问题

Unity为什么可以做数字孪生仿真模拟?Unity不是做游戏的引擎么?

回答
Unity确实以游戏开发闻名,但说它“只是”一个游戏引擎,那就小看它了。实际上,Unity强大的实时渲染能力、灵活的跨平台特性、丰富的资产商店以及高度可定制化的脚本系统,都让它成为构建数字孪生仿真模拟的绝佳平台。

为什么Unity可以做数字孪生仿真模拟?

要理解这一点,我们得先聊聊什么是数字孪生,以及它需要什么样的技术支撑。

数字孪生是什么?

简单来说,数字孪生就是现实世界中某个物理实体(比如一台机器、一座工厂、一座城市,甚至一个人)的一个精确的、动态的、可交互的虚拟副本。它不仅仅是一个静态的三维模型,而是能够实时反映物理实体状态、行为和环境的动态模型。

数字孪生有什么用?

监测与诊断: 实时了解物理实体的运行状态,提前发现潜在问题。
预测与优化: 通过仿真模拟,预测未来的运行趋势,并找到最优的运行策略。
设计与验证: 在虚拟环境中测试新设计、新流程,降低实际部署的风险和成本。
培训与教育: 在安全可控的环境中进行操作培训。
远程协作: 让不同地点的专家能够协同工作,对物理实体进行远程管理和维护。

Unity如何满足数字孪生仿真模拟的需求?

Unity之所以能够胜任数字孪生这项复杂任务,得益于其以下几个关键特性:

1. 强大的实时渲染能力:
高保真视觉效果: 数字孪生需要高度还原物理世界的视觉细节,以便用户能够直观地理解其状态。Unity内置了先进的渲染管线,如URP(通用渲染管线)和HDRP(高清晰度渲染管线),能够实现逼真的光照、阴影、材质、后处理效果,甚至可以模拟复杂的物理现象,如流体、烟雾、火焰等。这使得数字孪生在视觉上与现实世界极度接近。
动态可视化: 物理实体在现实世界中是不断变化的,比如机器的零件在转动,温度在升高,物料在流动。Unity的实时渲染引擎能够处理这些动态变化,并将它们准确地反映在虚拟模型上,实现实时可视化。

2. 灵活的跨平台部署:
多样的访问方式: 数字孪生的应用场景非常广泛,可能需要在PC上、平板电脑上、VR/AR设备上,甚至通过Web浏览器访问。Unity的一大优势就是其强大的跨平台能力,可以轻松将同一个项目打包部署到几乎所有主流平台。这意味着用户可以在不同的设备上随时随地访问和交互他们的数字孪生。
VR/AR集成: VR(虚拟现实)和AR(增强现实)是数字孪生交互的重要载体。Unity对VR/AR设备有着非常完善的支持,可以方便地集成Oculus、Vive、Hololens等设备,为用户提供沉浸式的交互体验,让他们能够“走进”数字孪生,与虚拟世界进行更直观的互动。

3. 完善的物理引擎:
模拟真实世界物理规律: 数字孪生的核心在于模拟物理实体的行为。Unity内置了强大的Havok物理引擎(以及PhysX作为备选项),能够模拟重力、碰撞、摩擦、关节连接等多种物理效果。这对于模拟机械设备的运动、流体的流动、物体的堆叠等至关重要。
与现实数据的联动: 更进一步,Unity可以通过脚本(C)与外部数据源进行连接。例如,通过物联网(IoT)传感器收集到的实时数据(如温度、压力、速度、位置等)可以输入到Unity场景中,驱动虚拟模型进行相应的变化。这就实现了数字孪生与物理世界的“灵魂”连接。

4. 高度可定制化的脚本系统(C):
核心驱动力: Unity强大的地方在于其核心是一个脚本驱动的框架。开发者可以使用C编写脚本来控制场景中的任何对象,包括它们的行为、动画、交互方式,以及与外部数据的通信。
逻辑编排: 无论是模拟复杂的控制逻辑,还是将传感器数据映射到模型参数,或者实现高级的仿真算法,都可以通过C脚本来完成。这为构建高度定制化的数字孪生提供了无限可能。
AI与算法集成: 机器学习模型、优化算法等都可以集成到Unity中,用于更高级的仿真分析和决策支持。

