NVIDIA Omniverse 將為全新 OpenPBR 材質(zhì)模型提供原生支持

NVIDIA 與 OpenUSD 聯(lián)盟（AOUSD）早前共同宣布成立 OpenUSD 聯(lián)盟材質(zhì)工作組，推動(dòng)通用場(chǎng)景描述（OpenUSD）格式材質(zhì)交換的標(biāo)準(zhǔn)化。作為用于在 3D 世界內(nèi)進(jìn)行描述、組合、模擬和協(xié)作的可擴(kuò)展框架和生態(tài)系統(tǒng)，OpenUSD 使開發(fā)者能夠構(gòu)建可互操作的 3D 工作流，開啟了工業(yè)數(shù)字化的新時(shí)代。

此外，NVIDIA Omniverse 還將為全新 OpenPBR 材質(zhì)模型提供原生支持，該模型是一個(gè)由 Adobe 和 Autodesk 共同開發(fā)的基于 MaterialX 的 uber-shader 模型。該集成將為用戶提供可在各種應(yīng)用中使用的統(tǒng)一材質(zhì)界面。

標(biāo)準(zhǔn)化材質(zhì)交換

建立 OpenUSD 聯(lián)盟材質(zhì)工作組的初衷是為了定義 OpenUSD 中的材質(zhì)表示策略。該工作組的首要任務(wù)是利用 UsdShade 中的 OpenUSD 標(biāo)準(zhǔn)化 MaterialX 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)。

任何符合標(biāo)準(zhǔn)的 OpenUSD 實(shí)現(xiàn)都可以訪問一套通用的標(biāo)準(zhǔn)化著色器節(jié)點(diǎn)，無需依賴特定的著色器后端就能構(gòu)建可跨渲染器工作的材質(zhì)。需要長(zhǎng)期穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)定義的行業(yè)將受益于這一更新。開發(fā)者可以使用這些 OpenUSD 材質(zhì)，并確信它們會(huì)在當(dāng)前和未來的生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮作用。

什么是著色器，它為什么重要？

我們使用著色器來描述計(jì)算機(jī)圖形中的材質(zhì)。著色器是一種由渲染器運(yùn)行的程序，用于構(gòu)建材質(zhì)定義。著色器必須告訴渲染器材質(zhì)的結(jié)構(gòu)，查看構(gòu)成其表面外觀各層的雙向散射分布函數(shù)（BSDF）以及光線如何在它們之間傳輸，然后描述如何在物體表面修改雙向散射分布函數(shù)，通常的方式是通過讀取和組合紋理來改變表面外觀。

編寫這些程序的語(yǔ)言有很多種，不同的渲染器對(duì)它們的支持也各不相同。例如許多離線渲染器可以直接使用 C++ 編寫著色器并與它們的 API 相兼容，這意味著它們無法與其他渲染器互操作。

在實(shí)時(shí)應(yīng)用中，著色器通常使用 GLSL 或 HLSL 編寫。GLSL 和 HLSL 不止是能夠描述材質(zhì)，比如在 Vulkan 和 DirectX 中運(yùn)行計(jì)算工作負(fù)載等。GLSL 和 HLSL 是低級(jí)著色語(yǔ)言的例子，用戶必須直接用這種語(yǔ)言來編寫材質(zhì)的組成 BSDF。

NVIDIA 材質(zhì)定義語(yǔ)言（MDL）則是一種高級(jí)著色語(yǔ)言。MDL 將 BSDF 作為 Closure 提供給用戶，由用戶描述如何組合和改變 BSDF 以生成所需的外觀。

MDL 負(fù)責(zé)將高級(jí)定義轉(zhuǎn)換為底層著色代碼，以 HLSL、PTX、C++ 或其他語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)該材質(zhì)。然后，渲染器直接使用生成的代碼評(píng)估材質(zhì)的外觀。相同的材質(zhì)定義可以在不同硬件平臺(tái)的渲染器上使用，并同時(shí)保持相同的外觀。

以這種方式描述的材質(zhì)可以編寫成單一的著色器，但用戶更常用 shader graph 來編寫材質(zhì)。借助 Shader graph，用戶能夠通過在圖形編輯器中插入著色器節(jié)點(diǎn)（shader node）來創(chuàng)建新的材質(zhì)。著色器節(jié)點(diǎn)通常映射到底層著色語(yǔ)言中的單個(gè)函數(shù)。

圖 1. 由 Omniverse 材質(zhì)編輯器擴(kuò)展中的連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)建而成的 UsdShade 圖形

通過使用 OpenUSD 的 UsdShade 基元作為節(jié)點(diǎn)，直接將材質(zhì)描述為 shader graph。節(jié)點(diǎn)的表示方法未指定。用戶必須為每個(gè)著色器提供一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式，以確保它能與計(jì)劃使用的應(yīng)用程序一起打開 USD 圖層。OpenUSD 支持在不同應(yīng)用之間交換 3D 場(chǎng)景。為此，通用的材質(zhì)描述是必須的。

