摘要

建模引擎是三維圖形開發(fā)領(lǐng)域的基礎(chǔ)“中間件”。建模引擎是基于算法及圖形庫的三維圖形開發(fā)環(huán)境,，為數(shù)字建模提供所需的幾何建模,、圖形渲染以及仿真計(jì)算能力。在實(shí)際的應(yīng)用中,，建模引擎處于底層硬件算力資源以及上層應(yīng)用之間的中間層,，其負(fù)責(zé)通過3D圖形API調(diào)用底層算力資源，實(shí)現(xiàn)數(shù)字建模對象的造型呈現(xiàn),，演化出在泛工業(yè),、泛娛樂場景的豐富應(yīng)用。

幾何建模：泛工業(yè)應(yīng)用為先,，通往正向設(shè)計(jì)的“階梯”,。幾何建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)物體模型在計(jì)算機(jī)中的數(shù)學(xué)表述，通用的建模方法包括直接建模,、參數(shù)化建模等,。在泛工業(yè)應(yīng)用中，建模的目的是要進(jìn)入到生產(chǎn)環(huán)節(jié)制造出產(chǎn)品實(shí)體,，因此其對于幾何建模的可靠性,、穩(wěn)定性具有較高的要求。幾何建模內(nèi)核主要以CAX產(chǎn)品的方式實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,，其也是CAX軟件的核心組件,，在眾多海外工業(yè)軟件巨頭之外，部分國產(chǎn)廠商也具有自主幾何建模內(nèi)核能力,。

圖形渲染：泛娛樂應(yīng)用為重,，構(gòu)建虛擬世界的“畫筆”。圖形渲染技術(shù)實(shí)現(xiàn)建模對象在虛擬環(huán)境中的三維視覺效果呈現(xiàn),，通用的圖形渲染方法包括光柵化,、光線追蹤等,。在泛娛樂場景建模應(yīng)用中，其所更關(guān)注的是最終所能呈現(xiàn)出的材質(zhì),、光影,、軌跡等視覺效果的逼真性，因此在其中圖形渲染的能力更為重要,。游戲引擎是數(shù)字建模技術(shù)在泛娛樂領(lǐng)域較為成功的商業(yè)化應(yīng)用,，以Unity、Unreal為代表的頭部商業(yè)化引擎為全球游戲開發(fā)者提供成熟的創(chuàng)作工具,，促進(jìn)了全球游戲產(chǎn)業(yè)的工業(yè)化進(jìn)程與持續(xù)性繁榮,。

未來趨勢：泛工業(yè)與泛娛樂應(yīng)用交融，技術(shù)演進(jìn)與應(yīng)用探索并進(jìn),。近年來數(shù)字建模應(yīng)用場景的邊界正在日益拓寬,，Autodesk、Unity等產(chǎn)業(yè)玩家也在嘗試進(jìn)行多領(lǐng)域建模應(yīng)用的交融探索,。而隨著AI,、云計(jì)算等新興技術(shù)在數(shù)字建模領(lǐng)域的應(yīng)用，數(shù)字建模的質(zhì)量和精度也在進(jìn)一步提升,，云端建模,、實(shí)時(shí)渲染等技術(shù)也在逐步成熟。展望未來,，我們期待數(shù)字建模引擎進(jìn)一步的發(fā)展,，為元宇宙的“搭建”提供更具可行性和實(shí)用性的解決方案。

風(fēng)險(xiǎn)

產(chǎn)業(yè)技術(shù)迭代速度不及預(yù)期,；下游應(yīng)用落地進(jìn)度不及預(yù)期,。

正文

建模引擎：三維圖形開發(fā)中間件，元宇宙的基礎(chǔ)設(shè)施

建模引擎是構(gòu)建虛擬數(shù)字世界的重要基礎(chǔ)設(shè)施,。建模引擎負(fù)責(zé)在虛擬世界中構(gòu)造描述建模對象的幾何與物理屬性,，為三維數(shù)字對象的建模提供基本的開發(fā)環(huán)境，并使得其能夠在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中得到展示呈現(xiàn),。從上世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來,，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)以及幾何圖形建模技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了近50年，建模引擎的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)覆蓋了工業(yè)建模,、建筑建模,、游戲建模、動(dòng)畫建模等豐富的場景,。放眼未來,，元宇宙、數(shù)字孿生等新興概念的實(shí)現(xiàn)也都離不開建模引擎進(jìn)一步的技術(shù)進(jìn)步與應(yīng)用落地,，可以說建模引擎技術(shù)是構(gòu)建虛擬世界,，實(shí)現(xiàn)元宇宙的重要基礎(chǔ)根技術(shù)。

圖表：建模引擎是構(gòu)建虛擬數(shù)字世界的基礎(chǔ)根技術(shù),，在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用落地

資料來源：Unity,、中望軟件、粒界科技,、Cocos等公司官網(wǎng),，中金公司研究部

如何構(gòu)建一個(gè)數(shù)字對象？建模,、渲染,、仿真為基本的三步。首先需要建立對象基本的幾何和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，創(chuàng)建點(diǎn),、線、面之間的基本框架,；其次是要在幾何模型框架的基礎(chǔ)上進(jìn)行著色渲染,，使得模型能夠呈現(xiàn)出在視點(diǎn)、光線,、運(yùn)動(dòng)軌跡等因素作用下的視覺畫面,；最后再根據(jù)各類場景的需要進(jìn)行模擬仿真，使得建模對象能夠呈現(xiàn)和現(xiàn)實(shí)世界相一致的物理屬性,。而在實(shí)際的設(shè)計(jì)場景中,，建模設(shè)計(jì)人員所關(guān)注的更多是在對象設(shè)計(jì)本身，其所需要的是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),、易用的三維圖形開發(fā)環(huán)境,，為其提供底層的建模、渲染以及仿真能力,，而這便是所謂的建模引擎,。

建模引擎提供標(biāo)準(zhǔn)的三維圖形開發(fā)環(huán)境，協(xié)助用戶實(shí)現(xiàn)數(shù)字對象的創(chuàng)建及編輯,。建模引擎本質(zhì)上就是基于算法及圖形庫的三維圖形開發(fā)環(huán)境,，對應(yīng)上述的三大建模步驟，其內(nèi)部又可拆解為幾何建模,、圖形渲染,、仿真計(jì)算三大引擎模型。

?幾何建模：負(fù)責(zé)以點(diǎn),、線,、面為基本的操作單元，創(chuàng)建和編輯曲線,、曲面,、實(shí)體以及相比之間的幾何關(guān)系,、拓?fù)潢P(guān)系，其本質(zhì)上是一個(gè)用C語言編寫的數(shù)學(xué)幾何關(guān)系算法庫,。幾何引擎以微分幾何學(xué)及計(jì)算數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ),，從基本數(shù)學(xué)出發(fā)，最終輸出基于數(shù)值模型的幾何形狀面數(shù),。目前行業(yè)中主流的幾何引擎包括Parasolid,、ACIS、OpenCascade等,。幾何建模技術(shù)賦予建模對象以基本的幾何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),。

?圖形渲染：調(diào)用底層硬件算力資源（GPU/CPU），對三維線框造型進(jìn)行著色渲染,，使得建模對象能夠人機(jī)交互界面中呈現(xiàn)出在視點(diǎn),、光線、運(yùn)動(dòng)軌跡等因素作用下的視覺畫面,，表現(xiàn)出類似于真實(shí)世界的材質(zhì)與光影效果,。圖形渲染技術(shù)的理論基礎(chǔ)為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，目前行業(yè)中主流的渲染引擎包括V-Ray,、Iray等,。圖形渲染技術(shù)使得建模對象能夠在計(jì)算機(jī)圖形界面中呈現(xiàn)出三維視覺效果。

