什么是USD文件？3D存储、协作及其在元宇宙中的作用

皮克斯开发了通用场景描述(USD)作为一种3D文件格式和协作框架，供从事3D场景工作的人士使用。许多创作者利用USD来构建动画3D电影、游戏、增强现实、模拟器及元宇宙。

文章概览：

USD为何不仅仅是另一种文件格式
使用USD的利弊
查看、创建和编辑USD文件的工具
USD文件示例

什么是USD文件？

USD（Universal Scene Description）文件是一种3D资产格式，远不止于此。USD为艺术家提供了一个创建3D资产的框架。艺术家、导演及其他人员可以在USD中排列、动画化、照明和编辑3D对象，以合作创建完整的3D场景和世界。

正如“通用场景描述”所暗示的那样，USD是一种组装和指导动画场景的方式。创作者可以使用3D对象并在一个中心数据集中应用属性、层级和观点。USD包含几何、照明、着色和物理等模式，使3D工具能够相互“交流”。USD是首个开源公共软件，用于以多种格式编译和处理3D资产。

USD文件通常可重用，以提高效率和扩展性。例如，艺术家可以从定义好的对象如汽车开始。他们可能改变其形状或颜色，增强它，或将它分成轮子和前灯等单独部分，以便在场景中给予更多灵活性。这种方法使得复杂的3D场景能够在不每次都需要重新创建的情况下形成。单个USD对象是一个“prim”（或原始对象），意味着它是项目中可定义和定制的最小有用单元。创作者和导演利用这些prim在全场景的上下文中发挥作用。

除了.usd扩展名的USD文件外，还有.usdz、.usda和.usdc。当有人提到USD文件时，他们通常指的是.usd或.usdz。后两种扩展名较为少见。下文将在“USD文件格式”部分详细说明这四种文件格式以及其他USD支持的格式。

关键要点：

USD是3D文件格式和协作平台，用于存储和共享场景信息。
3D创作者在创作动画丰富的电影和游戏时使用USD，而3D正被应用于其他领域——如帮助构建元宇宙。
USD的未来取决于行业如何在竞争格式之间标准化。
复杂项目无论文件格式如何，都需要高效的3D内容管道，而USD提供了这一功能。

USD何以与众不同

USD与其他3D文件的不同之处在于它能无缝存储和处理其他格式。全球的艺术家以USD或其他格式创建文件，然后在USD中协作编辑、增强和创建复杂的场景和模型。由皮克斯开发的USD现已成为开源，便于更广泛地使用。

创作者可以同时在相同的场景或项目中使用USD工作，处理各自的部分并立即看到结果。例如，动画、效果、布局和照明等部门可以在USD中协同工作，发挥最佳效能。此外，USD API允许与不同3D应用程序之间的顺畅交换。

皮克斯开发USD是为了应对超详细动画电影中使用的笨重内容管道和工作流程问题，其中包括1995年的《玩具总动员》，这是第一部完全采用计算机生成图像(CGI)制作的电影。电影创作者使用USD编码数据，以便在数字创作应用间交换和增强。USD，也称为Pixar USD，仍然是公司专有Presto平台的核心。2016年，皮克斯将USD作为开源项目发布，使其可用于其他软件程序。

当苹果采用USDZ文件（USD的压缩版本）作为iOS应用程序的主要格式时，USD得到了重大推动。其他支持USD的程序包括Nvidia、Maya、3DS Max和虚幻引擎。你可以使用.glTF、.mb（Maya）、.max（3DS Max）和.uasset（虚幻引擎）等文件类型在USD中高效工作。

为何应使用USD文件格式？

你会在需要极其生动细节和真实感的3D视觉或效果时使用USD文件格式。对于许多艺术家可以独立和协作工作的大型项目，USD尤为有益。同时，它将3D文件格式整合到单一数据集中，提供了更高效的内容管道。

Alan Smithson，MetaVRse的CEO及联合创始人

MetaVRse的3D创建平台的CEO及联合创始人Alan Smithson解释道：“通用场景描述USD(Z)是由皮克斯创建，Nvidia和苹果力推的下一代标准3D格式。与被大多数3D和XR世界采用的glTF不同，USD目前仅被少数但非常关键的玩家使用，包括Epic Games的全力支持。USD允许完整场景组合被存储和共享，而glTF则专注于个体3D资产。两者都支持复杂几何、高级纹理、透明度以及刚体或蒙皮动画。”

选择3D文件格式和程序取决于特定公司、项目和使用案例。越来越多的人了解到为何可能会使用USD，但更常见的是，他们正在使用glTF文件、FBX文件、OBJ文件、GLB文件、STEP文件等。这些格式在某些情况下相互竞争，但也可能是互补的。查看我们的3D文件格式概述，了解哪些可能适合你的项目。

