不知道你有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)：新生代的工程師們已經(jīng)開(kāi)始嫌棄過(guò)去那種機(jī)械、古板和無(wú)聊的研發(fā)設(shè)計(jì)軟件，他們渴望在一種操作流暢、賞心悅目和體驗(yàn)逼真的 數(shù)字化環(huán)境中游刃有余，因?yàn)閯?chuàng)新往往都是在快樂(lè)和喜悅中發(fā)生的；新時(shí)代的工業(yè)企業(yè)也厭倦于過(guò)去那種溝通低效、數(shù)據(jù)抽象、邏輯晦澀的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)環(huán)境， 企業(yè)家們渴望在一種協(xié)同高效、數(shù)據(jù)可視和邏輯清晰的數(shù)字化環(huán)境中運(yùn)籌帷幄，因?yàn)楦哒斑h(yuǎn)矚往往是那種通透洞察之后的先驗(yàn)和直覺(jué)。這種快樂(lè)和通透的體驗(yàn)，是工業(yè)軟件與實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎聚變的產(chǎn)物，這種聚變將和其他智能技術(shù)一起，共同推動(dòng)新一代工業(yè)軟件的誕生。
作者 | 艾迪普科技創(chuàng)始人唐興波
首發(fā) |艾迪普（ID：IDEAPOOL_GROUP）
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實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎的前世今生
實(shí)時(shí)3D引擎的發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)階段和里程碑。20世紀(jì) 70年代末和80年代初，出現(xiàn)了早期的3D渲染技術(shù)。這些技術(shù)主要用于實(shí)時(shí)繪制簡(jiǎn)單的線框模型和平面填充，但受到硬件性能和圖形處理能力的限制。
進(jìn)入了20世紀(jì)90年代初，第一代真正意義上的實(shí)時(shí)3D 圖形渲染引擎問(wèn)世。它們利用了當(dāng)時(shí)新興的圖形處理單元（GPU）和 3D加速卡，使得計(jì)算機(jī)能夠更快地渲染和顯示3D圖形。這些引擎主要用于游戲開(kāi)發(fā)和虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)硬件的不斷提升，實(shí)時(shí)3D引擎的功能也逐漸擴(kuò)展。引擎開(kāi)始支持更高級(jí)的圖形效果，如紋理貼圖、光影效果和粒子系統(tǒng)等。這使得游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用能夠呈現(xiàn)出更加逼真的圖像和更為豐富的視覺(jué)效果。
到了2000年代中期以后，跨平臺(tái)和開(kāi)源引擎的興起為實(shí)時(shí)3D引擎的發(fā)展帶來(lái)了新的動(dòng)力。開(kāi)源引擎，如O3D和Unreal，提供了基于開(kāi)源算法構(gòu)建的工具和資源，使得開(kāi)發(fā)者能夠更方便地創(chuàng)建和部署跨平臺(tái)的3D 應(yīng)用。近年來(lái)，實(shí)時(shí)3D引擎在實(shí)時(shí)交互和虛擬現(xiàn)實(shí)方面的發(fā)展非?；钴S。引擎開(kāi)始支持更先進(jìn)的交互技術(shù)，如手勢(shì)控制、語(yǔ)音識(shí)別和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的集成，使得用戶能夠更自然地與3D場(chǎng)景進(jìn)行互動(dòng)。
隨著云計(jì)算和 5G 技術(shù)的崛起，實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎在云游戲和流媒體方面的應(yīng)用逐漸成為熱點(diǎn)。引擎開(kāi)始支持將計(jì)算和渲染任務(wù)移至云端，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)游戲和圖形應(yīng)用的流媒體傳輸，為用戶提供更高質(zhì)量、低延遲的體驗(yàn)。同時(shí)，實(shí)時(shí)3D引擎也開(kāi)始拓展到了不同的應(yīng)用領(lǐng)域，如教育、醫(yī)療和建筑等，工業(yè)領(lǐng)域與實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎也正在快速融合。
新一代工業(yè)軟件與
實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎的聚變
傳統(tǒng)方式的企業(yè)生產(chǎn)和管理越來(lái)越限制著企業(yè)的創(chuàng)新能力和生產(chǎn)效率。隨著新一代工業(yè)軟件的逐步發(fā)展，企業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型開(kāi)始展現(xiàn)出新的潛力。這些軟件不僅能夠用于自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程，優(yōu)化資源配置，更重要的是，它們能夠?qū)ιa(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和預(yù)測(cè)，幫助企業(yè)快速做出準(zhǔn)確決策，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的高效協(xié)同和優(yōu)化。
當(dāng)下，實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎正成為新一代工業(yè)軟件的核心技術(shù)支撐，并為其帶來(lái)了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)工業(yè)軟件在完成建模對(duì)象的幾何數(shù)據(jù)建模之后，為了讓線、框、點(diǎn)組成的幾何模型在2D的屏幕上呈現(xiàn)，并能夠表現(xiàn)出立體的3D視覺(jué)效果，需要向模型增加紋理、色彩、光影等信息，使得幾何模型最終呈現(xiàn)為三維圖像，這一過(guò)程被稱為渲染。