?仿真計(jì)算：負(fù)責(zé)對對象的物理屬性進(jìn)行仿真分析和數(shù)值計(jì)算,，其本質(zhì)上是采用有限元計(jì)算方法的仿真求解器,。仿真引擎對建模對象進(jìn)行不同方向的仿真分析（結(jié)構(gòu)、流體,、熱,、電磁），使其能夠表現(xiàn)出與近似于真實(shí)世界的物理屬性,。目前行業(yè)中主流的工業(yè)級仿真求解器主要包括Ansys,、Simulia等，而游戲領(lǐng)域中游戲引擎內(nèi)置的物理引擎,、聲音引擎均可歸類為仿真引擎,。仿真計(jì)算技術(shù)幫助建模對象模擬出真實(shí)世界中應(yīng)具備的物理特征。

圖表：廣義的建模引擎涵蓋幾何建模,、圖形渲染,、仿真計(jì)算的范疇，支撐泛工業(yè)及泛娛樂場景應(yīng)用

資料來源：各公司官網(wǎng),，中金公司研究部

建模引擎是三維圖形開發(fā)領(lǐng)域的“中間件”,，支撐起豐富的泛工業(yè)、泛娛樂場景應(yīng)用。在實(shí)際的應(yīng)用中,，建模引擎處于底層硬件算力資源以及上層應(yīng)用之間的中間層,，其負(fù)責(zé)通過3D圖形API調(diào)用底層算力資源，實(shí)現(xiàn)對象的造型建模,、圖形建模,、仿真計(jì)算,，演化出在泛工業(yè)（制造,、建筑、特種應(yīng)用,、智慧城市等）,、泛娛樂（游戲、影視,、動(dòng)畫等）場景的豐富應(yīng)用,。

圖表：建模引擎是三維圖形開發(fā)領(lǐng)域的“中間件”

資料來源：中金公司研究部

建模對象的“虛實(shí)之分”是泛工業(yè)與泛娛樂領(lǐng)域各自建模偏重的本質(zhì)區(qū)別。在泛工業(yè)場景應(yīng)用中,，建模的最終目的是要進(jìn)入到生產(chǎn)環(huán)節(jié)制造出產(chǎn)品實(shí)體,，因此其對于底層幾何建模及仿真引擎的可靠性、嚴(yán)謹(jǐn)性,、穩(wěn)定性具有更高的要求,，目標(biāo)是讓最終輸出的三維模型與現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)學(xué)與物理規(guī)則盡可能地貼合，追求“設(shè)計(jì)即可用”,；在泛娛樂場景應(yīng)用中,，建模完成后并不需要轉(zhuǎn)化生產(chǎn)為物理世界中的實(shí)體，而會(huì)更為注重建模呈現(xiàn)出視覺效果的美觀度與逼真性,。在下文中,，我們會(huì)對這兩大建模引擎的應(yīng)用方向分別進(jìn)行詳細(xì)的分析討論。

幾何建模：泛工業(yè)應(yīng)用為先,，通往正向設(shè)計(jì)的“階梯”

幾何建模技術(shù)：構(gòu)建造型對象的幾何與拓?fù)潢P(guān)系

幾何建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)物體模型在計(jì)算機(jī)中的數(shù)學(xué)表述,。幾何建模造型技術(shù)最早出現(xiàn)于上世紀(jì)60-70年代，其通過點(diǎn),、線,、面、體等基本幾何對象的數(shù)學(xué)描述,，經(jīng)過平移,、旋轉(zhuǎn)、變比等幾何變換以及并,、交,、差等幾何布爾運(yùn)算，產(chǎn)生實(shí)際或者虛擬的幾何模型。實(shí)際上幾何建模技術(shù)的本質(zhì)就是要在計(jì)算機(jī)內(nèi)部構(gòu)建并抽象化出造型對象的幾何屬性（形狀,、大小,、位置）與拓?fù)鋵傩裕c(diǎn)、線,、面之間的連接關(guān)系）所相對應(yīng)的數(shù)據(jù)模型,。

圖表：三種傳統(tǒng)直接建模方法——線框建模、表面建模,、實(shí)體建模

資料來源：中金公司研究部

參數(shù)化建模,，基于約束的自動(dòng)化設(shè)計(jì)。參數(shù)化設(shè)計(jì)能夠僅通過修改設(shè)計(jì)的初始條件參數(shù),，通過約束邏輯的計(jì)算,，以自動(dòng)化的方式得到產(chǎn)品模型的設(shè)計(jì)結(jié)果，而不用像直接建模那樣完全手動(dòng)完成設(shè)計(jì)過程,。參數(shù)化設(shè)計(jì)中可調(diào)整的參數(shù)一般包括幾何約束和工程約束,，其中幾何約束包括尺寸約束（長度,、角度,、半徑）和結(jié)構(gòu)約束（幾何元素間的拓?fù)潢P(guān)系,，比如平行、垂直,、相切等）,，而工程約束則指實(shí)際產(chǎn)品模型的功能限制。在設(shè)計(jì)的過程中,，設(shè)計(jì)人員可以調(diào)整這些可變參數(shù),，而參數(shù)化建模引擎則會(huì)在這些約束條件下進(jìn)行求解，自動(dòng)維護(hù)在可變參數(shù)之外的模型幾何信息,，最終完成自動(dòng)化建模,。

圖表：參數(shù)化建模是基于約束的自動(dòng)化設(shè)計(jì)

資料來源：CSDN，中金公司研究部

幾何建模應(yīng)用：泛工業(yè)領(lǐng)域CAX建模,，從正向設(shè)計(jì)到數(shù)字孿生

三維幾何建模內(nèi)核是泛工業(yè)領(lǐng)域CAX應(yīng)用的基礎(chǔ)

在泛工業(yè)應(yīng)用場景中,，提供幾何建模能力的的三維建模引擎通常又被稱為三維幾何建模內(nèi)核，成為CAX應(yīng)用的核心底層內(nèi)核,。廣義的三維幾何建模內(nèi)核囊括從底層的數(shù)據(jù)管理架構(gòu),，到頂層的三維造型組件，從內(nèi)到外又分為內(nèi)存與數(shù)據(jù)管理層（架構(gòu)基礎(chǔ)）,、幾何對象數(shù)學(xué)算法層（數(shù)學(xué)支撐）,、三維造型實(shí)現(xiàn)層，其中最外層的造型實(shí)現(xiàn)層就包括了幾何建模引擎,、圖形渲染引擎,、參數(shù)化設(shè)計(jì)引擎（包含約束求解引擎）等組件。三維幾何建模內(nèi)核為CAX應(yīng)用提供了最關(guān)鍵的三維圖形定義、建模,、編輯能力,，是構(gòu)建三維CAX建模平臺的核心。

Parasolid,、ACIS是全球主流的兩款商業(yè)幾何建模引擎,。經(jīng)過數(shù)十年的產(chǎn)業(yè)整合，全球工業(yè)軟件以及工業(yè)幾何建模引擎的格局已經(jīng)由上世紀(jì)的“百花齊放”進(jìn)入“寡頭壟斷”的階段,，達(dá)索,、西門子等海外巨頭基本上主導(dǎo)了這一領(lǐng)域的話語權(quán)，其也擁有著目前全球應(yīng)用作為廣泛的Parasolid,、ACIS兩款建模引擎,。這些建模引擎最早也是由巨頭的工業(yè)軟件產(chǎn)品中獨(dú)立而出,，目前一方面應(yīng)用于巨頭自有的軟件產(chǎn)品中,，另一方面也授權(quán)給了部分缺乏底層建模引擎能力的中小廠商，供其進(jìn)行二次開發(fā)出CAX應(yīng)用軟件,。