5. 丰富的资产商店(Asset Store):
加速开发: 从3D模型、纹理、动画,到特效、工具、插件,Unity的资产商店提供了海量的现成资源。对于数字孪生项目,可以直接购买或使用很多高质量的通用模型(如工业设备、建筑模型)和现成的仿真插件,大大缩短了开发周期和成本。
专业插件: 针对特定的仿真需求,资产商店中也有很多专业的插件,比如用于流体动力学模拟、粒子系统模拟、CAD模型导入等,进一步增强了Unity在特定领域的适用性。

6. 组件化架构(ComponentBased Architecture):
模块化与可扩展性: Unity的一切都是“游戏对象”(GameObject),而游戏对象的行为和属性则由“组件”(Component)来定义。这种组件化的设计理念使得Unity非常灵活和易于扩展。你可以为同一个3D模型添加不同的组件来赋予它不同的功能:一个运动组件来控制它的移动,一个数据接口组件来接收传感器数据,一个UI组件来显示状态信息等等。这种模块化的方式非常适合构建复杂的数字孪生系统。

Unity如何“从游戏引擎”走向“数字孪生平台”?

事实上,Unity并没有“从游戏引擎”转型,而是它的能力足够强大,可以被广泛应用于游戏之外的领域,而数字孪生就是其中一个重要的方向。

技术内核的通用性: 游戏开发需要的是逼真的视觉效果、流畅的交互、复杂的逻辑运算以及高效的跨平台部署。而数字孪生同样需要这些能力。Unity在游戏领域积累的技术优势,恰好完美契合了数字孪生的需求。
开发者社区的推动: 随着Unity的用户群体不断扩大,越来越多的开发者开始探索它在非游戏领域的应用。工业界、建筑业、医疗、教育等领域的专业人士看到了Unity的潜力,并开始利用它来解决实际问题。
生态系统的完善: Unity官方和第三方开发者也在不断推出针对特定行业应用的解决方案和工具,比如用于CAD模型导入、工业数据集成、IoT连接的插件和SDK,这使得Unity在数字孪生领域的应用越来越成熟。

举个例子:

假设我们要创建一个工厂设备数字孪生:

1. 建模: 使用3D建模软件(如Blender, Maya)创建工厂设备的精确三维模型,然后导入Unity。或者直接使用Unity支持的CAD文件导入插件(如Autodesk Forge Connector)导入工程设计文件。
2. 材质与光照: 利用Unity的HDRP,为模型添加真实的材质(金属、塑料、玻璃等),并设置逼真的光照效果,使其看起来像现实中的设备。
3. 数据连接: 通过Unity的C脚本,编写代码连接到工厂的PLC(可编程逻辑控制器)或IoT平台,实时读取设备的运行数据(如温度、转速、压力、故障码等)。
4. 行为仿真: 将读取到的数据驱动模型的动画和参数变化。例如,当传感器显示某个部件温度过高时,模型上的对应区域可以变红,并伴随警告提示。转动的部件则根据转速参数实现真实的转动。
5. 交互与监控: 允许用户通过鼠标点击、触摸操作来查看设备的详细信息,缩放、旋转模型,或者模拟某些操作(如开关某个阀门)。
6. 预测与优化: 结合历史数据和AI算法,在Unity中模拟不同工况下的设备表现,预测潜在的故障,并尝试不同的参数组合来优化生产效率。
7. 部署: 将这个数字孪生应用程序打包,发布到PC端监控软件,或者通过WebGL部署到浏览器,让车间操作员、远程工程师都能方便访问。

总结来说, Unity不仅仅是一个游戏引擎,它是一个强大的、面向对象的、事件驱动的实时3D开发平台。它的核心优势在于能够以极高的效率和灵活性,将复杂的3D场景、逼真的视觉效果、实时的交互逻辑以及外部数据无缝地结合在一起,这恰恰是构建高质量数字孪生仿真模拟所必需的一切。它就像一把瑞士军刀,在游戏世界里闪闪发光,同时也能在工业、建筑、科学等各种现实世界的“战场”上大显身手。