在工業(yè)廣泛應(yīng)用的軟件如CAD、CAE、BIM等，在完成數(shù)據(jù)模型后都需要實(shí)時(shí)渲染驅(qū)動(dòng)來(lái)與場(chǎng)景結(jié)合，讓使用者更加直觀的看到融合場(chǎng)景的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)內(nèi)容展示。具體實(shí)現(xiàn)架構(gòu)及應(yīng)用結(jié)合方式如下：
3D 渲染引擎與工業(yè)軟件的聚變
借助實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎，企業(yè)可以將復(fù)雜的工程圖紙、產(chǎn)品模型以及原型樣本等轉(zhuǎn)化為物理實(shí)體在數(shù)字世界的實(shí)時(shí)鏡像體。這不僅使企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程規(guī)劃等方面節(jié)省大量時(shí)間和成本，更重要的是，它為企業(yè)帶來(lái)了全新的交互式體驗(yàn)，使得客戶、設(shè)計(jì)人員和工程師能夠更加直觀地參與其中，進(jìn)行深度溝通、共同協(xié)作，從而推動(dòng)企業(yè)產(chǎn)品的不斷創(chuàng)新和提升。
此外，結(jié)合實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎，企業(yè)可以通過(guò)分析生產(chǎn)制造過(guò)程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)出這些數(shù)據(jù)之間多維度的邏輯關(guān)系，從而幫助管理者做出更明智的決策。在工業(yè)數(shù)字化、智能化發(fā)展過(guò)程中，諸多傳統(tǒng)工業(yè)軟件與實(shí)時(shí) 3D 圖形渲染引擎相結(jié)合的創(chuàng)新應(yīng)用正在嶄露頭角。
2.1 CAD與實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎的聚變
數(shù)字化工業(yè)設(shè)計(jì)軟件（CAD）結(jié)合實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎可以加速產(chǎn)品和工程設(shè)計(jì)過(guò)程。設(shè)計(jì)人員可以在虛擬環(huán)境中快速創(chuàng)建、修改和測(cè)試產(chǎn)品原型，避免在實(shí)際制造階段發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)虛擬試驗(yàn)，可以優(yōu)化產(chǎn)品性能并改進(jìn)生產(chǎn)流程，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
CAD與實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎結(jié)合，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、建筑規(guī)劃、工程模擬等領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的益處。在這種應(yīng)用結(jié)合下，設(shè)計(jì)人員使用CAD軟件進(jìn)行產(chǎn)品或場(chǎng)景的三維建模。這些模型包含了產(chǎn)品的外觀、結(jié)構(gòu)和功能等關(guān)鍵信息。當(dāng)設(shè)計(jì)人員將CAD模型導(dǎo)入到實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎中，就可以將靜態(tài)的CAD模型轉(zhuǎn)化成具有真實(shí)光影效果和紋理的動(dòng)態(tài)三維場(chǎng)景。這意味著設(shè)計(jì)人員可以為產(chǎn)品設(shè)置逼真的光照、材質(zhì)貼圖和環(huán)境背景。
在實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎中，設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)一步調(diào)整場(chǎng)景的擺放、燈光效果和相機(jī)視角，以展示產(chǎn)品的各個(gè)方面和細(xì)節(jié)。通過(guò)調(diào)整這些參數(shù)，設(shè)計(jì)人員可以優(yōu)化產(chǎn)品的外觀和視覺(jué)效果，從而更好地滿足客戶的需求。實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎還可以生成高質(zhì)量的渲染圖像或動(dòng)畫。這些渲染結(jié)果可以用于產(chǎn)品展示、市場(chǎng)營(yíng)銷、客戶演示以及設(shè)計(jì)審查。通過(guò)在渲染過(guò)程中添加動(dòng)畫效果，設(shè)計(jì)人員還可以展示產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)和功能，從而更好地傳達(dá)設(shè)計(jì)意圖。
CAD軟件與實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎的聚變反應(yīng)鏈
另外，使用實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎的工業(yè)軟件可以促進(jìn)團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)同和溝通。團(tuán)隊(duì)成員可以在共享的虛擬環(huán)境中討論和編輯設(shè)計(jì)，更直觀地交流意見(jiàn)和修改，從而減少誤解和加快決策過(guò)程。
2.2 CAE 與實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎的聚變