圖表：3D CAX（CAD/CAE/CAM）幾何建模內(nèi)核示例

資料來源：中望軟件公司公告,，中金公司研究部

少數(shù)國產(chǎn)工業(yè)軟件廠商掌握有自主幾何建模引擎。中望軟件通過在2010年收購美國VX公司獲得了其Overdrive內(nèi)核的全部知識產(chǎn)品,，并在其技術(shù)上進(jìn)行大量自主研發(fā),，最終迭代出目前的ZW3D內(nèi)核；華天軟件通過與日本UEL公司的合作,，開發(fā)得出CRUX IV內(nèi)核,，使用于其3D CAD產(chǎn)品SINOVATION之上。但除了少數(shù)幾家公司之外,，剩下大部分的國產(chǎn)工業(yè)軟件廠商目前仍是以使用Parasolid等商業(yè)幾何建模引擎授權(quán),，或者使用OpenCasCade開源幾何建模引擎為主。

圖表：海外主流三維幾何建模引擎以及國內(nèi)廠商所有的引擎概覽

資料來源：各公司官網(wǎng),，各公司公告,，中金公司研究部

三維幾何建模內(nèi)核主要以CAX產(chǎn)品的方式實(shí)現(xiàn)商業(yè)化

三維幾何建模內(nèi)核最初是從專業(yè)CAD中獨(dú)立而出。在3D CAD發(fā)展之初其實(shí)并沒有內(nèi)核這一獨(dú)立概念,，內(nèi)核是作為CAD軟件的底層與其緊密耦合,。但隨著3D CAD產(chǎn)品的發(fā)展，其底層內(nèi)核也逐步達(dá)到了產(chǎn)品級的成熟度,，同時(shí)由于三維幾何內(nèi)核較高的開發(fā)門檻,，眾多中小廠商也的確具有購買三維幾何內(nèi)核授權(quán)，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)的需求,。這讓UGS,、達(dá)索等廠商看到了單獨(dú)銷售3D內(nèi)核的商機(jī)，于是陸續(xù)將自身的內(nèi)核獨(dú)立出來作為單獨(dú)的授權(quán)業(yè)務(wù)。目前仍有一部分中外CAD廠商是在購買的Parasolid等商業(yè)內(nèi)核的基礎(chǔ)上,，進(jìn)行自有3D CAD產(chǎn)品的研發(fā),。

單純內(nèi)核授權(quán)的市場規(guī)模較小，主要仍是以完整CAX產(chǎn)品的方式實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,。全球來看,，目前Parasolid和ACIS是兩款應(yīng)用最為廣泛的商業(yè)化內(nèi)核，各自授權(quán)的中小廠商均有數(shù)百家,，但由于其本身的授權(quán)費(fèi)用并不昂貴,，通常在幾十萬至百萬美元不等，因此總體上的內(nèi)核授權(quán)市場規(guī)模并不大,，全球應(yīng)用最廣的Parasolid內(nèi)核的授權(quán)業(yè)務(wù)收入也僅在4,000萬美元左右[1],。與之相對的是，達(dá)索,、西門子,、Autodesk等工業(yè)軟件CAX巨頭的收入均達(dá)到了數(shù)十億美元量級，CATIA,、Solidworks,、AutoCAD等單款產(chǎn)品的收入都可接近十億美元。因此我們認(rèn)為目前單獨(dú)的幾何建模內(nèi)核授權(quán)并未產(chǎn)生成規(guī)模的商業(yè)化市場,，其仍主要是以內(nèi)嵌于CAX產(chǎn)品中的方式來實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,。

圖表：全球頭部CAX廠商收入對比，2020

注：Autodesk與PTC取2020年財(cái)年收入數(shù)據(jù)資料來源：公司公告,，中金公司研究部

圖表：Dassault Systèmes收入拆分,，2020

資料來源：公司公告，中金公司研究部

圖形渲染：泛娛樂應(yīng)用為重,，構(gòu)建虛擬世界的“畫筆”

圖形渲染技術(shù)：實(shí)現(xiàn)建模對象的3D視覺效果呈現(xiàn)

圖形渲染使得建模對象得以2D屏幕上呈現(xiàn)出3D視覺效果,。在完成建模對象的幾何數(shù)據(jù)建模之后，為了讓線,、框,、點(diǎn)組成的幾何模型呈現(xiàn)在2D的屏幕上呈現(xiàn)，并能夠表現(xiàn)出立體的3D視覺效果,，需要向模型增加紋理,、色彩、光影等信息,，使得幾何模型最終得以呈現(xiàn)成為三維圖像,，這一過程就被稱為渲染。例如在電影,、動(dòng)畫,、廣告等場景的應(yīng)用中,，需要對建模完成后的模型和動(dòng)畫幀進(jìn)一步進(jìn)行渲染，形成最終效果圖以及動(dòng)畫,。

圖形渲染引擎調(diào)用底層硬件資源,，實(shí)現(xiàn)3D對象在計(jì)算機(jī)顯示上的繪制呈現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中,，3D對象在計(jì)算機(jī)顯示器上的繪制呈現(xiàn)需要調(diào)用一系列軟硬件資源,，通過完整的圖形渲染流程來實(shí)現(xiàn)，其中圖形渲染引擎（或稱圖形渲染器）是其中的核心軟件組件,。在圖形渲染的過程中,，渲染引擎承接由應(yīng)用（游戲、動(dòng)畫）提出的渲染任務(wù),，對渲染任務(wù)和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,；并通過圖形API對接顯卡驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而調(diào)用顯卡GPU的計(jì)算資源進(jìn)行圖形的計(jì)算渲染,；GPU渲染完成后再將圖像畫面輸出給視頻控制器,，并最終在計(jì)算機(jī)屏幕中進(jìn)行呈現(xiàn)。

圖表：計(jì)算機(jī)圖形渲染流程概覽

資料來源：《Computer Graphics: Principles and Practice（2004.3）》——John F. Hughes,，Andries van Dam,，Morgan McGuire，David F. Sklar, James D. Foley,，Steven K. Feiner，Kurt Akeley,，中金公司研究部

圖形渲染的方法原理：光柵化與光線追蹤

光柵化是最為經(jīng)典的圖形渲染方法,。光柵化渲染是將物體投影近似轉(zhuǎn)化為屏幕可顯示的像素的過程。其渲染過程需要將連續(xù)的三維模型拆分為若干個(gè)三角面,，再投影為屏幕可以顯示的像素塊,，接著對像素塊進(jìn)行一系列的材質(zhì)、陰影,、紋理等著色和合并處理后得到最終圖像,。但光柵化本質(zhì)是在計(jì)算速度的限制下，對于色彩光影效果的一種近似模擬,。其缺陷是對全局的光線顯示效果一般,，例如點(diǎn)光源的軟陰影處理、毛玻璃材質(zhì)的處理以及多次反射的環(huán)境光線等,。

