利用 3D 地理空间数据实现Cesium的沉浸式环境

news2024/9/28 9:25:12

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为了将大量异构 3D 地理空间数据处理和分散到各行各业的地理空间应用程序和运行时引擎，Cesium 创建了 3D Tiles，这是一种用于高效流式传输和渲染大量异构数据集的开放标准。3D Tiles是一种可流式传输的优化格式，旨在支持最苛刻的分析和大规模模拟。

Cesium for Omniverse 是 Cesium 对 NVIDIA Omniverse 的开源扩展。它以惊人的速度和质量在全球范围内提供 3D 图块和现实世界的数字孪生。该扩展使用户能够使用通用场景描述（OpenUSD）从任何 3D 地理空间内容源快速、高精度地创建真实世界的模型。

借助 Cesium for Omniverse，您可以使用平铺管道快速启动 3D 地理空间应用程序开发，以流式传输您自己的内容。您还可以通过整合来自常用 3D 和摄影测量应用程序（如 Autodesk、Bentley 软件和 Matterport）的真实环境来增强 3D 内容。

例如，您可以将 Bentley 的铁矿石开采设施的 iTwin 模型与 Cesium 集成，以便项目规划人员在精确的地理空间环境中可视化和分析设施。借助 Cesium for Omniverse，项目规划人员可以使用设施的数字孪生与当地公用事业、工程师和居民共享计划和潜在影响，同时考虑特定于位置的详细信息，例如天气和照明。

铁矿石开采设施的数字孪生模型，在铯中为全宇宙建模，具有精确的地理空间背景。

图1.Bentley 南非铁矿石开采设施的 iTwin 模型在其精确的地理空间环境中可视化

该扩展程序最有趣的功能之一是准确、全尺寸的 WGS84 虚拟地球仪，具有实时光线追踪和 AI 驱动的 3D 地理空间工作流程分析功能。开发人员可以创建与地球的交互式应用程序，以共享动态地理空间数据。

OpenUSD 3D 瓷砖的新机遇

正如 Cesium 通过与 3D Tiles 的开放性和互操作性来构建 3D 地理空间生态系统一样，NVIDIA 正在实现基于 OpenUSD 的开放和协作的工业元宇宙。OpenUSD 最初由皮克斯开发，是一个开放且可扩展的生态系统，用于在 3D 世界中描述、合成、模拟和协作。

通过将 3D Tiles 连接到 OpenUSD 生态系统，Cesium 为定制 3D Tiles 并将其集成到由全球各行各业的开发人员构建的元界应用程序中开辟了新的可能性。例如，流行的 AECO 工具可以利用 OpenUSD 添加由 Cesium 流式传输的 3D 地理空间上下文，以实现强大的工作流程。

为了进一步与美元互操作，Cesium 的开发人员创建了一个以美元为单位的自定义模式，以支持其全尺寸虚拟地球仪（图 2）。

Cesium的虚拟地球是基于世界大地测量系统 1984 （WGS84）坐标系的地球表面的数字表示。它涵盖了地球的地形、海洋和大气，使用户能够以高精度和真实感探索和可视化地理空间数据和模型。

创建全尺寸虚拟地球仪

铯在全宇宙中的全尺寸虚拟地球仪。

图2.Cesium全尺寸WGS84虚拟地球仪

Cesium 3D 工程和生态系统总监 Shehzan Mohammed 表示：“利用 USD 与 3D Tiles 和 glTF 的互操作性，我们创建了额外的工作流程，例如将内容从 Bentley 的 LumenRT for Omniverse、Trimble Sketchup、Autodesk Revit、Autodesk 3ds Max 和 Esri ArcGIS CityEngine 导入到 NVIDIA Omniverse 中，在精确的 3D 地理空间环境中。

在 Omniverse 中，地球的所有信息（例如切片集、影像图层和地理配准数据）都以美元存储。USD 是虚拟世界的高度可扩展和强大的交换。USD的一个关键功能是自定义架构，您可以使用它为复杂和精密的虚拟世界用例扩展数据。

Cesium的团队开发了一个自定义模式，为虚拟地球的关键元素定义了特定的类。架构的C++层使用 OpenUSD TfNote 系统主动监控状态更改，确保在必要时及时更新图块集。Cesium原生用于高效的磁贴流。Omniverse 的较低级别的 Fabric API 用于磁贴渲染，确保最佳性能和高质量的地球可视化表示。

其结果是一个强大而精确的WGS84虚拟地球仪，创建并无缝集成到USD框架内。

开发扩展

为了开发Omniverse的扩展，Cesium的开发人员利用Omniverse Kit，一个低代码工具包来帮助开发人员开始构建工具。Omniverse 工具包在 Omniverse 中提供了示例应用程序、模板和常用组件，它们充当强大应用程序的构建块。

Omniverse Kit同时支持Python和C++。扩展的代码主要用 Python 编写，而磁贴流代码是用 C++ 实现的。Python 代码和 C++ 代码之间的通信尽可能使用 PyBind11 绑定和 Carbonite 插件的组合。

全宇宙中铯离子扩展的用户界面截图

图3.全宇宙中的Cesium离子延伸

在项目的初始阶段，团队严重依赖作为参考。在熟悉了该平台后，他们开始利用 Omniverse Kit 的高度模块化设计，并开发了自己的 Kit 应用程序来促进开发过程。此应用程序充当了整个 Cesium 团队的通用开发环境，他们可以在其中建立自己的默认设置并轻松启用常用扩展。kit-extension-template-cpp

Cesium 使用了许多现有的 Omniverse Kit 扩展，例如和，并创建了自己的扩展来简化任务执行。例如，他们的扩展Cesium电动工具具有更高级的开发人员工具，例如地理空间坐标转换以及将太阳研究与场景的地理配准信息同步。他们计划在未来开发更多这样的扩展，因为他们与Omniverse一起扩展。omni.example.uiomni.kit.debug.vscode

高性能流媒体

维护 3D Tile 和全球内容的高性能流式处理对于 Cesium 的街道级到全球规模的工作负载来说可能是一个挑战。为了解决这个问题，他们的团队依靠 Omniverse Fabric API，该 API 支持高性能创建、修改和访问场景数据。结构在实现 Cesium 的最佳性能水平、提高加载速度、运行时性能、模拟性能和 GPU 上数据的可用性方面发挥着至关重要的作用。

墨尔本市政厅的街道视图，由超过 500，000 个单独的网格渲染而成。图片由Aerometrex提供。