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打破虚实界限的拦路虎:数字孪生与元宇宙面临的 3D 材质挑战

发布时间:2022-08-01

编辑人:灵图互动

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1. 数字孪生概念

数字孪生(Digital Twin),也称为数字映射、数字镜像,是充分利用物理模型、传感器实时数据、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成联动,反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

数字孪生系统本质上是一个由物理实体与孪生模型结合成的、可进行连续过程优化的功能系统。

简单来说就是在信息化平台内模拟物理实体、流程或者系统,类似实体系统在信息化平台中的双胞胎。借助数字孪生,可以在信息化平台上了解物理实体的状态,甚至可以对物理实体里面预定义的接口组件进行控制,从而帮助组织监控运营、执行预测性维护和改进流程。

数字孪生概念

2. 数字孪生技术应用

因此,数字孪生技术已被广泛应用于工业产品设计、产线运维、产线规划中,开发数字孪生系统有助于企业加速新品上市时间,优化产线运营效率、改善生产不足,开发新的经营模式,进而提高收益。

如今,业界对数字孪生的关注度与日俱增,在智慧工厂领域,宝马集团通过英伟达的Omniverse平台在计算机中创建数字孪生工厂,并在数字孪生工厂中进行改变生产线配置、工人动线、仓储管理等实验。

数字孪生智慧工厂

在智慧城市领域,爱立信公司在计算机中创建一个大型规模的数字孪生城市,来准确模拟5G基站与环境之间的相互作用,以便令5G信号达到最佳传输性能和覆盖率。

在建筑模拟领域,应用数字孪生可真实模拟建筑的内部样子。通过数字孪生在最大程度考量自然光特性的前提下模拟建筑内部的光照设计,通过解决平衡照进建筑的光来达到形成恒温系统并节约能源。

由此可见,数字孪生技术已得到了各行各业的广泛应用,甚至有不少专家提到数字孪生技术是工业4.0的必备品,但当下数字孪生技术还处于初级发展阶段,技术瓶颈来自方方面面,暂时还无法大规模普及使用。其中,3D材质也是其中一项比较大的挑战。

3. 数字孪生面临的 3D 材质挑战

文件格式和代表 3D 结构的标准,如 USD 和 glTF,对元宇宙和数字孪生技术的发展起到了关键作用。但这其中也有个问题,那就是材质表现方面非常缺乏一致性。供应商、艺术家和企业正通过坚持在一个特定的设计工具和渲染引擎的生态系统内或生成多个设计版本来缓解这些问题。

现在,3D 行业和工业设计师正在探索促进跨平台材质互用性的方法。这可以让创作者或企业创建一个新布料、装饰品、风格、鞋子或油漆的虚拟表示,并让它在各种工具和各种 3D 世界中准确渲染。

但这样的做法实际上存在两个挑战。首先,每个渲染引擎都有不同的方法来捕捉和表现各种光照条件下的材质的物理外观。其次,有多种不同的方法来表现材质的物理属性,例如它们是如何折叠、悬垂、随风飘动或抗火的。

该行业可能需要一段时间才能在任何一种格式上达成共识。各种文件格式已经出现,以帮助跨工具和虚拟世界交换材质,包括 U3M、AXF、MDB、MTL、KMP 和 SBS,但每一种都有其优势和劣势。

逼真的外观

为游戏和娱乐创建 3D 资产的企业正在探索更好的材质处理技术,如基于物理的渲染(PBR)可以改善虚拟世界的外观。3D 制作平台 M-XR 的联合创始人兼首席技术官 Elliott Round 表示:" 人们通常将材质视为织物,但 3D 行业将材质视为一种视觉事物。"

PBR材质

大多数人都熟悉红、黄、蓝等原色涂料的组合方式,以创造各种颜色。材质在此基础上更进一步,用额外的纹理图代表其他属性,如反照率、金属度、粗糙度、不透明度和漫反射,这就是使它变得复杂的地方。" 不同的渲染引擎有不同数量的材质属性,"Round 解释说。" 有些会有 5 个参数,而另一些会有 10 个,所以它们的工作方式会略有不同。这是我们希望与其他公司一起解决的问题,以便更好地统一 3D。"

该行业在准确渲染材质方面历来面临着计算和内存的限制。但现在,随着更好的计算机和算法的出现,这些限制开始消失。" 我希望我们能达到这样一种境界,即我们不再需要偷工减料和破解材质,因为限制因素减少了,"Round 说道。" 它可以变得像现实世界一样统一。"

Round 的公司一直在开发工具和技术,以快速捕捉现实世界物体的视觉属性,并将其融入虚拟世界。他们开始使用摄影测量和结构光扫描等工具来捕捉 3D 物体。" 所有这些方法都能给你带来真正好的 3D 几何,但它们都不会给你提供材质信息。而这可以说是照片真实性的关键所在,"Round 解释说。这包括诸如光线如何从一个物体上反射,以及它是否被散射、吸收或透射等方面。