光線追蹤則是對光線的真實(shí)模擬,，可實(shí)現(xiàn)更為真實(shí)的渲染效果。光線追蹤（Ray tracing,，簡稱光追）將人眼看作一個(gè)攝像機(jī),，從人眼出發(fā),，追蹤每根光線在物體表面的反射，描述光線的求交并進(jìn)行計(jì)算,。由于更為接近現(xiàn)實(shí)中光線傳輸?shù)谋举|(zhì),，光線追蹤的視覺效果比光柵化更為真實(shí)。渲染中對光線追蹤畫面質(zhì)量的衡量指標(biāo)是每個(gè)著色像素用到的光線樣本數(shù),。為了保證每個(gè)像素點(diǎn)的顏色顯示足夠準(zhǔn)確,，光線追蹤需要向每個(gè)像素點(diǎn)發(fā)射近千條的光線來計(jì)算其求交結(jié)果。不考慮其他降噪和優(yōu)化算法,，假設(shè)我們希望實(shí)現(xiàn)4K分辨率下的60幀實(shí)時(shí)光追渲染,，需要實(shí)現(xiàn)1011條光線/秒級別的計(jì)算求交速度，因此目前光線追蹤技術(shù)的局限性在于運(yùn)算速度的不足,。

圖表：光柵化管線（pipeline）示意圖

資料來源：CSDN,，中金公司研究部

圖表：光線追蹤原理示意圖

資料來源：CSDN，中金公司研究部

圖形渲染的技術(shù)分支：離線渲染與實(shí)時(shí)渲染

圖形渲染技術(shù)在應(yīng)用上分為兩支分支：實(shí)時(shí)渲染和離線渲染,，來自于兩類產(chǎn)業(yè)的不同需求,。

?離線渲染：高精度的長時(shí)間離線渲染，主要應(yīng)用于非實(shí)時(shí)交互的場景,，如動(dòng)畫CG和電影,。離線渲染指計(jì)算出畫面時(shí)并不顯示畫面，計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)先定義好的光線,、軌跡渲染圖片,，渲染完成后再將圖片連續(xù)播放，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果,。為了追求極致的視覺效果,，離線渲染往往采用光線追蹤技術(shù)，但渲染一幀所需的時(shí)間可達(dá)數(shù)個(gè)小時(shí),。由于光線追蹤需要進(jìn)行龐大且復(fù)雜的計(jì)算,，一般使用軟件渲染器，在CPU中進(jìn)行計(jì)算,，常見的離線軟件渲染器如MentalRay和Render Man等,。

?實(shí)時(shí)渲染：犧牲一定畫質(zhì)來交換效率的選擇，主要應(yīng)用于3D游戲,、VR等強(qiáng)實(shí)時(shí)交互的場景,。實(shí)時(shí)渲染指計(jì)算機(jī)邊計(jì)算畫面邊將其輸出顯示，可以實(shí)時(shí)操控預(yù)覽畫面,，在游戲,、VR等強(qiáng)實(shí)時(shí)交互性場景中，用戶與3D內(nèi)容的實(shí)時(shí)交互需要得到及時(shí)的反饋,，渲染速度需要達(dá)到1秒30幀以上,，但對畫面精度的要求不如影視作品,。目前成熟的實(shí)時(shí)渲染模式是使用算法優(yōu)化后的光柵化技術(shù)。由于GPU的并行運(yùn)算特性更適合高速大量計(jì)算,，光柵化實(shí)時(shí)渲染使用的是GPU加速的硬件渲染器,。但隨著硬件技術(shù)的突破，目前也可使用搭載了光線追蹤模塊的GPU來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)光追,。

圖表：《戰(zhàn)地5》開啟RTX后車身倒影效果明顯優(yōu)化

資料來源：NVIDIA官網(wǎng),，中金公司研究部

圖表：實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)的難點(diǎn)與技術(shù)創(chuàng)新

資料來源：NVIDIA官網(wǎng)，中金公司研究部

圖形渲染應(yīng)用：泛娛樂領(lǐng)域的數(shù)字原生創(chuàng)作,，從動(dòng)畫建模到游戲引擎

與工業(yè)領(lǐng)域相同,，泛娛樂領(lǐng)域的建模同樣需要經(jīng)歷從幾何建模、圖形渲染到場景細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)及虛擬仿真的過程,。所使用到的軟件可分為兩類：1）幾何建模和渲染中用到的Maya,、3ds MAX等動(dòng)畫建模引擎，完成模型的設(shè)計(jì),、渲染,；2）游戲場景細(xì)節(jié)開發(fā)所使用的游戲引擎，將Maya等創(chuàng)造的模型導(dǎo)入,，設(shè)計(jì)動(dòng)作,、光照、聲音,、事件觸發(fā)等諸多交互式的游戲內(nèi)容,。泛娛樂建模的流程從幾何建模開始，先用Maya,、3ds MAX等動(dòng)畫建模軟件完成幾何模型的搭建,，然后再進(jìn)行平面展開（展UV），將MenalRay等渲染器中烘焙得到的貼圖貼到模型對應(yīng)位置上,，得到最終的模型。如果需要進(jìn)行進(jìn)一步的游戲開發(fā),，再將3D模型導(dǎo)入游戲引擎完成游戲動(dòng)作,、仿真等內(nèi)容的設(shè)置。

圖表：泛娛樂領(lǐng)域建模工具鏈概覽

資料來源：CSDN,，各公司官網(wǎng),，中金公司研究部

游戲與動(dòng)畫建模更為注重視覺呈現(xiàn)效果，圖形渲染成為其中的核心步驟,。相比于工業(yè)級建模的追求實(shí)用性與可靠性,，在游戲、動(dòng)畫等泛娛樂場景建模所更關(guān)注的是最終所能呈現(xiàn)出的材質(zhì),、光影,、軌跡等視覺效果的逼真性,，因此在這些場景的應(yīng)用中圖形渲染引擎的能力更為重要。目前行業(yè)中的主流的專業(yè)渲染引擎包括V-ray,、Render Man等,，而像3ds MAX、Maya等CG建模軟件以及Unity,、虛幻引擎等游戲引擎中也都內(nèi)置或可外接渲染引擎模塊,。

獨(dú)立離線渲染器：最基礎(chǔ)的渲染工具

渲染器是用來進(jìn)行圖像渲染的軟件。常見的渲染器有RenderMan,、Brazil,、Mental Ray等，他們均是光線追蹤技術(shù)進(jìn)行離線渲染的軟件渲染器（僅使用CPU計(jì)算）,。但隨著計(jì)算要求的提高,，部分渲染器如VRay、Arnold等也開始增加對于GPU硬件渲染的支持,。主流渲染器都可與動(dòng)畫建模軟件如3ds MAX和Maya等兼容,，作為建模軟件的一部分參與泛娛樂建模過程。

圖表：行業(yè)內(nèi)主流離線渲染器概覽

資料來源：CSDN,，各公司官網(wǎng),，中金公司研究部

動(dòng)畫建模軟件：集成的泛娛樂建模工具

3ds MAX和Maya都是當(dāng)前泛娛樂領(lǐng)域主流的三維建模軟件，均屬于Autodesk公司,。在游戲領(lǐng)域的建模流程中,，設(shè)計(jì)者往往在動(dòng)畫建模軟件中完成游戲角色和環(huán)境對象的建模，再導(dǎo)入游戲引擎中進(jìn)行動(dòng)作和事件的編輯,。3ds MAX和Maya在功能上差異較小,，均可實(shí)現(xiàn)3d建模中的建模、貼圖,、動(dòng)畫,、渲染等功能。

