皮克斯的USD是啥？如何产生的，USD流程和各软件的兼容度如何

文章获授权转自公众号@CG世界，原文标题：皮克斯的USD是啥？优势在哪里？

皮克斯的开源通用场景描述（Universal Scene Description，简称USD）不仅为他们工作流程的核心，还为其他VFX和动画工作室的流程提供了一种允许3D数据在不同数字内容创建应用之间互换通用的方式。

皮克斯迄今为止最为复杂的动画电影《玩具总动员4》构建了一个拥有超过1万亿个多边形的世界，它的成功得益于不断进步的渲染创新和数据管理，特别是USD，将皮克斯具有悠久历史的跨部门协作标准流程，演变成了符合当代制作要求的新型资产流程工具。

前两天刚刚发布的RenderMan23.0版本实现了对USD的高度支持，Houdini18的Solaris工具集将USD作为其可支持的基础数据，Maya和Katana等其他我们经常使用的工具也都表现出了对USD的包容。

USD是如何产生的？

在制作CG电影/游戏的流程中通常会生成、存储和传输大量3D数据，我们管这些数据叫“场景描述”。流程中的协作应用（例如建模、着色、动画、灯光、特效和渲染）都有专属的场景描述，分别适用于特定的需求和工作流程，其他应用不可读也不可编辑，想想都觉得很麻烦。

所以USD就是在这种麻烦状况下应运而生的第一个开源软件。简单来说，它是一款强大而又简洁的交换格式，能够对各部门工作做出描述，又不会影响工作，涉及模型、动画、材质、灯光、相机以及制作环境中其他必备环节。USD增强了很多部门协作过程中的可预测性，艺术家可以把更多的精力专注于内容创作，不必再费心考虑数据管理的问题。 下面咱们来了解一下USD流程到底是怎样的。

Staging & Layout

对于皮克斯来说，USD流程正在改变着他们创建全新世界的方式。凭借这种高效的通用描述格式，艺术家们可以创建并实现更为复杂的制作效果，要是利用原始技术来完成的话，可能需要花费很长的时间。

艺术家通过USD流程中后端与前端的成像框架“Hydra”可以快速地预览到自己的作品，同时添加纹理、材质和灯光的OpenGL近似值。这样可以使艺术家们在制作初期就能感受到影片的美感，简化制作后期传统意义上的审批流程，对多部门协作产生积极影响。

USD的分层系统在处理数据时和Photoshop非常类似，有一系列可以单独折叠的操作，无论打开或是关闭都不会影响到其他数据，艺术家如果想在创建场景Layout时查看主灯光效果，只需要打开图层就可以了。

Assets & Shading

在《玩具总动员4》中，皮克斯为每种资产创建了多个变体，正是因为USD中的“Variant”系统，RenderMan才能够顺利调用特定资产那些形状、着色和纹理都各有差异的不同版本。

也就是说，在这套“Variant”系统中，对资产的阴影和纹理做出任何细微改变，都不会影响到已经加载完毕的几何图形。资源管理更有效，而且利用少量的物体能创建出更丰富的资产。 比如艺术家此时正在制作某个镜头，艺术指导要更改画面的主要颜色，该怎么处理呢？只需浏览特定资产的可用变体，选择不同颜色的资产来匹配镜头氛围就可以了，完全不用修改整个序列，也不会对其他艺术家的工作产生任何影响。 USD包含材质定义功能，艺术家可以将皮克斯专有的着色工具和Mari等常用的纹理软件结合到一起使用。目前皮克斯内部使用的着色系统和市面上使用的工具略有不同，于是RenderMan先行一步发布了适用于Pixar Surface Material的Mari近似工具，为艺术家的纹理工作提供了更高质量的着色效果。

 为了让艺术家轻松地管理资产，皮克斯还开发了内部工具来处理USD和其他方式的转换及跟踪流程，并依靠独立且具有一致性的USD API和Scenegrah创建了可预测和访问外部流程的工具以及读取、写入、编辑场景数据的工具集。