虛擬仿真軟件（CAE）與實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎應(yīng)用結(jié)合是一種將CAE仿真分析結(jié)果及數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎相結(jié)合的技術(shù)，用于可視化展示和分析工程模擬的過(guò)程和結(jié)果。
實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)、工程模型和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)三維場(chǎng)景。這樣，工程師、設(shè)計(jì)人員和決策者可以更直觀地理解和評(píng)估產(chǎn)品、工廠或設(shè)備的外觀和功能。通過(guò)虛擬仿真，可以在虛擬環(huán)境中測(cè)試設(shè)備、進(jìn)行流程優(yōu)化和預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能，從而降低實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)和成本。這種結(jié)合為工程領(lǐng)域帶來(lái)了更全面、直觀的模擬分析和決策支持。
這一過(guò)程如何實(shí)現(xiàn)？首先，工程師使用CAE軟件進(jìn)行各種工程模擬和分析。如：利用有限元分析（FEA）來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，流體動(dòng)力學(xué)分析 （CFD）用于研究流體流動(dòng)行為，以及熱傳導(dǎo)分析用于研究熱傳導(dǎo)性能等。其次，工程師將CAE仿真分析結(jié)果通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞浇尤氲綄?shí)時(shí)3D圖形渲染引擎中。實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎能夠?qū)AE模擬得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成逼真的三維圖像或動(dòng)畫，使工程師可以更直觀地展示復(fù)雜的CAE分析結(jié)果，從而更容易理解和解釋。
在實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎中，工程師可以設(shè)置場(chǎng)景的外觀、燈光效果和材質(zhì)貼圖，以展示工程系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)和行為。通過(guò)動(dòng)態(tài)的三維場(chǎng)景，工程師可以觀察工程系統(tǒng)在不同條件下的響應(yīng)和變化，更直觀地了解系統(tǒng)的性能和瓶頸。此外，實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎還可以生成高質(zhì)量的渲染圖像或動(dòng)畫，用于工程報(bào)告、客戶演示和決策支持。這樣的渲染結(jié)果可以用于展示工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)、問(wèn)題所在以及可能的改進(jìn)方案，從而幫助工程師和決策者做出決策。
CAE軟件與實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎的聚變反應(yīng)鏈
2.3 CAM與實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎的聚變
CAM在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)描述、工程信息表達(dá)、工程信息的傳輸與轉(zhuǎn)化、信息管理等過(guò)程中，通過(guò)與實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎結(jié)合將產(chǎn)品加工路徑與逼真的三維模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)制造過(guò)程的可視化和優(yōu)化。
首先，CAM創(chuàng)建產(chǎn)品的工藝路徑和加工策略，根據(jù)三維模型的幾何信息和工件的加工要求，生成產(chǎn)品加工軌跡及運(yùn)動(dòng)、加工順序等信息。這些信息用于指導(dǎo)加工設(shè)備的運(yùn)動(dòng)和加工過(guò)程，從而將三維模型轉(zhuǎn)換為實(shí)際零件。通過(guò)將生成的工藝路徑導(dǎo)入到實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎中，實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎可以將加工路徑與三維模型相結(jié)合，以逼真的方式展示零件的制造過(guò)程。
通過(guò)這種可視化展示，制造工程師和操作人員可以更好地理解加工過(guò)程中的加工情況和工件的形狀變化。此外，制造工程師可以檢查加工過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，比如干涉、碰撞等，并對(duì)CAM工藝路徑進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎應(yīng)用結(jié)合提供了一種更直觀的方式來(lái)溝通制造過(guò)程， 從而提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。
CAM軟件與實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎的聚變反應(yīng)鏈
2.4 BIM與實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎的聚變