圖表：3ds MAX和Maya功能特性

資料來源：Autodesk官網(wǎng),，中金公司研究部

游戲引擎：可交互3D世界的創(chuàng)造工具

游戲引擎是可交互3D內(nèi)容創(chuàng)作的核心工具,。游戲開發(fā)人員包括策劃、美術(shù),、聲音和技術(shù)等多個(gè)團(tuán)隊(duì),，其中使用游戲引擎的技術(shù)團(tuán)隊(duì)是游戲開發(fā)的核心。游戲引擎之于游戲開發(fā),，就像車輛引擎之于汽車,，其提供游戲過程中的底層渲染、物理運(yùn)算,、動(dòng)畫系統(tǒng),、AI等功能,，游戲設(shè)計(jì)者也可以基于游戲引擎設(shè)計(jì)動(dòng)作、光照,、聲音,、事件觸發(fā)等諸多交互式的游戲內(nèi)容。

主流游戲引擎均內(nèi)置了完備的渲染引擎能力,。渲染引擎是游戲引擎中內(nèi)置的重要模塊之一,，是游戲引擎的重要組成部分。同時(shí)相較于3ds MAX和Maya制作動(dòng)畫的離線渲染,，游戲中由于需要玩家與對象的實(shí)時(shí)交互,，游戲引擎可提供經(jīng)過算法優(yōu)化后的光柵化實(shí)時(shí)渲染。在NVIDIA推出了RTX技術(shù)后,，目前主流游戲引擎也已支持實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù),。

圖表：游戲制作流程與游戲引擎

資料來源：CSDN，中金公司研究部

游戲引擎的誕生源自自研游戲開發(fā),，中長尾開發(fā)者需求驅(qū)動(dòng)商用引擎發(fā)展,。1993年，由于開發(fā)成本較高,，id公司將其游戲DOOM所使用的引擎對外商業(yè)授權(quán)銷售,，這是第一款脫離游戲單獨(dú)對外發(fā)售的游戲引擎。2000年前后,，伴隨著OpenGL和微軟DirectX標(biāo)準(zhǔn)的推廣,，以及3D顯卡技術(shù)的更新迭代，市場上涌現(xiàn)出了Cry Engine（簡稱CE）,、虛幻引擎（Unreal Engine,，簡稱UE）、Litdtech等一系列基于游戲廠商自研游戲的商用引擎產(chǎn)品,。2007年,，iPhone發(fā)布，移動(dòng)端游戲興起帶來的小型團(tuán)隊(duì)和獨(dú)立設(shè)計(jì)師的開發(fā)需求驅(qū)動(dòng)商用游戲引擎快速發(fā)展,。近年來的主機(jī),、VR、AR等多平臺競爭也促使游戲引擎廠商不斷迭代技術(shù)加強(qiáng)實(shí)力,。

圖表：游戲引擎發(fā)展史

資料來源：各公司官網(wǎng)，中金公司研究部

對于大型游戲廠商而言,，自研引擎和商用引擎并非互不相容,。目前市場上的游戲引擎可分為游戲廠商內(nèi)部使用的自研引擎（如育碧的Snowdrop）和可獨(dú)立發(fā)售的商業(yè)引擎（如Unity 3D）。出于成本和開發(fā)靈活度的考慮,，大型游戲廠商陸續(xù)開發(fā)了自研引擎,，如育碧的Snowdrop和Anvil,，EA的寒霜引擎等，但商業(yè)游戲引擎仍然是一個(gè)重要的備選項(xiàng),。例如育碧旗下工作室使用Unity制作了《刺客信條：身份》,；EA與Epic公司保持著多年合作關(guān)系，使用虛幻引擎制作了《榮譽(yù)勛章：空降兵》（UE3）,、《Army of Two》（UE3）和《星球大戰(zhàn)絕地武士:墮落秩序》（UE4）等游戲,。

中長尾需求推動(dòng)商業(yè)游戲引擎快速發(fā)展。據(jù)NewZoo的2019年全球游戲市場報(bào)告顯示,，全球游戲市場規(guī)模穩(wěn)定增長,。3D游戲引擎開發(fā)成本高昂，中長尾的游戲開發(fā)者需求推動(dòng)游戲建模需求隨之增長,。GameDeveloper統(tǒng)計(jì)的2016年至今發(fā)行的Steam游戲所使用的引擎數(shù)據(jù)顯示,，Epic公司的虛幻引擎和Unity公司的Unity引擎占據(jù)了商業(yè)游戲建模引擎市場的主要市場份額。其中Unity在價(jià)格較低的小型PC和移動(dòng)游戲市場中優(yōu)勢顯著,，而UE在價(jià)格較高的大型PC游戲及主機(jī)游戲市場中優(yōu)勢更為明顯,。

圖表：Steam游戲的引擎使用情況，2021

注：僅統(tǒng)計(jì)價(jià)格高于4.99美元,，評論數(shù)超過50的游戲,。

資料來源：Gamedeveloper，數(shù)據(jù)截止至2021年8月末

圖表：使用不同引擎的Steam游戲數(shù)量（按照發(fā)行價(jià)劃分）,，2021

注：僅統(tǒng)計(jì)2016年及之后發(fā)行的,、價(jià)格高于4.99美元且評論數(shù)超過50的游戲。

資料來源：Gamedeveloper,，數(shù)據(jù)截止至2021年8月末

Unity：移動(dòng)端游戲應(yīng)用最為廣泛的游戲引擎

Unity是跨平臺的2D及3D建模引擎,。Unity科技公司在2005年的蘋果全球開發(fā)者大會(huì)上發(fā)布Unity引擎的首個(gè)版本。截止2018年,，Unity已成為跨Windows,、Mac、各類游戲主機(jī)和VR平臺等20余個(gè)研發(fā)平臺的2D和3D建模引擎,。Unity科技公司業(yè)務(wù)主要可分為2個(gè)模塊：開發(fā)解決方案（Creation solution）和運(yùn)營解決方案（Operation solution）,。

?開發(fā)解決方案指的是創(chuàng)建、編輯,、運(yùn)行和部署實(shí)時(shí)2D和3D內(nèi)容的方案,，主要產(chǎn)品為游戲引擎和輔助工具，同時(shí)還包括建筑,、汽車等其他行業(yè)的建模引擎工具,。開發(fā)解決方案的產(chǎn)品分為免費(fèi)版和付費(fèi)版，付費(fèi)方式主要為按照月度進(jìn)行軟件授權(quán)。

?運(yùn)營解決方案可協(xié)助游戲開發(fā)者運(yùn)營游戲,、擴(kuò)大吸引終端用戶數(shù),，及提升用戶價(jià)值。運(yùn)營解決方案的收費(fèi)模式大多基于應(yīng)用/服務(wù)的使用情況或收入分成,，如定制化廣告基于廣告點(diǎn)擊/轉(zhuǎn)化率或收入分成付費(fèi),；多人游戲云端編排服務(wù)Multiplay基于實(shí)時(shí)并發(fā)用戶數(shù)收費(fèi)等。這樣的收費(fèi)方式可使得Unity與開發(fā)者獲得更高的利益一致性,。

圖表：Unity開發(fā)解決方案主要產(chǎn)品

資料來源：Unity官網(wǎng),，公司招股說明書，中金公司研究部

Unity引擎作為公司的基石業(yè)務(wù),，免費(fèi)版積累用戶基礎(chǔ),，輔助工具挖掘客戶價(jià)值。Unity的學(xué)生版/個(gè)人免費(fèi)版降低使用門檻,，為Unity積累了大量用戶,。截止2020年末，使用Unity開發(fā)和運(yùn)營解決方案的月活躍用戶數(shù)超20億,。在全球的移動(dòng)平臺,、PC平臺和主機(jī)平臺上，使用Unity制作的游戲數(shù)量占比超過50%,。公司的游戲引擎在移動(dòng)端游戲市場中優(yōu)勢明顯,，在谷歌和蘋果應(yīng)用商店排名前1000位的游戲中，使用Unity引擎的游戲占比達(dá)到71%,。Unity除核心的建模引擎外,，還為游戲開發(fā)者提供了完善的輔助工具庫，可為各個(gè)階段的開發(fā)者提供多樣化的輔助工具,，隨著手機(jī)游戲的發(fā)展,，單客戶價(jià)值仍有上升空間。

