技术探究通用场景描述（Universial Scene Description, USD）

USD是指Pixar皮克斯动画公司制定的通用场景描述（Universal Scene Description，USD）格式。
本文将从 USD概念、USD体系、USD简易教程、USD在UE中的应用、USD相关资源，这五个方面展开阐述。

USD的诞生是为了解决场景描述通用性的问题，所以，学好USD最重要的两点是：

理解USD构建场景的思路和体系结构

熟练使用USD提供的 API 以及工具集

一、USD概念

1. 什么是USD/h3>

USD，是指通用场景描述（Universal Scene Description），用于稳健而且可扩展地交换及增强任意3D场景，而这些场景可能包含众多基本资产。USD不仅提供多类工具集，可用于阅读、写作、编辑和快速预览3D几何图形和着色，还提供元素资产（例如模型)或动画的交换，是3D场景在不同创作工具之间相互交换的桥梁。

使用USD，就是为了提供一套针对3D数据的定义、包装、集成、编辑的统一语言。

针对几何相关的内容，USD提供了 UsdGeom 库。其定义了（OpenSubdiv适用的）网格体、变换、曲线、点、nurbs patches、穿插在几何体表面的各种属性、几何相关的扩展和集成、计算边界框等等。

针对着色，USD提供了 UsdShade 库。其定义了可以连接入网络、打包到可复用材质的基本着色节点，基于此特性，用户可以创建公共接口用于修改着色网络中的参数。它为几何体与材料的绑定提供了巨大的灵活性。

USD重新定义了模型（Model）和资产（Asset）的概念。为了更好地描述和管理较大的 Prims（USD中最基本的容器对象），用 Model 来表示某些特定的Prims。叶节点Model被称作Compoent。组成Model的Model被称作Group，而发布后的Group（一种Asset）被称作 Assembly。Asset 在USD中指底层的某个独一无二的外部资产文件，它也可以指代场景中的某个由一串字符标识的物件。同时 “asset” 也是USD中的一个基本类型，对应C++中的SdfAssetPath类。

USD不是一个应用，而是一个体系。它可以文件格式，可以是一系列工具，也可以是集成在其它任何应用中的插件。

2. USD的特点

支持不同文件格式
对应抽象类SdfFileFormat
二进制文件（.usdc）
文本文件（.usda）
压缩文件（.usdz）
统一的API
C++
USD – C++API手册： https://graphics.pixar.com/usd/release/api/index.html
Python
USD – PythonAPI指南： https://developer.nvidia.cn/usd/apinotes
USD – Python调用示例：

2. 场景描述文件

示例一 – Kitchen_set

整个Kitchen_set的场景在USDView中打开后，界面如下。

这里可以更直观地了解到USD描述场景的思想，即 分而治之：
1. 厨房被分成西边、北边、餐桌、天花板，四个区域。
2. 以餐桌区域为例，又被分成了桌子、椅子A、椅子B、桌上物品，四个部分。
3. 以桌上物品为例，又按照更具体的概念，被分成各个物品，包括勺子，茶杯，装满麦片的碗，蜡笔等等。
4. 展开装满麦片的碗，其中有包含两个部分，碗和麦片（展开可见，麦片由100多个独立的单个麦片组成）。
5. 展开碗，里面只有碗的几何描述。此时，对于场景构成的描述已经无法继续展开。
4. 重要名词
- Assembly
  是一种特殊的模型（Model），它是群组模型，是由其它模型组成的有意义的集合。它包含的模型都是已发布的资产。
- Asset
  Asset本来就是内容生产管线中的常见的名次，在USD中，Asset可以由一个字符串标识。为了更好地支持资产相关的操作，USD定义一种基本类型就叫 asset，对应C++中的SdfAssetPath类。在 .usda 文件中，用 @ 开头的字符来表示 asset 的值。
- AssetInfo
  用来描述Asset的结构，包含四个核心字段，分别是 identifier（asset类型，指向一个具体的asset）、name（string类型，asset名称）、payloadAssetDependencies（asset[]类型，用于动态资产依赖分析）、version （string类型，标识asset版本）。
- Attribute
  Property分为Attribute和RelationShip。Attribute是USD中的基本性质，它可以采用的基本类型参见
  https://graphics.pixar.com/usd/release/api/_usd__page__datatypes.html
- Class
  Class是Prim的一种。可以通过 UsdPrim::IsAbstract 来判断其是否为抽象。
- Component
  Component是位于叶子节点的Model。它可以包含Subcomponents，但是不能再包含其它Model。
- Composition
  Composition是集成多个Layers的过程。它发生在第一次打开UsdStage、加载或卸载Prims，以及Stage中的Layer被编辑时。
- Group
  Group是一种Model。它是多个Model的集合。通常来说，Group是被集成在Assembly中的。
- Layer
  Layer是Prim的容器。一般而言，Layer对应物理文件上的一个.usd文件。
- LayerStack
- Prim
  USD中的基本容器对象。一个Prim可以包含其它Prim，Prim也可以包含Properties（属性），Prim一般都会拥有Specifier（说明符）来指示它在场景中扮演的角色。相关API参见UsdPrim。
- Property
  包括 Attribute 和 Relationship 两种。
- Relatinship
  是Property的一种，是指向多个命名空间的指针。在.usd文件中的关键字是rel。
- Specifier
  标识符，类似与C++中的class或struct，在.usd文件中用来定义一个Prim。具体的Specifier可以是 “def”、“over” 或 “class”。
- Subcomponent
  表示Component内部的某个可能比较重要的Prim。和Component不同，它并不是一种Model。
- SubLayers
  SubLayers是一种组织结构，它是包含多个.usd文件的数组。subLayers中每个.usd文件仍可以继续嵌套更多的subLayers。
三、USD简易教程

创建第一个USD场景

打开 USD/extras/usd/tutorials/helloWorld/helloWorld.py，此Python脚本用于创建并导出一个简单场景，里面包含了一个变换和一个球体。打开python文件后可以看到：

执行Python脚本，执行后会生成 .usda 文件

用 UsdView 打开 HelloWorld.usda

.usda 文件可以用 usdcat 打开，也可以用 usdedit 进行编辑。
打开后会看到结构性的文字描述，例如：

四、USD在UE中的应用

为了避免赘述，这里只放上UE4关于USD的官方文档链接：
https://docs.unrealengine.com/4.26/zh-CN/WorkingWithContent/USDinUE4/

五、USD相关资源
- USD文件体系 Pixar官方介绍PDF Siggraph 2019 USD Introduction and Overview
- USD官网 https://graphics.pixar.com/usd/release/index.html
- USD官网 – 教程 https://graphics.pixar.com/usd/release/tut_usd_tutorials.html
- USD官网 – API文档 https://graphics.pixar.com/usd/release/api/index.html
- USD官网 – USD工具集 https://graphics.pixar.com/usd/release/toolset.html
- USD官网 – FAQ https://graphics.pixar.com/usd/release/usdfaq.html#
- Github源代码 https://github.com/PixarAnimationStudios/USD
- NVIDIA Omniverse?（基于USD，可扩展的多 GPU 实时开发平台，用于3D仿真设计）https://developer.nvidia.cn/zh-cn/nvidia-omniverse-platform
- UE4中的USD插件 https://docs.unrealengine.com/4.26/zh-CN/WorkingWithContent/USDinUE4/
来源：wyk023

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