近年來(lái)，BIM與實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎的應(yīng)用結(jié)合趨勢(shì)日益明顯。實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎通過(guò)實(shí)時(shí)接入BIM軟件生成的模型數(shù)據(jù)，將模型中的建筑信息以及各種數(shù)據(jù)元素，如建筑構(gòu)件、材料、空間信息、施工進(jìn)度等，與逼真的三維模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑項(xiàng)目的全過(guò)程可視化和綜合管理。
建筑設(shè)計(jì)師、工程師等多個(gè)團(tuán)隊(duì)可以結(jié)合實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎進(jìn)行協(xié)同工作，共享設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中更新和管理模型，各個(gè)團(tuán)隊(duì)成員可以更直觀地理解建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)意圖和復(fù)雜的空間布局。此外，在實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎加持下，前端設(shè)計(jì)工具可以進(jìn)行場(chǎng)景的外觀、光照效果和材質(zhì)的設(shè)置，使建筑項(xiàng)目更加真實(shí)。設(shè)計(jì)師可以漫游整個(gè)建筑模型，觀察建筑的外觀、內(nèi)部空間和結(jié)構(gòu)等細(xì)節(jié)。
施工團(tuán)隊(duì)可以使用3D模型來(lái)規(guī)劃施工過(guò)程和檢查施工進(jìn)度。通過(guò)實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎與實(shí)時(shí)建筑設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的結(jié)合，可以輸出高質(zhì)量的渲染圖像或動(dòng)畫，展示建筑項(xiàng)目的全過(guò)程。這些渲染結(jié)果可以用于設(shè)計(jì)評(píng)審、客戶演示、施工規(guī)劃等，以此優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工流程，提高建筑質(zhì)量和效率。
BIM 軟件與實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎的聚變反應(yīng)鏈
2.5 MES與實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎的聚變
在生產(chǎn)制造現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的有效監(jiān)控至關(guān)重要。MES與實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎的應(yīng)用結(jié)合，將制造過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)信息與生產(chǎn)設(shè)備、流水線及工廠環(huán)境下所包含的所有物理設(shè)備與數(shù)字世界進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)制造現(xiàn)場(chǎng)全方位的可視化監(jiān)控和實(shí)時(shí)決策支持。
MES 系統(tǒng)收集和處理制造過(guò)程中的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)進(jìn)度、物料庫(kù)存、工人工作狀態(tài)等，這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)信息通過(guò)API接口或者數(shù)據(jù)庫(kù)形式導(dǎo)入實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎中。引擎可以將MES系統(tǒng)收集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與三維模型及場(chǎng)景相結(jié)合，以直觀展示制造現(xiàn)場(chǎng)的情況。
通過(guò)實(shí)時(shí)可視化展示，生產(chǎn)管理人員可以更直觀地了解制造過(guò)程中的狀態(tài)和變化，并實(shí)時(shí)呈現(xiàn)制造現(xiàn)場(chǎng)的外觀、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、物料流動(dòng)等，使整個(gè)制造過(guò)程更加真實(shí)，還可以觀察設(shè)備的運(yùn)行情況、生產(chǎn)進(jìn)度以及人員的工作狀態(tài)等細(xì)節(jié)。
通過(guò)實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎展示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)管理人員可以快速發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的問(wèn)題，并及時(shí)做出調(diào)整和決策。例如，在生產(chǎn)線上發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，管理人員可以立即采取措施解決，避免生產(chǎn)中斷，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的優(yōu)化和實(shí)時(shí)決策支持，更好地了解和管理制造過(guò)程，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。
MES系統(tǒng)與實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎的聚變反應(yīng)鏈
工業(yè)大數(shù)據(jù)與