圖表：Unity收入貢獻(xiàn)超過10萬美元的客戶收入

注：單個(gè)客戶收入金額僅披露至2Q2020

資料來源：公司招股說明書,，公司年報(bào),，中金公司研究部

圖表：Unity收入留存率（NDR）

資料來源：公司招股說明書，公司年報(bào),，中金公司研究部

Unity的運(yùn)營解決方案為游戲開發(fā)者提供長期的用戶價(jià)值變現(xiàn)和優(yōu)化工具,，與開發(fā)解決方案形成高度協(xié)同。公司招股說明書披露,，截止2020年6月末,，Unity 33%的開發(fā)解決方案用戶同時(shí)是運(yùn)營解決方案的用戶，而64%的運(yùn)營解決方案用戶同時(shí)是開發(fā)解決方案的用戶,。相較于開發(fā)解決方案作為吸引客戶的低門檻業(yè)務(wù),，運(yùn)營解決方案的收費(fèi)模式基于服務(wù)使用情況/收入分成,，使Unity的公司收入與客戶成功結(jié)合更為緊密。隨著公司業(yè)務(wù)發(fā)展不斷成熟,，運(yùn)營解決方案在公司收入中的占比由2018年的48%已上升至2021年前三季度的65%，成為Unity業(yè)務(wù)收入的第一大來源,。

圖表：Unity公司的業(yè)務(wù)協(xié)同效應(yīng)

資料來源：Unity官網(wǎng),，中金公司研究部

圖表：Unity公司收入組成，2018年至1-3Q2021

資料來源：公司年報(bào),，中金公司研究部

虛幻引擎：3A游戲的高質(zhì)量開發(fā)工具

Epic公司的虛幻引擎是目前游戲行業(yè)常用的引擎之一,。與Unity專注于第三方通用引擎開發(fā)不同，Epic公司擁有自研游戲和游戲平臺,。虛幻引擎的誕生來自于Epic自研的單人FPS游戲《虛幻》,。Epic公司自身開發(fā)游戲的工具積累是虛幻引擎版本的不斷迭代的技術(shù)來源之一，這使得其引擎的操作方式更適于工程師的操作習(xí)慣,。

在銷售許可模式上,，虛幻引擎按照收入分成收費(fèi)。虛幻引擎按照許可的范圍進(jìn)行價(jià)格劃分：對于內(nèi)部項(xiàng)目,、定制應(yīng)用和不可互動(dòng)的線性內(nèi)容,，用戶可免費(fèi)使用虛幻引擎進(jìn)行制作；但對于游戲發(fā)行,，標(biāo)準(zhǔn)化的虛幻引擎收費(fèi)模式對超出100萬美元的流水部分按照總游戲流水的5%進(jìn)行收費(fèi),。相較Unity按照座席收費(fèi)，人數(shù)眾多的大型游戲開發(fā)團(tuán)隊(duì)更傾向于與Epic公司簽訂定制化的虛幻引擎許可計(jì)劃以降低費(fèi)率,。

圖表：虛幻引擎的不同許可模式

資料來源：Epic公司官網(wǎng),，中金公司研究部

相較于Unity而言，虛幻引擎更加側(cè)重于PC端大型3A游戲的開發(fā),。其開放源碼的方式便于大型游戲開發(fā)者直接調(diào)整引擎以適應(yīng)開發(fā)需求,，靈活性更高。虛幻引擎每一個(gè)大型版本的更新都格外聚焦于最新的突破性技術(shù),，例如UE3中實(shí)現(xiàn)的全局光照技術(shù),，Unity直到9年后的5.0版本才實(shí)現(xiàn)；最新的UE5中發(fā)布的Lumen（動(dòng)態(tài)全局光照）和Nanite（動(dòng)態(tài)無限面數(shù)渲染技術(shù)）可大幅減少美術(shù)制作的工作量,，在游戲美術(shù)領(lǐng)域是重要的技術(shù)突破,。

而Unity的優(yōu)勢在于中長尾的游戲開發(fā)者，尤其是移動(dòng)端游戲開發(fā),。其豐富的資源商店和開放底層接口對于中小團(tuán)隊(duì)的技術(shù)門檻要求更低,，原生的2D和輕量版圖形渲染管線也使得其對游戲設(shè)備的要求更為寬松。同時(shí),，Unity擁有更為龐大的開發(fā)者社區(qū),，以海外游戲社區(qū)Reddit為例，Unity 3D分類下有27.6萬關(guān)注者，是虛幻引擎14.5萬關(guān)注者的近兩倍,，我們認(rèn)為這代表著Unity更為豐富的開發(fā)者社區(qū)生態(tài)和更為活躍的技術(shù)交流環(huán)境,。

圖表：Unity和虛幻引擎的對比

資料來源：公司官網(wǎng)，CSDN,，中金公司研究部

泛工業(yè)與泛娛樂領(lǐng)域的建模應(yīng)用正在走向交融

泛工業(yè)向泛娛樂：Autodesk的泛娛樂領(lǐng)域布局

Autodesk通過Maya和3ds MAX布局娛樂建模工具,。Autodesk是全球領(lǐng)先的通用設(shè)計(jì)軟件廠商，其于1990年成立了娛樂部進(jìn)入泛娛樂領(lǐng)域,，并發(fā)布了自研的軟件3d Studio（3ds MAX前身）,。在2005年Autodesk通過收購Alias獲得Maya。3ds MAX和Maya是泛娛樂領(lǐng)域主流的動(dòng)畫建模軟件,。

StingRay是Autodesk在游戲引擎方向的一次布局嘗試,。基于3ds MAX和Maya在泛娛樂領(lǐng)域的已有優(yōu)勢,，Autodesk繼續(xù)開發(fā),、收購了Scaleform、Beast,、Navigation等一系列游戲建模相關(guān)的工具軟件,，并在2014年收購的Bitsquid引擎的基礎(chǔ)上，將這些功能集成為自有的游戲引擎StingRay,。雖然最終Autodesk在2018年宣布停止繼續(xù)開發(fā)和銷售StingRay游戲引擎,，相關(guān)功能集成進(jìn)入3ds MAX中。我們認(rèn)為,，盡管StingRay并未在市場上取得成功,，卻是傳統(tǒng)工業(yè)建模軟件廠商拓展游戲建模引擎的一次嘗試。

圖表：Autodesk在游戲引擎方向的探索

資料來源：Autodesk官網(wǎng),，中金公司研究部

泛娛樂向泛工業(yè)：Unity的泛工業(yè)領(lǐng)域?qū)嵺`

Unity依托已有的游戲建模引擎技術(shù),，將建模引擎業(yè)務(wù)拓展至建筑、汽車,、消費(fèi)等行業(yè),。截止2020年，Unity收入規(guī)模超過10萬美元的大客戶中,，有8%的大客戶來自于非游戲行業(yè),。據(jù)Unity公司年報(bào)預(yù)測，截止2020年非游戲行業(yè)建模引擎的市場空間為170億美元,，而2025年游戲建模引擎市場空間的預(yù)測僅為160億美元,。游戲之外的跨行業(yè)建模引擎市場將會(huì)是公司長期的發(fā)展趨勢。Unity旗下已經(jīng)擁有Unity Reflect,，Unity Forma等多款工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用軟件,。