使用 MaterialX 將材質(zhì)描述為 shader graph

MaterialX 由學(xué)院軟件基金會(huì)（ASWF）托管，是一種獨(dú)立于渲染器的開源文件格式和庫(kù)，其用途是將材質(zhì)描述為 shader graph。它在標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中定義了一組通用節(jié)點(diǎn)。還描述了如何將節(jié)點(diǎn)連接成圖。MaterialX 可以表示為帶有自定義模式（.mtlx格式）的 XML 文檔，也可以直接在 OpenUSD 中表示為 UsdShade 節(jié)點(diǎn)圖。

MaterialX 使用可插拔的后端來生成可執(zhí)行代碼，其中最完整的是 MDL。當(dāng)渲染器通過 OpenUSD 加載 MaterialX 材質(zhì)時(shí)，它會(huì)請(qǐng)求后端生成代碼。然后，后端為目標(biāo)平臺(tái)生成底層代碼，渲染器可以執(zhí)行這些代碼來評(píng)估材質(zhì)。

OpenUSD、MaterialX 和 MDL 在高級(jí)描述中創(chuàng)建材質(zhì)，這些材質(zhì)可在任何目標(biāo)平臺(tái)上任何支持的渲染器之間共享，因此確保了視覺外觀的一致性。

圖 2. MaterialX 如何使用 MDL 后端為不同平臺(tái)生成代碼的示意圖

Omniverse 通過 MDL 后端原生支持 MaterialX，并可直接加載為 UsdShade 圖形，或者通過將 .mtlx 文檔引用到 OpenUSD 圖層中。

MaterialX 圖形可以任意大小且復(fù)雜，在極端情況下可能不適合實(shí)時(shí)使用。NVIDIA Omniverse RTX 渲染器使用 MDL distilling technology 將任意復(fù)雜的材質(zhì)轉(zhuǎn)換成緊湊的材質(zhì)表示方式，在保證最佳實(shí)時(shí)性能的同時(shí)保留材質(zhì)外觀。

OpenPBR：可在 Omniverse 和 MaterialX 中使用的 uber-shader

材質(zhì)圖形為用戶提供了創(chuàng)建各種材質(zhì)的最大靈活性。但在復(fù)雜的工作流中，往往更傾向于使用一個(gè)統(tǒng)治全局的材質(zhì)定義，即“uber-shader”。這種著色器可以直接使用，比如用于掃描的 PBR 紋理數(shù)據(jù)，也可以作為在 shader graph 中進(jìn)行進(jìn)一步自定義的基礎(chǔ)，省去了用戶從頭開始構(gòu)建整個(gè)材質(zhì)的麻煩。

去年，ASFA、Autodesk 和 Adobe 宣布推出新 uber-shader 模型 OpenPBR，并將其作為 MaterialX 內(nèi)的開放規(guī)范和參考實(shí)現(xiàn)進(jìn)行開發(fā)。NVIDIA Omniverse 團(tuán)隊(duì)正與 OpenPBR 工作組合作，完善新的著色模型，并在發(fā)布首個(gè)著色模型生產(chǎn)版本后在 Omniverse 中提供 OpenPBR 實(shí)現(xiàn)。

Omniverse 還將擁有一個(gè)新的 OpenPBR 材質(zhì)庫(kù)。開發(fā)者可以在任何 OpenUSD 階段使用這些以 OpenUSD 和 MaterialX 形式提供的材質(zhì)。該材質(zhì)庫(kù)提供了一個(gè)隨時(shí)可用、物理精確的材質(zhì)庫(kù)，可加速可視化應(yīng)用的構(gòu)建。

開始使用材質(zhì)交換

了解各種技術(shù)及其相互聯(lián)系對(duì)于使用計(jì)算機(jī)圖形處理材質(zhì)的開發(fā)者和內(nèi)容創(chuàng)作者至關(guān)重要。OpenUSD 與 MaterialX 和 MDL 提供了一種解決方案，可實(shí)現(xiàn)材質(zhì)在不同應(yīng)用程序和渲染器之間的無縫交換，從而實(shí)現(xiàn)材質(zhì)共享。

在 Omniverse 的支持和 OpenUSD 聯(lián)盟材質(zhì)工作組的不懈努力下，無縫交換、完整且物理精確的材質(zhì)描述將成為現(xiàn)實(shí)。

未來，該工作組將致力于在 OpenUSD 中添加完整的物理材質(zhì)定義，包括激光雷達(dá)、聲學(xué)和熱學(xué)特性等非可視數(shù)據(jù)。他們還將探索神經(jīng)材質(zhì)等新的材質(zhì)描述，并努力實(shí)現(xiàn) OpenUSD 材質(zhì)與 glTF 等其他系統(tǒng)之間的交換。

審核編輯：彭菁