實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎的聚變
工業(yè)軟件涉及大量的數(shù)據(jù)，包括傳感器數(shù)據(jù)、模擬結(jié)果和設(shè)備參數(shù)等。數(shù)據(jù)是工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)和分析，企業(yè)可以了解生產(chǎn)過(guò)程中的變化趨勢(shì)、設(shè)備狀態(tài)、產(chǎn)品質(zhì)量等重要信息，從而做出更明智的決策和優(yōu)化生產(chǎn)流程。然而，數(shù)據(jù)本身往往是抽象的、復(fù)雜的，無(wú)法直觀表達(dá)生產(chǎn)管理過(guò)程的全貌。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，企業(yè)面臨著海量的數(shù)據(jù)和多樣的挑戰(zhàn)。
在這種情況下，可視化的作用顯得尤為重要?？梢暬ㄟ^(guò)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖表、圖像或動(dòng)畫等直觀的形式，使得數(shù)據(jù)更易于理解和分析。通過(guò)可視化，工業(yè)企業(yè)可以將復(fù)雜的數(shù)據(jù)關(guān)系和趨勢(shì)以更簡(jiǎn)單、直觀的方式展示給生產(chǎn)管理人員。通過(guò)可視化將數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和展示，有助于工業(yè)企業(yè)更好地發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中隱藏的價(jià)值。
可視化可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，幫助企業(yè)迅速發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線上的問(wèn)題，并做出相應(yīng)的決策。同時(shí)，可視化也可以用于歷史數(shù)據(jù)的分析，幫助企業(yè)了解過(guò)去的生產(chǎn)情況，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為未來(lái)做出更好的規(guī)劃和決策。這樣，生產(chǎn)管理人員可以通過(guò)一張圖表或一張地圖，快速了解生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常和問(wèn)題，做出及時(shí)的反應(yīng)和調(diào)整。這種數(shù)據(jù)可視化有助于決策者更好地理解工業(yè)過(guò)程，及早發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題并把握機(jī)會(huì)。
在可視化的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎的作用更進(jìn)一步。通過(guò)實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎，這些復(fù)雜的數(shù)據(jù)可以以3D場(chǎng)景化的方式呈現(xiàn)，幫助工業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)更真實(shí)、更直觀的生產(chǎn)過(guò)程可視化，更容易理解和分析數(shù)據(jù)。通過(guò)將大數(shù)據(jù)分析結(jié)果融入到3D場(chǎng)景中，生產(chǎn)管理人員可以更清楚地了解生產(chǎn)線上的狀態(tài)和流程，觀察設(shè)備的運(yùn)行情況、產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程以及設(shè)備之間的協(xié)調(diào)工作。這樣，生產(chǎn)管理人員可以更加深入地了解生產(chǎn)過(guò)程中的細(xì)節(jié)，發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)，并做出更準(zhǔn)確的決策和調(diào)整。
大數(shù)據(jù)分析與3D引擎結(jié)合可以將大數(shù)據(jù)分析得出的結(jié)論可視化，并與高度還原的三維模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)關(guān)系的多維度、不同邏輯關(guān)系下的可視化和更深入的數(shù)據(jù)洞察。企業(yè)生產(chǎn)、管理過(guò)程中各類系統(tǒng)、流程下產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)實(shí)時(shí)傳輸至3D渲染引擎可以將大數(shù)據(jù)分析結(jié)果轉(zhuǎn)換三維數(shù)據(jù)關(guān)系或者場(chǎng)景，并以三維立體展示，用戶可以更直觀地了解大數(shù)據(jù)分析得出的復(fù)雜數(shù)據(jù)關(guān)系和模式，進(jìn)行更深入的數(shù)據(jù)洞察。這種方式從不同維度展示了大數(shù)據(jù)分析結(jié)果的全貌，幫助用戶更好地理解數(shù)據(jù)和做出決策。
數(shù)字孿生是工業(yè)軟件、大數(shù)據(jù)和
3D實(shí)時(shí)渲染引擎融合孕育而生的產(chǎn)物
數(shù)字孿生是工業(yè)系統(tǒng)流程管理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和運(yùn)行控制等工業(yè)活動(dòng)的載體，其基礎(chǔ)功能包括對(duì)工業(yè)系統(tǒng)實(shí)體的感知與控制、模型的構(gòu)建與管理、數(shù)據(jù)的組織與使用、應(yīng)用服務(wù)的設(shè)計(jì)與部署以及工業(yè)系統(tǒng)實(shí)體、數(shù)字模型、數(shù)據(jù)和應(yīng)用服務(wù)之間的高效連接等。