圖表：Unity泛工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品

資料來源：公司官網(wǎng),，中金公司研究部

一體化的實(shí)時(shí)建模和協(xié)作平臺：英偉達(dá)Omniverse

英偉達(dá)在2021年11月的GTC大會(huì)上推出了3D建模領(lǐng)域的實(shí)時(shí)模擬和協(xié)作平臺Omniverse。傳統(tǒng)的3D建模流程包括草圖,、建模,、裝配、動(dòng)畫等多個(gè)環(huán)節(jié),，需要多部門員工按順序分工協(xié)作,，同時(shí)各環(huán)節(jié)所使用的軟件各不相同。因此,，3D建模流程中的數(shù)據(jù)傳輸和文件格式的統(tǒng)一較為復(fù)雜。Omniverse平臺通過云端整合主流的3D建模工具,，使得創(chuàng)作者們可在云端的多個(gè)建模軟件之間實(shí)時(shí)協(xié)作,，提升工作效率。

Omniverse平臺主要由5個(gè)部件組成,，其中Nucleus和Kit是最為核心的兩個(gè)部件,。Nucleus是整個(gè)協(xié)作平臺的核心，提供用戶認(rèn)證,、協(xié)作服務(wù)和數(shù)據(jù)存儲的功能,。它可以通過Connect連接多個(gè)Omniverse內(nèi)置應(yīng)用、外部應(yīng)用（如3ds MAX）,、渲染器和微服務(wù)等,。創(chuàng)作者可通過Nucleus在平臺上用多種軟件同步編輯3D內(nèi)容；管理者可在Nucleus的Web管理程序管理用戶權(quán)限和工作流程,。Kit是一套基于USD的工具包,，擁有眾多模塊化的常用功能套件，開發(fā)者可利用Kit提供的套件及擴(kuò)展程序,，靈活組裝出自己實(shí)際需要的應(yīng)用程序,。

圖表：Omniverse平臺架構(gòu)及硬件支持

資料來源：Omniverse官網(wǎng)，NVIDIA官網(wǎng),，中金公司研究部

不僅僅是協(xié)作平臺,，英偉達(dá)在底層計(jì)算硬件上的積累成為Omniverse平臺堅(jiān)實(shí)的后盾，硬件渲染和AI能力是核心壁壘,。Omniverse可提供靈活的實(shí)時(shí)光線追蹤和路徑追蹤,，背后是NVIDIA的RTX硬件平臺和圖形渲染、計(jì)算,、AI等的后端技術(shù)能力,。NVIDIA的RTX平臺融合了光柵化、光線追蹤技術(shù),；CUDA（Compute Unified Device Architecture）是 NVIDIA 專為GPU上的通用計(jì)算開發(fā)的并行計(jì)算平臺和編程模型,，可提升圖形渲染的速率,；基于AI的DLSS降噪技術(shù)降低了高幀率畫面輸出的GPU要求，使得高質(zhì)量的實(shí)時(shí)渲染輸出成為可能,。我們認(rèn)為英偉達(dá)在后端的硬件能力支持是Omniverse區(qū)分于其他協(xié)作平臺的主要競爭力,。

USD為建模工具的一體化和平臺化提供了可能。Omniverse協(xié)作的技術(shù)基礎(chǔ)來自于Pixar在2016年發(fā)布的3D建模格式標(biāo)準(zhǔn)USD（Universal Scene Description）,。USD提供了一套關(guān)于3D建模的場景描述的“統(tǒng)一語言”,，它是為了Pixar內(nèi)部分工合作而設(shè)計(jì)出的一種交換格式，對建模流程中用到的各種軟件導(dǎo)出的不同格式的素材進(jìn)行了輕量化處理而便于傳輸,。USD支持各節(jié)點(diǎn)同步修改編輯,，可實(shí)現(xiàn)多人協(xié)作的3D建模工作流程。我們認(rèn)為Omniverse為3D建模領(lǐng)域提供了一個(gè)基礎(chǔ)的協(xié)作平臺,，其跨軟件的靈活性和可擴(kuò)展性使得它可在建筑,、娛樂、工業(yè)等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用,。在各細(xì)分領(lǐng)域建模工具不斷豐富的趨勢下,，Omniverse是英偉達(dá)對不同的建模工具平臺化、一體化的一次探索,。

未來展望：建模引擎可能的技術(shù)演進(jìn)與應(yīng)用探索方向

技術(shù)演進(jìn)：新興技術(shù)為建模引擎的演進(jìn)提供新方向

AI：圖像增強(qiáng)與3D建模

圖像增強(qiáng)技術(shù)：NVIDIA的DLSS降噪,。圖形渲染為了達(dá)到高畫質(zhì)，需要盡可能多地增加像素采樣點(diǎn),，但這伴隨著計(jì)算量的翻倍,。此領(lǐng)域的一個(gè)技術(shù)突破是NVIDIA的DLSS（深度學(xué)習(xí)超級采樣）技術(shù)。AI將低分辨率畫面渲染為多幀采樣時(shí)間不同的超高分辨率畫面后,，再通過AI算法將多幀畫面合成為分辨率較高的畫面,。

GAN技術(shù)可幫助直接從照片生成幾何模型。除了從軟件中的多邊形開始搭建幾何模型之外,，圖片建模也是3D建模的一種方法,。圖片建模需要對建模的對象拍攝足夠多的各角度清晰照片，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)的像素匹配等過程來生成3D模型,。而AI使得這一過程更加簡化,，NVIDIA于2021年GTC大會(huì)上發(fā)布的GANverse3D應(yīng)用程序能實(shí)現(xiàn)從一張照片直接生成3D模型。AI利用GAN（生成性對抗網(wǎng)絡(luò)）從單張照片預(yù)測3D網(wǎng)格模型,，就像繞著建模對象生成多張其他角度的照片,。我們認(rèn)為AI深度學(xué)習(xí)可幫助建模師完成如建筑、汽車等基礎(chǔ)模型的搭建,，使得建模師更專注于核心的角色模型設(shè)計(jì),，提高工作效率。

圖表：NVIDIA DLSS 2.0的技術(shù)架構(gòu)

資料來源：NVIDIA,，中金公司研究部

圖表：NVIDIA的GANverse3D技術(shù)示意圖

資料來源：NVIDIA,，中金公司研究部

云計(jì)算：云端建模與渲染

3D建模中的圖形渲染無論是光柵化還是光線追蹤,，都對于底層顯卡、CPU等硬件有較高的要求,。隨著5G和云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,，以SaaS形式提供的建模服務(wù)應(yīng)運(yùn)而生。

云化3D CAD廠商OnShape,。2016年發(fā)布的OnShape是一款完全基于云的CAD軟件產(chǎn)品,。OnShape支持協(xié)作編輯和靈活的流程管理。相較其他云CAD競爭者,，OnShape存在兩點(diǎn)優(yōu)勢：1）完全基于數(shù)據(jù)庫,，用戶之間無需傳輸龐大的模型文件、也無需考慮數(shù)據(jù)管理,，OnShape將設(shè)計(jì)過程保存為數(shù)據(jù)庫的更改記錄,，同時(shí)分享文件訪問權(quán)限；2）無需客戶端支持,，計(jì)算幾乎完全在服務(wù)器端完成，通過瀏覽器即可使用,，降低了3D建模對于設(shè)備的要求,。我們認(rèn)為OnShape解決了傳統(tǒng)CAD軟件客戶端龐大、文件管理繁瑣且難以實(shí)時(shí)協(xié)作的痛點(diǎn),，是未來云化建模軟件的雛形,。