USD文件如何使用？

USD文件有多种用途。例如，艺术家在USD中创建和存储3D对象，用于构建复杂、详细的3D场景和模型。3D专业人士使用USD文件和USD框架来创建或从各种格式转移对象、构建场景并协作完成最终产品。

以下是USD的一些使用方式：

USD的主要用途之一是创建、访问、修改和存储3D对象、模型、动画、材质、照明及3D场景和项目所需的其他信息。
USD是跨软件程序传输3D资产和数据的好方法，同时保持标准化的USD数据。
导演和艺术家可以使用USD独立处理复杂项目的不同部分或实时协作。
动画、效果（FX）、布局和照明等功能部门使用USD进行项目工作。
你可以根据对象在整体场景或项目中的外观调整部件。例如，照明层可能导致你的对象设计改进。
USD提供了对不同部件的选择，并允许人们分享这些选择的层次“观点”。
USD有助于简化和开发大规模项目，如电影和游戏。
USD可应用于其他领域，如3D电子商务、元宇宙营销。
USD为构建可无缝交互的元宇宙世界提供了一种共同语言。

谁在使用USD文件？

USD的主要用户群体包括动画电影和视觉效果的创作者。游戏开发者和元宇宙开发者正日益采纳USD，尽管它尚未成为普遍接受的标准格式。此外，开始使用USD的其他行业还包括建筑师、机器人技术开发者和制造设计师。

USD文件的使用者包括：

电影和视觉效果艺术家：全球范围内的创作者和开发者利用USD制作主要电影和视觉效果。来自多个设计室的多团队艺术家合作制作当今令人惊叹的动画电影，如皮克斯的《玩具总动员4》和《光年》。
游戏开发者：Epic Games已采纳USD作为其核心工具之一，其他游戏公司也可能跟进。
元宇宙开发者：开发者正在构建3D世界，让人们能够体验并参与到娱乐、游戏、电子商务、市场营销等众多领域中。
建筑师：建筑CAD程序支持USD文件。
机器人技术开发者：在机器人技术领域，开发者使用USD来模拟自主机器人、车辆和无人机在不同环境（从制造工厂到繁忙道路再到天空）中的运作。
制造设计师：Autodesk Inventor使用USD来存储制造设计。
产品设计师：他们利用USD工具虚拟设计和测试产品。
“数字孪生”开发者：这些开发者使用USD来构建物理环境和事件的数字孪生或虚拟复制品。零售商、制造商和其他企业利用数字孪生来模拟和测试解决方案与改进。宝马、洛克希德·马丁和西门子能源等公司已经在创建数字孪生。
3D电商：开发者可以使用USD构建虚拟产品和体验，让顾客更好地了解商品如何融入他们的生活。

USD支持的文件格式

USD支持四种核心格式：

.usd – 主要格式，既是纯文本文件也是二进制文件。
.usdz – 扩展名中的“Z”代表压缩过的USD文件，便于分发和转换。
.usda – 纯文本文件。
.usdc – 二进制文件。

此外，根据使用的软件程序，以下文件格式也能与USD或USDZ良好配合：

.mb – Maya平台文件格式的扩展名。
.max – 3ds Max的格式。
.uasset – 虚幻引擎的文件格式扩展名。
.glTF – 游戏行业中常用的格式。

USD的典型工作流程

USD的工作流程依据项目的复杂度、目标和使用的软件而定。在大型电影项目中，许多艺术家会创建“prim”（即3D对象）。动画、特效、布局和照明部门合作创建场景。每一步，创作者都会进行编辑、产生选项，并通过“观点”投票。导演决定最终采用哪个方案。

以皮克斯的USD工作流程为例，传统上是线性的，但现在不同了。借助USD，创作者无需等待所有组件就绪即可进入场景工作。艺术家可以独立且协作地工作，使用层级和观点。这节省了时间和成本，帮助他们按时按预算完成项目。创作者还可以利用“早期预览”功能，帮助他们预见场景的所有可能性，从而导向更好的最终产品。

USD的预生产和生产步骤

预生产步骤：

创意构思
故事发展
编写剧本和故事板
艺术设计，包括角色、场景、道具设计
建模与着色

生产步骤：

布局
动画
模拟
特效
照明
日常审片（又称dailies或rushes）
最终渲染

使用USD的优缺点

USD的优缺点取决于具体的使用案例、策略和目标。优点包括创建具有密集细节的3D文件和完整场景、交换不同3D格式文件及管理协作管道。缺点则涉及其复杂性、大文件尺寸以及与旧格式的不兼容性。

