最好的渲染引擎（數字孿生城市需要什麼樣的渲染引擎）

2023-07-13 07:59:03 1

數字孿生城市需要什麼樣的渲染引擎數字孿生城市的構建，必須基於精準的地理數據從「數字孿生城市」概念剛興起時，行業內只需要用遊戲引擎渲染幾個手工精模，就可以包裝一款「智慧城市應用」了。隨著客戶不斷接受新技術的薰陶，行業對「數字孿生城市」的述求也越來越貼近真實業務。為了實現對數字孿生城市的實際運營管理，整個數字城市的構建必須基於精準的地理數據也逐漸達成了行業共識。從數據角度出發，整個數字城市可用剖分成逐層疊加的數據層，包括地形、水系、道路、建築、IOT設備等，每一層次數據都可以由精準的時空數據支持。

智慧城市

近期興起的CIM概念，也從數據上給出了數字孿生城市的定義：CIM = BIM GIS IoT。BIM代表了建築體的精準表達，GIS數據（包括矢量數據、傾斜攝影、高精地圖、衛星影像等）提供了建築體之外整個城市的數據表達，而IOT設備好比是整個城市的神經網絡，為整個數據孿生城市的全域感知提供了信息來源。

BIM-GIS

任何一個完整的數字孿生應用，都包含數據採集、數據融合、場景構建、應用構建四個階段，每個階段都涉及渲染引擎對數據的約束，因此對多源多解析度空間數據的解析、融合與渲染的支持，是一個合格的數字孿生渲染引擎的基礎能力。數字孿生城市的呈現，必須儘量還原真實世界如何定義三維引擎對場景的真實還原能力？對場景的真實還原能力，一直是數字孿生城市的核心述求之一。如何定義三維引擎對場景的真實還原能力，不僅僅是一個技術問題，更是一個需求定義問題。當前數字孿生城市常用的遊戲和GIS兩類引擎方案，對三維引擎場景的真實還原能力相差巨大，而對於真實還原能力的定義也存在一定的爭議。

虛擬實境和數字孿生

如圖上所示，遊戲引擎渲染的場景，一般是對三維模型精雕細琢，同時輔於豐富的光照、陰影、花草樹木等細節；而傳統的GIS引擎的渲染畫面，通常是遊戲引擎二十年前的國產遊戲畫質水平，讓人直觀的感受上無法想像具備數字孿生城市應有的科技感。

從真實還原度上看，遊戲引擎通常能夠還原視覺上的真實，然而通常忽略空間數據上的真實，手工製作的各類三維模型與真實世界有巨大差異，而且局部的花草樹木細節美化也通常是通過美術加工而脫離實際的；GIS引擎通常在數據上是精準還原了真實世界的數據抽象結果，然而在視覺上忽略了對真實世界的表達。傳統的兩類引擎方案都無法很好滿足數字孿生場景的真實還原述求。

遊戲引擎與元宇宙

一個合格的數字孿生渲染引擎，需要事先真實世界的視覺還原和數據還原度的動態合理平衡。從視覺還原度看，真實世界的構成是無窮盡的細節。一沙一世界、一頁一天堂，單單一個細胞的三維還原可能就可以耗盡當前最高檔顯卡的渲染能力，盲目追求局部的場景細節，尤其是通過手工非數據精準的還原，往往會拖累整體的信息承載能力。從數據還原度看，數字孿生渲染引擎應該具備對真實世界多源異構多尺度數據的還原能力。數字孿生渲染引擎應該具備在真實數據廣泛支持的基礎上，對真實世界的抽象化表達能力，在具備充分精確數據的情況下可以精細還原局部視覺，也可以通過抽象化支撐海量時空場景的還原。數字孿生城市應該是一項技術普惠，儘可能降低中小企業的參與門檻數字孿生城市作為一項新的技術，對於衛星遙感、GIS數據的綜合運用，快速構建大規模城市級模型的效率、細節等要求，具有很高的技術與資金投入門檻。來自眾多的系統海量數據集成整合需求，形成了很大的工程挑戰。這兩大痛點也從根本上將一些中小企業排除在了「數字孿生城市」的技術紅利之外，因此除了在一些政府重點項目中進行過嘗試之外，「數字孿生城市」目前還沒有很好的落地。