Animation

大家应该有听过皮克斯内部的动画软件Presto吧，它的设计理念经过精炼和提取之后最终形成了USD。Presto参与制作的第一部长篇作品就是2012年的《勇敢传说》，其中涉及到了皮克斯开源计划的一部分，包括用于高性能细分表面评估的OpenSubdiv、用于编辑剪辑时间线信息的OpenTimelineIO、OpenUSD和其他可供公众使用的研究项目。

USD最强大的功能之一就是能加载复杂的数据集，传输时占用的内存较小，这意味着动画师会得到更多控制权。举个栗子，角色艺术家可以实时处理并预览头发效果，使其以更精准的方式呈现角色表演，而且可以加速版本迭代的过程，制作更为精细的镜头和序列。

群集制作部门也可以在这套流程的帮助下，轻松实现庞大数据集的可视化并用简洁版本的文件进行制作，借助USD快速缓存系统的优势进行实时播放，然后再修改“Schemas”（schemas是USD快速改变场景的核心方法）回到制作资产。

Lighting

 USD的一个非常关键部分是它能在视窗中的渲染代理之间进行动态切换（比如在OpenGL和RenderMan之间切换），这意味着艺术家在早期制作阶段能接近最佳灯光效果，加上摄影师和导演更加准确的反馈，艺术家就能专心发挥创意，不必担心自己镜头的基本色彩与Layout部门提供的效果之间存在差异了。

Rendering

 在进行色彩&时间校正和剪辑之前，最终渲染往往意味着流程中的最后一步，凭借USD和Hydra的精巧性，RenderMan可以提前渲染像素，帮助各部门获取更好的视觉效果。那么有多少部门会与USD和RenderMan打交道呢？ 

如果能保证制作过程中的画面拥有较高保真度，艺术家就可以实时预览最终渲染的复杂效果（例如景深、运动模糊和阴影等）。皮克斯始终坚持像素尽可能完整，避免不必要的像素过滤以及后续图像质量下降的可能，因此近似渲染效果是非常基础的功能，对于立体部门来说尤其重要。（转者注：使用Renderbus云渲染可以大大缩短3D渲染时长）

USD发行版中提供了USDView之类的工具，这个工具可以加载任何类型的USD文件，ascii（usda）、binary（usd）, 或是archive（usdz）都可以。艺术家可以将渲染代理切换到RenderMan，查看镜头或是资产的灯光效果。 

所有这些协作式的工作流程都极大地提高了画面最终效果，为艺术家们提供了更好的创作环境，使反馈更加精准，更富有成效。

USD有不完善的地方吗？

说了半天USD的优势，那它目前还有不完善的地方吗？当然。 首先，USD没有GUIDS（全局唯一标识符）。USD使用的是文本&分层的命名空间来标识其数据，这就意味着它是“命名空间路径”，需要通过名称覆盖将其绑定到意义原语/属性上。

因此当引用资产的内部名称空间发生更改时，先前记录在引用资产中的更高级别的覆盖将消失，解决这个问题的一种方法是通过GUIDS来识别数据，然后将覆盖与作为定义原语的相同GUIDS相关联。在解决名称空间编辑的问题时，GUIDS会将其他问题引入到流程中，并有可能限制组合的灵活性。因此没有出现GUIDS。

其次，USD不是执行或操作系统。USD提供了一个轻量级且优化后的场景图，方便创建和高效地提取合成场景描述。场景图占用空间较低，适合名称空间层次结构和属性值解析、低延迟数据访问，而高性能执行引擎则需要高内存占用空间和低延迟数据访问。

各个软件对USD流程的兼容度如何？

Houdini  

为了兼容USD格式，RenderMan发布了适用于USD Hydra的图像处理插件hdPrman，同时支持Houdini18及其用于外观开发（look-dev）的Solaris工具集，该工具集是完全基于USD搭建的。 

Maya  

USD开源计划使得皮克斯技术多年以来一直影响着VFX和动画电影行业，例如LumaPictures和Animal Logic这两家工作室不仅接纳了USD，还提出了很多受益于用户的重要反馈和开发资源。Maya很快会推出这些插件资源，来进一步完善USD生态系统。 

Katana  

Foundry一直致力于支持和创建完善的工作流程，在即将推出的Katana新版本中，USD工具集的可扩展性会与其很好的匹配到一起。

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