他的团队还探索了纺织业中经常使用的各种样品扫描器。Vizoo 和 X-Rite 等公司推出的这类扫描仪可以通过扫描布条或纸片来捕捉视觉材质的特性,艺术家和企业随后可以将这些特性应用于 3D 物体。Round 说,这些扫描器确实很好,但当用于扫描整个物体时效果会大打折扣,这也促使人们研究更好的整体物体捕获技术。Epic 最近投资了 M-XR,以帮助 3D 创作者扩展这些工具。

逼真的感觉

生产纺织品、室内装潢和服装等物理材质的公司面临着额外的材质挑战。他们还需要使用各种工具和方法来捕捉事物的物理特性。例如,比利时纺织业巨头 Bru Textiles 公司花了 4 年时间,为其新的 Twinbru 服务开发了一个准确捕捉视觉和物理特性的纺织品数字孪生的工作流程。Twinbru 合作开发经理 Jo De Ridder 表示:" 数字孪生在物理和规格上都是物理织物的 100% 复制品。"

逼真的感觉

这有助于设计公司创建现实的原型,如一个新的酒店大堂,并迅速为客户探索变化。在过去,他们必须通过样板书来大致了解外观,此外还需要创建一个模拟模型,但该模型看起来并不总是与成品相同。De Ridder 说道:" 拥有数字孪生体可以缩短供应链,降低复杂性,提高准确性。

然而,这也是一个复杂的过程。Twinbru 团队花费了数年时间来开发和精简工作流程,以捕捉视觉和物理特性,并将这些渲染成数字孪生体。他们使用 X-Rite 和 Vizoo 扫描仪的组合来捕捉代表织物视觉方面的 AXF 和 U3M 文件。此外,他们还与 Labotex 合作,将纺织品的物理特性捕捉到 SAP 数据库中,并将其转换为适当的物理引擎格式。他们创造了可用于 Nvidia Omniverse、Chaos Cosmos、ArchiUp 和 Swatchbook 的织物数字孪生体。

创造一个更物质化的元宇宙

改进行业合作可以通过帮助简化其他制造和使用纺织品、涂料、布和其他材质的公司的类似工作流程来实现。由 3D 零售联盟发起的 2020 年数字织物物理学互用性调查得出结论,现在可以一次性测量 5 种织物的物理学属性,并准确地将其转化为多个 3D 服装软件解决方案的等效物理学值。这些属性包括弯曲、拉伸 / 伸长、剪切 / 对角线拉伸、重量和厚度。

行业领导者也开始在开放标准上进行合作。例如,制造 3D 服装设计软件的 Browzwear 公司一直在与 Vizoo 公司合作,推动统一 3D 材质(U3M)标准在时尚界的采用率。与其他格式相比,这一格式的优点是,它可以同时捕捉织物的视觉信息和物理特性。

数字孪生体

Browzwear 的首席执行官 Avihay Feld 表示:" 我真的相信,将元宇宙发展到大规模采用的地步,需要准确表达材质和纹理。将数字孪生体视为物理世界的快照是一个好的开始。数字孪生作为与现实同步的、不断发展的现实图景甚至效果更好。"

他认为,目前还不清楚元宇宙的发展方向,但很容易想象到两种可能性。一种是偏离现实的元宇宙,在那里,虚拟世界违背了物理规律。另一种是模仿现实的元宇宙,因此用户会有类似于现实世界中可能出现的体验。

他认为,在第二种情况下,真实呈现事物的视觉和物理属性将至关重要。在虚拟世界中拥有现实的东西将使它更有沉浸感和吸引力,同时它也将使元宇宙能够支持各种用例。其中一个主要的案例是商业,这指的不是严格意义上的数字项目,而是现实生活中的物品。在这第二种情况下,从可视化纹理和模拟物体物理学的角度来看,拥有真正的数字孪生将非常重要。

Feld 说道:" 这两种可能性或将并存,但如果没有真实的体验,元宇宙很可能仍然是技术人士脑海中的幻想世界,而不是有可能带来变革的新宇宙。"

元宇宙

4. 小结

不久的未来,以数字孪生为核心的产业将如雨后春笋般出现,数字孪生也将成为企业的标配。但是除技术之外,数字孪生仍然面临着制度、管理、人才等各方面的挑战,而这些因素的背后,本质上更是一种思维方式的进化,数字孪生发展需要思维先行。

同时,也需要警惕数字孪生的概念化陷阱。不能为了数字孪生而数字孪生,毕竟数字孪生本身并不会主动释放价值,也无法单独作为生产力而存在,如果只是单纯的推销数字孪生的概念,也将如梦幻泡影而随时面临破灭的风。

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