一個(gè)完備的數(shù)字孿生體包含數(shù)字模型、測(cè)量與控制、 模擬仿真、數(shù)據(jù)分析、數(shù)字資產(chǎn)和人機(jī)界面等要素，是工業(yè)軟件、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的綜合應(yīng)用。與傳統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)相比，數(shù)字孿生更強(qiáng)調(diào)孿生體反哺優(yōu)化物理實(shí)體，其關(guān)鍵在于通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體和物理實(shí)體的“共生”，達(dá)到全生命周期的映射、管理、控制、預(yù)測(cè)和優(yōu)化的目的。
實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎對(duì)于數(shù)字孿生技術(shù)至關(guān)重要。數(shù)字孿生是將實(shí)際設(shè)備或系統(tǒng)與其數(shù)字模型相連接的技術(shù)，實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎能夠幫助創(chuàng)建和維護(hù)數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的設(shè)備監(jiān)測(cè)、模擬和優(yōu)化。
數(shù)字孿生具有數(shù)模聯(lián)動(dòng)、虛實(shí)交互的特性，而數(shù)據(jù)的連接交互是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生動(dòng)態(tài)運(yùn)行和虛實(shí)空間高效融合的核心關(guān)鍵。實(shí)時(shí)渲染引擎所具備的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入能力，與云化數(shù)據(jù)管理平臺(tái)相結(jié)合，如華為iDME數(shù)據(jù)模型引擎，可整合并實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)景的數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)處理、交互配置和算法調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)在數(shù)字化世界的全面映射、感知、交互和管理。
隨著虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎為數(shù)字孿生體提供了人機(jī)交互能力，且超越了人體五官所能提供的功能。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)沉浸式的體驗(yàn)，幫助用戶更深入地探索和交互虛擬模型。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將虛擬模型疊加到現(xiàn)實(shí)世界中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的可視化和指導(dǎo)，有助于提高操作效率和準(zhǔn)確性。該技術(shù)使數(shù)字化的世界在感官和操作體驗(yàn)上更加接近物理世界，讓“孿生”一詞變得更為精妙。但在數(shù)字世界中，人類又具有超人般的特異功能，可以無(wú)限駕馭數(shù)字世界，例如變換大小、穿墻而過(guò)、隔空取物、時(shí)空穿越等。此時(shí)，人通過(guò)數(shù)字孿生體，開(kāi)始獲得超體的體驗(yàn)。
核心能力
是實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎的聚變?nèi)剂?/strong>
圖形處理能力、圖像處理能力、實(shí)時(shí)渲染能力、智能生產(chǎn)能力、音頻處理能力是實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎的核心功能，此外還應(yīng)具備出色易用性、擴(kuò)展性、兼容性、跨平臺(tái)等性能。這些功能和性能可以說(shuō)是實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎的聚變?nèi)剂稀?
出色的圖形處理能力3D實(shí)時(shí)渲染引擎兼顧高精度的三維模型處理、紋理貼圖技術(shù)、光影處理、強(qiáng)大的幾何計(jì)算能力、高頻幀率處理能力、快速的內(nèi)存讀寫能力、高效的并行處理能力以及物理模擬能力。這些能力共同支持引擎處理大量三維模型，實(shí)現(xiàn)紋理映射，精確渲染反射、陰影等光影效果。
同時(shí)，強(qiáng)大的幾何計(jì)算能力使得引擎能夠?qū)θS模型進(jìn)行變換、裁剪和投影等操作，提供流暢的使用體驗(yàn)?？焖俚膬?nèi)存讀寫能力和高效的并行處理能力則確保了數(shù)據(jù)的迅速傳輸和處理，提高了渲染效率。此外，物理模擬能力使得粒子系統(tǒng)、水流模擬和布料模擬等效果得以實(shí)現(xiàn)。綜合這些圖形處理能力，三維實(shí)時(shí)渲染引擎才能夠渲染出具有高畫質(zhì)、優(yōu)秀性能的視覺(jué)效果，滿足各類應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
卓越的圖像處理能力
工業(yè)領(lǐng)域數(shù)字化的落地應(yīng)用，除了需要優(yōu)秀的實(shí)時(shí)圖形處理能力外，為了實(shí)現(xiàn)物理世界和數(shù)字世界的高效聯(lián)動(dòng)，同樣需要融合處理圖像的相關(guān)能力。
如在音視頻編解碼方面，引擎需要在不同的環(huán)境及硬件上進(jìn)行高效的音頻和視頻流的解碼和編碼。支持各種標(biāo)準(zhǔn)和高級(jí)的音視頻編解碼格式，包括但不限于AAC、MP3、H.264、H.265編碼等。此外，實(shí)時(shí)渲染引擎也需要在音頻和視頻的播放中完成同步處理，以保證使用的最佳體驗(yàn)。