騰訊云的實(shí)時(shí)云渲染引擎。騰訊云在LiveVideoStackCon 2021上分享了實(shí)時(shí)云渲染服務(wù),。在該服務(wù)下運(yùn)行軟件和游戲時(shí),，可通過接入云渲染的SDK來提供接近本地運(yùn)行的低延遲和高畫質(zhì)體驗(yàn)。實(shí)時(shí)云渲染服務(wù)強(qiáng)調(diào)低時(shí)延,，騰訊云通過采用多種編碼方式優(yōu)化,、邊緣節(jié)點(diǎn)覆蓋和帶寬評估調(diào)優(yōu)等技術(shù)改進(jìn)，來實(shí)現(xiàn)在線渲染的高效傳輸,。我們認(rèn)為實(shí)時(shí)的云端渲染能打破軟件對于特定GPU配置和系統(tǒng)平臺的要求,，使得渲染工作更加靈活高效。

圖表：騰訊云渲染引擎結(jié)構(gòu)

資料來源：騰訊云,，中金公司研究部

實(shí)時(shí)光線追蹤：新一代渲染技術(shù)

實(shí)時(shí)光線追蹤的大范圍推廣受限于算力的不足,。光線追蹤運(yùn)用于圖形渲染其實(shí)早已有之，在1972年,，Robert Goldstein等人使用了基于光線投射思路的SyntdaVision軟件制作廣告和電影,。但由于計(jì)算光線追蹤所需的算量十分龐大，這一技術(shù)的運(yùn)用受限于硬件計(jì)算速度而無法在實(shí)時(shí)渲染場景下得到應(yīng)用,。但一系列硬件,、API等技術(shù)革新使得實(shí)時(shí)光追成為可能：

?硬件：GPU原生支持光線追蹤,。2018年，NVIDIA發(fā)布了全球首款實(shí)時(shí)光線追蹤游戲GPU GeForce RTX,。RTX系列芯片采用了圖靈架構(gòu),，該架構(gòu)搭載了用于實(shí)時(shí)光線追蹤的RT Core專用處理器、用于加速AI深度學(xué)習(xí)的Tensor Core,、新型流多處理器和用于模擬的CUDA,。這些新技術(shù)大幅提高了GPU的計(jì)算能力，無論對于光柵化還是光線追蹤技術(shù)的渲染速度都有了很大提升,。AMD于2020年發(fā)布的RDNA 2架構(gòu)也搭載了光線加速器的光線追蹤加速架構(gòu),。

?API：支持光線追蹤的API標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。2020年3月,，微軟發(fā)布DirectX12 Ultimate,，允許GPU直接調(diào)用光追、按需加載光線追蹤著色器和內(nèi)聯(lián)光線追蹤,，提升了光追渲染效率的同時(shí)也降低了開發(fā)者的開發(fā)難度,。Khronos Group在2020年11月也將光線追蹤支持集成到Vulkan API框架中，使其成為首款跨平臺,、跨廠商的光線追蹤API,。

圖表：各種路線的渲染技術(shù)對比

資料來源：中金公司研究部

應(yīng)用探索：元宇宙暢想，數(shù)字孿生與數(shù)字原生

數(shù)字建模引擎將成為元宇宙中重要的底層基礎(chǔ)設(shè)施,。根據(jù)我們在元宇宙開篇報(bào)告《元宇宙：空間升維,、時(shí)間延展、社會(huì)重構(gòu)》中的定義,，元宇宙是由混合現(xiàn)實(shí)和數(shù)字建模等技術(shù)為基礎(chǔ),、以去中心化思想構(gòu)建的、擁有嶄新經(jīng)濟(jì),、身份,、制度體系的數(shù)字世界，數(shù)字建模引擎是支撐元宇宙實(shí)現(xiàn)的重要底層基礎(chǔ)設(shè)施,。近年來隨著3D建模質(zhì)量和精度的提升,，以及云端建模、實(shí)時(shí)渲染等技術(shù)的成熟,，3D建模引擎的迭代發(fā)展正在讓元宇宙的真正建立實(shí)現(xiàn)成為可能,，但距離真正理想中的實(shí)時(shí)高質(zhì)量建模仿真、即時(shí)人機(jī)交互的元宇宙的要求還存在一定的差距,，我們認(rèn)為元宇宙的實(shí)現(xiàn)仍需要底層建模技術(shù)進(jìn)一步的迭代進(jìn)化,。

圖表：元宇宙的體系架構(gòu)，數(shù)字建模引擎是其中的重要底層基礎(chǔ)設(shè)施

資料來源：中金公司研究部

元宇宙的實(shí)現(xiàn)需要怎樣的建模引擎,？我們認(rèn)為應(yīng)當(dāng)有三點(diǎn)要求：

?從架構(gòu)部署而言,，最好是云化的,。元宇宙的實(shí)現(xiàn)需要建模軟件調(diào)用硬件算力對模型進(jìn)行復(fù)雜的實(shí)施運(yùn)算，因此對于計(jì)算機(jī)的底層硬件算力提出了較高要求,，現(xiàn)有的傳統(tǒng)本地運(yùn)算架構(gòu)可能難以支撐元宇宙所需要的海量建模計(jì)算需求,。但隨著云計(jì)算和5G的發(fā)展，我們認(rèn)為未來海量模型文件在云端和客戶端的傳輸將成為可能,，云化的建模引擎將成為支撐元宇宙的重要基礎(chǔ)設(shè)施,。

?從輸出效率而言，應(yīng)當(dāng)是實(shí)時(shí)渲染的,。在未來,，數(shù)字孿生和元宇宙將帶來3D建模需求的快速增長，而傳統(tǒng)離線渲染的速度及效率都較低不能滿足需求,。同時(shí)元宇宙需要實(shí)現(xiàn)人與虛擬模型的互動(dòng),，實(shí)時(shí)渲染可基于玩家所在的位置實(shí)時(shí)計(jì)算視覺效果，能夠?qū)崿F(xiàn)即時(shí)的建模與實(shí)時(shí)的交互性,。然后,，現(xiàn)有的實(shí)時(shí)渲染技術(shù)對于最終建模的質(zhì)量依然有所犧牲，因此我們認(rèn)為元宇宙的實(shí)現(xiàn)需要高建模質(zhì)量的實(shí)時(shí)渲染技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,。

?從軟件協(xié)作而言,，數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一化，軟件之間互操作,。元宇宙需要的海量建模數(shù)據(jù)是需要跨平臺、跨終端的,，因此模型之間的互操作和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式將成為未來建模引擎的剛需,。USD為建模技術(shù)提供了一項(xiàng)溝通的語言。從單一的渲染器,，到可集成第三方插件的游戲引擎,，再到打通各類軟件的Omniverse平臺，雖然各細(xì)分領(lǐng)域仍然存在專屬的差異化需求,，但軟件之間的互操作和溝通將成為引擎發(fā)展的趨勢,。

文章來源

[1] 《工業(yè)軟件簡史》，上海社會(huì)科學(xué)出版社（2021年11月）

本文摘自中金：2022年5月15日已經(jīng)發(fā)布的《建模引擎：數(shù)字孿生之基,，虛實(shí)交融之紐》