数字孪生背后的那些技术名词

博主： Leon
发布时间：2022 年 05 月 25 日
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分类：科学技术

数字孪生的概念这几年比较火，相关的一些技术也越来越频繁地进入我们的视野。名词有点多，大部分人都是迷瞪的，我这两天查阅了各种资料和视频，总结了一下。看完觉得有用的可以赞赏一下哦。

GPU：首先是硬件，也就是GPU，GPU为了大量像素的图形渲染和并行计算专门设计的硬件。目前主要分为三种，一种是面向消费端，设计师，玩家，游戏视频创作者等，另一种是面向科学计算，深度学习的计算卡，第三种则是面向虚拟化领域的VGPU。

驱动：硬件与系统和软件之间则是靠驱动联系，驱动一般为显卡芯片供应商如NVIDIA和AMD发布。

API：有了硬件和驱动，如何在他们之上开发更多的应用，软件开发和硬件开发还是隔行如隔山的，让软件开发人员直接面向硬件去做开发不太现实，所以就出现了用于并行计算的API和图形API，前者主要用于科学计算，深度学习，有CUDA，OpenCL，OpenACC，后者主要就是用来开发游戏，视频，动画，主要有OpenGL，DirectX，Metal，Vulkan，OpenGL是最早的，是跨平台的API，而DirectX则是Windows平台，现在都更新DX12几年了（但是好像有点推不动，目前市面上还是以DX11为主），Metal是苹果系统，Vulkan可以说是新一代的OpenGL，是它的替代品（但是好像也是有点推不动）。

WebGL：Web图形库，WebGL是基于OpenGLES（OpenGLES是OpenGL的一个子集）的 Javascript API，说到Web端的二三维图形渲染，基本上就全是用到的这个。这几年WebGPU的技术逐渐兴起，它能更完美地去调用硬件资源。相当于桌面端的Vulkan是OpenGL的未来一样，WebGPU也可能会是WebGL的未来。其实如果让前端工程师直接使用WebGL进行编程也还是太难了，于是就有了各种框架，也就是开源JS库，最出名的有Three.js，Babylon.js，Cesium?。

<div class="wp-block-image"><figure class="aligncenter size-full"><a href="https://mrgeng.com/usr/uploads/2022/05/WebGPU-vs-WebGL.jpg"><img src="https://mrgeng.com/usr/uploads/2022/05/WebGPU-vs-WebGL.jpg" alt="" class="wp-image-2182" style=""></a></figure></div>

图形引擎：引擎就是基于以上那些API，图形库开发出来的各种具有丰富功能的平台。传统图形引擎主要被应用在端侧的游戏领域，但是不要认为游戏引擎就等同于图形引擎，游戏里面用到的图形引擎，渲染引擎，声音引擎，物理引擎等等，整合起来后叫游戏引擎。如UnrealEngine，Unity3D，虽然他们主要以图形引擎为主，但也包含了一些游戏，CG制作所需的其他一些技术。一些以建模功能为主的软件，如Maya，3DMax，C4D，Blender，既可以建模，贴材质，又可以做动画，做渲染，就是内置了各种软引擎，这些软件在更多行业得到应用。但真正要做游戏，还是将模型导入到专业的游戏引擎里去做是最好的。

几何内核：不同于图形引擎，你可以称之为几何引擎，大部分需要造型或对模型进行编辑修改的工业软件都离不开几何引擎。而这个领域基本上就是ACIS和Parasolid的天下了。法国开源的OpenCasCade，简称OCC，对于小型项目的开发可能也是个不错的选择，但其性能能否经得住大项目的考验，底层技术问题能否得到及时的支持将会是可能面临到的风险。国内也有一些公司在几何内核的研发上投入了很大资源，如中望，华天，广联达。但是，道阻且长，还是要从国家战略层面上给予更多人才，政策，资金的支持才能发展起来。

<figure class="wp-block-image size-large"><a href="https://mrgeng.com/usr/uploads/2022/05/Geometric-Kernel.jpg"><img src="https://mrgeng.com/usr/uploads/2022/05/Geometric-Kernel-1024x239.jpg" alt="" class="wp-image-2183" style=""></a></figure>

云渲染：设计行业中一座工厂，一条船，一座城市，它们的模型量可能会是你想象不到的那种巨大。前面有提到过WebGL和WebGPU，WebGPU就是为了提高前端性能，更多地去调用本地硬件资源来进行计算和渲染，但这种思路是要求客户端的配置也要尽可能地高，也就是所谓的富客户端，这好像有点背离初衷。为什么走Web端，其实就是希望能够尽可能地在全平台，全设备非常方便地浏览模型。手机，Pad，笔记本，这些移动设备的硬件性能往往是不足以进行本地渲染的。云渲染就是结合了云计算和虚拟化的技术，将所有计算和渲染的工作放在服务端的硬件上，通过推流的技术让更多的轻客户端流畅使用，但这也存在一些弊端，比如首次加载慢，网络延迟，快速变换画面模糊，分辨率适配等问题都会影响用户体验。伴随着5G技术的普及，分布式云计算和边缘计算技术的引入，这方面以后可能会有一个质的飞跃，期待一下。

<div class="wp-block-image"><figure class="aligncenter size-full"><a href="https://mrgeng.com/usr/uploads/2022/05/Cloud-Rendering.jpg"><img src="https://mrgeng.com/usr/uploads/2022/05/Cloud-Rendering.jpg" alt="" class="wp-image-2181" style=""></a></figure></div>

AR,VR：我们前面有讲到图形引擎，现在成熟的游戏引擎基本上都是端侧的，能更好地调用本地硬件资源，这也更有利于AR，VR的实现，大多的AR开发都是用Unity去做的，很多第三方的SDK也都是先集成到Unity上，再由Unity输出到对应设备所需的格式。Web端的AR和VR或者叫XR的，发展的技术瓶颈还有很多需要去突破，WebGPU，WebAssembly等，需要更多的应用验证。

<div style="height:61px" aria-hidden="true" class="wp-block-spacer"></div>

思考：我认为目前实施数字孪生应该包含两个阶段，一个是原始数据和模型的获取，一个是前端应用。所谓的原始数据和模型其实就是数字化设计产生的各类成果文件，而前端应用一方面要考虑如何将各类设计工具产生的模型和数据文件转换为轻量化的前端格式，另一方面就是要考虑各种务实的应用场景。各种工业设计软件的几何内核成果文件格式转换为前端的图形引擎格轻量化格式的技术路径成为了冷门但又关键的环节，前端还好说，基本上以OpenGL协会的glTF/glb格式为主，设计端的格式种类繁多，而且基本上没有一个软件能直接导出glTF格式的，大家的导出格式没有统一，就需要额外开发转换器。说到这儿我不得不提一嘴老东家达美盛公司的eZWalker，目前它应该是国内自主研发的，支持种类最多的模型转换器，配合自研不断完善的图形引擎，成为了他们核心竞争力的关键部分。关于数字孪生的应用价值，很多公司卡在这儿的，都知道上这个东西肯定是好的，但真正对生产力和竞争力会有什么提升，都讲不出来一个一二三，很多应用场景还是靠软件公司在凭空创造出来的状态。

最后修改：2025 年 03 月 13 日

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Leon • 2022 年 05 月 25 日