此外，在圖像識(shí)別方面，三維實(shí)時(shí)渲染引擎應(yīng)該具備圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)的能力，這是現(xiàn)實(shí)與虛擬世界結(jié)合、實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）或虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）的基礎(chǔ)。這涵蓋了從簡(jiǎn)單的顏色和形狀識(shí)別，到復(fù)雜的物體識(shí)別，人臉識(shí)別， 甚至深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別等技術(shù)。
對(duì)虛實(shí)映射應(yīng)用來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)渲染引擎既要將虛擬的3D模型和場(chǎng)景以逼真和高效率的方式呈現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)也要將現(xiàn)實(shí)世界中的信息以適當(dāng)方式集成進(jìn)來(lái)。例如，在AR場(chǎng)景中，引擎需要在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中適當(dāng)?shù)匾胩摂M元素，以及根據(jù)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的變化調(diào)整虛擬元素的顯示——這就需要實(shí)時(shí)跟蹤和處理來(lái)自現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)，如視點(diǎn)、光照、物理碰撞等。
實(shí)時(shí)渲染能力實(shí)時(shí)渲染技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越發(fā)廣泛，如產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和維修工作更為高效精準(zhǔn)，用戶體驗(yàn)也被極大提升。
實(shí)時(shí)渲染技術(shù)極大提升了設(shè)計(jì)效率。在傳統(tǒng)的工作流中，設(shè)計(jì)師通常需要投入大量時(shí)間在等待模型渲染完成，而實(shí)時(shí)渲染技術(shù)可以讓設(shè)計(jì)師立即看到設(shè)計(jì)的效果，這不僅提升了工作效率，也使設(shè)計(jì)師可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整和優(yōu)化，進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)的質(zhì)量。
實(shí)時(shí)渲染能力有助于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)模擬。該技術(shù)可以將復(fù)雜的物理特性如光線、材質(zhì)、陰影等納入計(jì)算，以及復(fù)雜的表面特性，在模型中實(shí)現(xiàn)近乎真實(shí)的模擬和渲染。這一優(yōu)點(diǎn)在各種領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用，尤其在汽車和航空制造領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品在各種環(huán)境和條件下性能的精準(zhǔn)模擬，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。
實(shí)時(shí)渲染技術(shù)具備強(qiáng)大的交互性。它使工程師和設(shè)計(jì)師能夠?qū)崟r(shí)交互，旋轉(zhuǎn)、縮放、調(diào)色等操作的結(jié)果可以立即看到，極大提高了用戶的體驗(yàn)。同時(shí)， 這一特性也使得客戶能更好地理解和接觸產(chǎn)品，有利于提高市場(chǎng)推廣效果和使用者的滿意度。
成本的節(jié)省。借助實(shí)時(shí)渲染這一技術(shù)，企業(yè)可以在設(shè)計(jì)階段甚至在生產(chǎn)階段前納入更多的變量進(jìn)行模擬和分析，而不必制造實(shí)物樣品。以此，可以避免或者至少可以減少實(shí)物樣品的制造，大幅降低費(fèi)用和時(shí)間成本。
隨著實(shí)時(shí)渲染技術(shù)的不斷演進(jìn)，其對(duì)硬件性能的要求逐步降低，使得該技術(shù)逐漸普及和實(shí)用化。未來(lái)，我們有理由相信實(shí)時(shí)渲染技術(shù)將進(jìn)一步推動(dòng)工業(yè)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的革新，使得工業(yè)生產(chǎn)變得更為高效，節(jié)約資源和環(huán)保。
智能的生成能力基于克隆、排列特效、自形變物體等功能，實(shí)現(xiàn)草地、樹(shù)木等內(nèi)容批量生產(chǎn)和分布排列，旗幟飄動(dòng)、海洋水波流動(dòng)等創(chuàng)意效果的自動(dòng)生成，程序輔助生產(chǎn)大幅提升使用者的創(chuàng)作能力和效率，滿足大規(guī)模復(fù)雜場(chǎng)景的快速制作需求。
基于自動(dòng)路徑規(guī)劃功能，設(shè)置起點(diǎn)和終點(diǎn)，引擎自動(dòng)生成漫游路徑，提升場(chǎng)景漫游追蹤等內(nèi)容的制作效率。
杰出的性能為了更好的與傳統(tǒng)工業(yè)軟件應(yīng)用能力匹配，實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎除了要具備以上優(yōu)秀能力外，還應(yīng)該具備以下卓越的性能：
圖形實(shí)時(shí)處理及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入效率：隨著工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越復(fù)雜，實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎需要處理超大場(chǎng)景、超精細(xì)模型等數(shù)據(jù)和信息體量巨大的工業(yè)模型體，動(dòng)輒億級(jí)三角面片數(shù)及毫秒級(jí)的數(shù)據(jù)接入頻率，引擎能夠支持實(shí)時(shí)處理，并且保證在穩(wěn)定幀率下運(yùn)行顯示。