數據可視化

數字孿生城市其實是帶有強烈的數位化公共基礎設施屬性的，具有前期投入巨大，建成後可以低成本服務眾多客戶的典型公共基礎設施特徵。因此迫切需要區分「數字孿生城市」中公共數字基礎設施與個體場景的屬性區分，降低公共數字基礎設施重複建設，提高「城市基座」的利用率，在滿足重大項目的同時，讓中小企業也能很便利地滿足局部場景需求。一個合格的數字孿生渲染引擎，應該具備自帶「數字孿生資產」裝備庫和應用快速搭建能力，讓中小企業也能很快地低成本跨入「數字孿生」時代。

當前行業主流引擎方案比較盤點常見的引擎技術方案從當前主流的數字孿生產品看，主要還是GIS引擎和遊戲引擎為主，目前市場上場景的有mapbox、cesium、UE4、Unity、Ventuz等幾類。

三維渲染引擎

mapbox：極受歡迎的2.5D GIS引擎，地圖樣式功能尤其強大，GPU渲染的方案在渲染速度上遠遠甩開了leaflet等老牌對手，在mapbox衍生出了很多數字城市應用。缺點是對三維渲染的效果和自由度不是很高。cesium：二三維一體化的web GIS引擎，GIS數據支持能力異常強大，很多大廠商如超圖等也是才有cesium方案。缺點是三維視覺效果較差，開發比較複雜。UE4：目前是業內比較公認的No.1商用遊戲引擎，視覺效果非常出色。缺點是對GIS支持不佳，而且開發成本非常高。Unity：與UE4相比能輸出web適配的應用，缺點是對GIS支持不佳，而且開發成本比較高。Ventuz：是一款製作三維特效的軟體，基於該引擎的產品視效比較突出。缺點是對數據支持、交互開發等極其不友好。

智慧城市構建工具

其他還有零星使用deck.gl、threejs等渲染方案的，此類引擎通常以開源類庫提供，距離產品級方案還有太大的開發成本。主流引擎的應用比較對地理數據的支持與真實世界的還原是數字孿生城市對渲染引擎的核心述求。當前主流的數字孿生城市渲染引擎，從地理能力和視覺效果兩個維度，可以通過一個象限圖來比較。

三維維度分析

地理引擎分布在第四象限：地理支持好、視覺效果差。傳統地理引擎是一個準實時渲染系統，對於數字孿生城市應用場景體驗較差。傳統地理引擎對地理數據的解析與管理非常專業，分析能力強大。傳統地理引擎對三維場景的真實還原支持不佳。普遍缺乏良好的渲染管線、光影效果、後期系統。傳統地理引擎的三維場景還原能力，基本上還停留在二十年前的圖形學發展水平。在數據大屏等數字孿生城市常見應用場景，因為與原本應用場景差異巨大，很難滿足客戶需求。遊戲引擎與三維設計軟體分布在第二象限：地理支持差、視覺效果好。

地理引擎分布在第四象限：地理支持好、視覺效果差。

遊戲引擎的渲染效果登峰造極，目前僅次於基於物理渲染原理的離線渲染軟體，但是渲染效果好的同時也帶來了開發成本高、門檻高等缺點。地理數據的接入是遊戲引擎顯著短板；地理數據種類非常多樣，矢量數據、柵格數據、掃描數據、傾斜攝影等，不同種類的數據如何導入UE並互相配準是一個難題，一般都要先經過一個甚至多個第三方軟體的加工處理，導出為模型文件後再導入引擎，並進行手動配準地理位置，過程非常繁瑣。數字孿生業務經常有二三維一體化的全球視角可視化需求，遊戲引擎的數據精度導致了很難在真實地理尺度下面進行數據投影與配準。

數字孿生需要的引擎，應該是分布在第一象限：既能很好地支持地理數據的空間展示，又能很好地對真實世界進行還原。這就需要數字孿生引擎內建地理空間支持系統，同時提供高視效渲染管線、編輯器，以及同時支持這兩者需要的海量數據渲染能力。