孪生的最大优势之一就是它们的通用性。如果我们可以在 3D 中复制任何空间，我们也可以灵活地移动对象或更改我们想要的任何东西，而不会破坏现实世界中空间的物理条件。

当然，这带来了几个明显的好处——其中之一是更大范围的分析可以观察流程。在数据中不容易看到的模式可能会出现在数字孪生中。另一个很大的好处是，这是一个极具成本效益的解决方案；如果出现问题或不完全按计划进行，我们可以随时重置数字孪生。

我们一直致力于打造我们自己的数字孪生，用于智能城市和智能空间应用。我们想要创建一个系统，可以将数据可视化并进行研究，直到人们可以收集这些数据并将其传输到现实世界中。此外，我们希望能够使用这些数据来模拟可能不存在于数据本身中但可以存在于现实世界中的场景。

2、DIY — 自己数字化！

那么，我们是怎么做到的呢？对于初学者来说，数字孪生是一个基于真实物理空间的 3D 系统，所以我们就是这样处理它的。我们的演示建筑以比利时安特卫普的一个道路交叉口为特色，拥有多个建筑物、植物、路灯和交通系统。

Digital Twin 的所有场景资产都是在 3D 建模软件中创建的。然后使用渲染引擎来可视化结果。为了促进我们的协作开发，我们使用NVIDIA 的 Omniverse™平台作为我们的主要渲染引擎，这对于基于 GPU 的实时渲染也非常有用。以下是我们如何为支持实时天气和昼夜循环的数字孪生模型设置管道：

为了开始这段漫长的旅程，我们从 3D 建模阶段开始，因为它很容易成为最复杂且最耗时的过程。场景中的每个相关项目都需要使用良好的几何形状进行建模，应用纹理贴图和/或材质，并与其周围对象保持一致。大部分资产是由我们专门的 3D 艺术家创建的。

在制作这些资产时，建模工作流程非常标准：我们在 3D 中创建了由四边形平面组成的资产几何图形，以确保几何图形不仅对我们的场景有效，而且还很容易分成三角形几何图形，三角形几何图形具有在渲染中保留网格的整体形状的机会更高。然后我们定义了它的 UV 贴图，并为每个 UV 贴图应用了一个纹理。场景需要是 1:1 的数字对应物，因此必须特别注意对象之间的空间关系；不正确的缩放会破坏场景的沉浸感和视觉保真度。

几何的细节水平也是一个重要的考虑因素。高保真几何看起来更好，更身临其境，但运行速度较慢并占用大量存储空间。一切都是为了平衡！

下一步是在模拟/渲染程序中实现我们所有的 3D 数据。然后将手绘 3D 纹理配置为要应用于构成最终场景的资产的材料。然后将对象相对于它们在数字孪生空间中的物理对应物放置。创建空场景后，它可以用作数据流和模拟功能的空白画布。

在功能方面，我们的构建具有由多种效果组成的实时天气系统，包括但不限于：

• 天气晴朗☀️
• 阴雨天气🌧️
• 下雪的天气❄️
• 大雾天气🌫️
• 多云天气☁️

为了实现这一点，每个天气条件都被定义为一个配置文件。每种配置都包含粒子发射器效果以模拟天气（例如下雪或下雨），以及相应的照明效果，例如通过在雨天条件下编辑光线组合来更暗、更柔和的天空以及在晴天条件下更亮、更饱和的天空以进一步提高深度的现实主义。

为了更进一步，我们从最近发布的 CityStation 产品中获得了实时天气数据。该系统安装在我们想要的位置，并通过我们团队编写的自定义连接器，数据被摄取并解析到我们的数字孪生中。通过获取这些数据并根据这些条件激活正确的天气配置文件，我们能够模拟实时天气，它完美地反映了安装 CityStation 的区域的确切条件！

由于我们拥有这些实时数据，因此加倍努力以增加视觉保真度是有意义的。在那种情况下，昼夜循环只是增强我们场景的解决方案。我们通过使用与天气效果类似的设置来定义太阳和月亮的轮廓来实现这种效果。然后，太阳（或月亮）的位置将通过使用这些标准太阳高度公式根据一天中的当前时间调整它们的角度来模拟。当太阳落山时，月亮轮廓可以启动，反之亦然。当然包括日落视觉效果！

可以添加更多功能，例如车辆交通系统、行人交通系统、行人计数系统等。

到目前为止，我们的数字孪生已经很好地结合在一起了。在从头到尾遵循整个过程之后，这就是我们得到的结果：

3、结束语

所以，现在您你道我们是如何处理数字孪生开发的浑水了。希望你了解此工具的强大功能。我们将继续添加更多功能，以利用这项尖端技术的令人难以置信的能力。我们真的认为，有了数字孪生，天空才是极限！

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原文链接：Omniverse数字孪生实战 — BimAnt