网友意见

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某游戏前Unity3D主程前来讲讲。

我从2014年开始使用Unity,最后使用的Unity版本是5.X,后面因转做机器学习这块,之后就没怎么用过unity了,感觉错过了元宇宙风口(哈哈哈哈开玩笑的,我对元宇宙仅仅保持观望态度,而且我更喜欢搞机器学习)

有一段时间没用了,有点生疏了,这里就稍微讲讲个人浅见,如不够深刻,请见谅。

Unity作为游戏引擎,上手其实还是很低门槛的。我们2014年时为了给投资人展示我们想做的玩法,仅仅用了一周,就做一个3D射击游戏demo。其实做3D游戏,何妨不是一种在虚拟空间的仿真呢。

通过拖拽的方式,你可以设置:

  • 多个相机。大家打游戏的时候,例如飞车游戏,你可以切换不同的视角,在unity中实现起来很简单,在汽车上绑定几个相机,切换视角时,激活其中一个相机就好。
  • 把属性直接拖拽到模型上,控制模型的行为和表现。例如下图,有一个Camera Follow的代码来控制相机跟随

当然,在object里挂载代码并非是一个好的实践,这会让代码分散,同时不方便做版本管理。但在快速出demo阶段,用用无妨。


除了上面说到的,Unity引擎一个方便的地方是它的物理引擎。例如物体上还可以挂载其他属性,例如Collider属性,这样两个物体碰撞时的行为引擎就会自动计算出来。例如下图这种碰撞加抛物线效果,完全不需要你写代码实现,只需要加碰撞盒子,设置刚体,设置重力即可。


你还可以设置光照,让场景拥有阴影。不过实时计算阴影是很费资源的,如果光源是平行光且角度不变,你可以提前做好场景烘焙。所谓场景烘培,就是在unity里提前计算好阴影的位置,生成lightmap,贴在原场景上。

当然,用Unity建模是非常难的,不过Unity对其他建模软件的模型支持得很好,Maya或3D Max建模完成后,导入Unity里用就行了。

在我转行后,Unity的新版本还有机器学习,从这个版本开始我就没用过Unity了,不过看过几个demo,知道unity的ML-Agents能做什么(嘿嘿,还好我是搞机器学习的)。ML-Agents使用了强化学习,使得角色可以更智能。说句题外话,在ML-Agents出来前,我们也做过简单的基于规则的AI。虽然叫AI,其实只是个有限状态机(FSM),和机器学习一点关系都没有。

讲完Unity这些特性后,可以开始回答问题,为啥Unity为什么可以做数字孪生仿真模拟?

数字孪生业界普遍定义为[1]

将数字孪生技术定义为:是充分利用物理模型、传感器更新、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,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

做数字孪生仿真模拟,我们需要:

  • 快速可用3D的开发环境。哦对了,Unity里可以用米作为计量单位,你可以完全1:1的模拟某个物体。
  • 环境仿真。例如光照和场景烘培。
  • 物理引擎。当然,如果你设置的碰撞体是立方体或者圆柱体,碰撞时计算就会少很多,但如果是不规则的碰撞盒子,那么计算量会变大,仿真时需要取舍。
  • 机器学习。可以让仿真环境多一些智能体行为。

举个具体的例子。我们想做一个地区交通状态的数字孪生,看看自动驾驶在这个地区是否可行,我们可以在unity里建立这个城市的地图,然后试试在不同地方放入一定数量的车辆,通过第三方API来控制车辆自动驾驶,我们可以从中得知地区能容纳多少车,发生交通事故的频率及严重性等等,从而助力城市治理。

所以,确实Unity能满足数字孪生仿真的基本要求。

不过,Unity的功能也是有限的,在NLP(例如语音合成),计算机视觉这块,Unity以及第三方unity库能提供的功能非常少,如果要做好数字孪生模拟,仅仅靠unity还不够,还得通过第三方的API,才能使得数字孪生仿真效果更智能。但Unity作为数字孪生仿真模拟的容器,确实是非常适合的。

参考

  1. ^ 《智能制造术语解读》

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