USD格式的优点：

能够创建既包括3D文件又包括整个场景的精细细节。
支持不同3D格式文件的存储与交换，以及USD支持的软件程序。
在大型项目中，即使实时协作，也能让使用不同文件格式的团队艺术家们协同工作。
更好地管理大型项目（如电影、游戏或元宇宙体验）的工作流程。
可访问或重建可重用的3D对象以扩大项目规模或倡议。
支持非破坏性编辑，确保编辑过程中工作不会丢失。
“观点”功能让用户对不同选项进行投票，营造协作工作空间。
可直接在USD或其它3D文件格式中编辑或增强文件对象。
附带静态和动态数据以定义场景。
满足现代消费者对真实感和动态效果的高期望。

USD格式的缺点：

尽管USD专为复杂项目（如CGI电影和游戏）定制，但对于使用其他不兼容文件类型的较小3D项目来说，可能过于复杂和繁琐。
许多3D创作者更熟悉使用其它格式，如glTF，尽管USD的使用正在增长。
它不向后兼容较旧的文件格式，如OBJ和FDX。OBJ是大多数基础3D建模的默认格式，虽然比USD和USDZ更基础、细节更少，但对于许多一次性3D项目来说可能更为适用。
如果使用Apple版本的USDZ，需要注意并非所有原生USD功能都可用。
文件和场景可能变得庞大，加载和操作速度变慢，尽管USD通过懒加载机制缓解了这一问题。
USD不支持Draco几何压缩，而glTF则支持。

USD文件的优缺点，以及查看和编辑USD文件的工具概述如下：

USD文件的优点：

互操作性与兼容性：USD支持多种3D格式和软件之间的文件交换，便于跨平台工作。
详尽的场景描述：能够创建包含丰富细节的3D场景和对象，适合复杂的动画和视觉效果。
高效协作：支持非破坏性编辑和“观点”系统，促进团队协作，特别是在大规模项目中。
模块化和层次结构：通过层次结构和引用系统，便于管理复杂场景和资产复用。
未来导向：随着元宇宙和3D互联网的发展，USD因其高级特性而成为关键格式。

USD文件的缺点：

学习曲线：相对于一些更简单的3D格式，USD较为复杂，需要时间学习。
文件大小：高度详细的场景可能导致文件体积庞大，影响处理速度。
硬件要求：处理大型USD项目可能需要高性能的硬件配置。
兼容性限制：与某些旧格式不兼容，如OBJ，可能需要额外的转换工作。
标准化进展：虽然在某些领域广泛采用，但尚未成为全行业的统一标准。

查看USD文件的工具：

Pixar的USDView：开源工具，用于加载、查看和检查USD文件和场景。
Nvidia Omniverse Launcher：内置USDView，用于探索和使用USD。
Apple预览：Mac上的Preview应用可查看和导出USD/USDZ文件。
USD Manager：轻量级开源平台，支持USD查看、编辑和管理。
Activision Free USD Shell Extension：Windows扩展，允许在文件资源管理器中查看和检查USD文件。
3D USD Viewer：免费的网页应用，拖放USD文件即可在线渲染查看。
Autodesk Maya：提供USD插件，支持Maya工作流程中的查看、创建和编辑。
Autodesk 3ds Max：通过扩展支持USD格式。
Unreal Engine：通过USD Stage和双向Python工作流支持USD。
Houdini Solaris：原生支持USD查看和编辑。
Foundry Katana：在其软件中支持USD，用于CG项目外观开发和照明。
Blender USD Exporter：这个 3D 平台支持一些 USD 碎片，但还不支持图层、变体和骨骼动画。

创建和编辑USD文件的软件：

上述大部分查看工具同样支持创建和编辑USD，如Pixar的USD工具集、Nvidia Omniverse、Autodesk Maya、Unreal Engine、Houdini Solaris等。
Blender USD Exporter：支持部分USD特性，但对层、变体和骨骼动画的支持有限。

USD数据类型：

USD支持多种数据类型，从基本的布尔值、浮点数到矩阵、四元数等，这些数据类型构成USD语言的基础，用于定义3D对象和场景的所有方面。

USD的未来：

USD的未来将受行业决策和标准化努力的影响。随着苹果、Nvidia等公司的采纳，USD的流行度增长，但它与glTF等格式并存。元宇宙标准论坛等组织正在推动开放、可访问的标准制定，旨在实现3D世界的通用互操作性。USD与glTF之间找到平衡点，可能是实现跨平台和跨应用无缝集成的关键。