高效的交互操作：針對(duì)渲染輸出的展示結(jié)果，會(huì)根據(jù)現(xiàn)有傳統(tǒng)工業(yè)軟件的操作使用習(xí)慣進(jìn)行整體性交互設(shè)計(jì)。這些交互包含模型基礎(chǔ)交互操作如：融合后處理結(jié)果的模型選取、模型部件的分離查看，爆炸圖展示等，此外，也可以對(duì)渲染模型、三維場(chǎng)景、內(nèi)容效果展示進(jìn)行編輯、求解算法調(diào)用、數(shù)據(jù)與圖表展示等，同時(shí)，也需要支持第三方實(shí)際應(yīng)用調(diào)取引擎與交互指令。渲染輸出結(jié)果支持到各類的交互終端如VR/AR設(shè)備或者多端設(shè)備的協(xié)同交互。
廣泛的易用性：強(qiáng)大場(chǎng)景編輯系統(tǒng)、動(dòng)畫編輯系統(tǒng)和攝像機(jī)控制模式（攝像機(jī)第一視角漫游模式、圖文編輯模式等），讓普通使用者能夠通過(guò)簡(jiǎn)單操作實(shí)現(xiàn)高階效果。提供節(jié)點(diǎn)編輯功能，讓使用者無(wú)需編寫代碼即可實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、 觸控操作、動(dòng)畫觸發(fā)、參數(shù)互動(dòng)、與外圍設(shè)備進(jìn)行交互操作等效果，打破專業(yè)限制，降低內(nèi)容創(chuàng)作門檻，將數(shù)字內(nèi)容應(yīng)用引入到各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中。
豐富的擴(kuò)展性：提供功能豐富的SDK，助力各類工業(yè)軟件進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用開(kāi)發(fā)，快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，無(wú)需從0開(kāi)發(fā)，輕松構(gòu)建工業(yè)軟件融合創(chuàng)新應(yīng)用模式。
極高兼容性及跨平臺(tái)能力：跨平臺(tái)是挑戰(zhàn)也是必要能力，引擎應(yīng)具備對(duì)多種操作系統(tǒng)（如Windows、macOS、Linux、Android 和 iOS等）的兼容性。這意味著引擎必須與各平臺(tái)的硬件和軟件環(huán)境互動(dòng)，確保3D內(nèi)容的忠實(shí)、高效展示。對(duì)不同的開(kāi)發(fā)環(huán)境，引擎也應(yīng)提供相應(yīng)的API和工具集。同時(shí)，考慮到移動(dòng)設(shè)備的廣泛應(yīng)用，針對(duì)性能相對(duì)較弱，硬件資源受限的移動(dòng)平臺(tái)，引擎應(yīng)有優(yōu)化機(jī)制，保障渲染性能和電源管理。
為了滿足需求多變、更新頻繁的三維圖形應(yīng)用，引擎也必須具備極強(qiáng)的擴(kuò)展能力，以適配未來(lái)可能出現(xiàn)的新設(shè)備、新環(huán)境和新標(biāo)準(zhǔn)。
三維實(shí)時(shí)渲染引擎在跨平臺(tái)和兼容性上的能力，是決定其實(shí)用性和未來(lái)發(fā)展?jié)摿Φ年P(guān)鍵因素，這需要引擎在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上持續(xù)跟進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，滿足各種變化的需求。
新一代工業(yè)軟件需要
一個(gè)強(qiáng)大的3D圖形渲染引擎
驅(qū)動(dòng)新一代工業(yè)軟件快速發(fā)展的共性內(nèi)核有很多，如幾何建模引擎，幾何約束求解引擎，模型輕量化引擎，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換引擎，工業(yè)渲染引擎、通用前后處理引擎，網(wǎng)格剖分引擎等。其中，實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎作為其他共性技術(shù)的核心鏈接點(diǎn)，打通了各關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)流的平滑轉(zhuǎn)換與高效處理。
隨著智能時(shí)代的到來(lái)，工業(yè)軟件已經(jīng)深入到企業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)?？萍嫉难该桶l(fā)展催生了新一代工業(yè)軟件，它們?nèi)缤瑥?qiáng)大的引擎，推動(dòng)著工業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展。其中，實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎以其卓越的性能和豐富的展現(xiàn)形式，為工業(yè)數(shù)字化的深度發(fā)展注入了新的活力，為企業(yè)帶來(lái)了前所未有的全新體驗(yàn)和巨大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。在工業(yè)數(shù)據(jù)信息的驅(qū)動(dòng)下，新一代工業(yè)軟件正朝著實(shí)時(shí)性、交互式、三維化的方向快速進(jìn)階，強(qiáng)大的實(shí)時(shí)3D圖形渲染引擎已經(jīng)成為了這個(gè)進(jìn)程中的必然選擇。
唐興波，艾迪普科技創(chuàng)始人，20多年從事實(shí)時(shí)三維圖形圖像核心技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，參與多項(xiàng)國(guó)家重大根技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目。
