在不少人眼里，數(shù)字孿生可能象征著購(gòu)物時(shí)的一件衣服，飲茶時(shí)的一個(gè)杯子，但數(shù)字孿生的對(duì)象遠(yuǎn)不止這些，甚至可以大到一個(gè)工廠乃至整個(gè)地球。去年GTC21上，英偉達(dá)就宣布通過(guò)基于物理ML模型的Modulus框架和Omniverse平臺(tái)，打造地球的數(shù)字孿生。為了打造如此龐大的數(shù)字孿生，英偉達(dá)甚至搭建了一臺(tái)AI超級(jí)計(jì)算器Earth-2。

由小及大的數(shù)字孿生

打造地球數(shù)字孿生的目的很明顯，那就是通過(guò)數(shù)字孿生來(lái)研究氣象科學(xué)。去年極端的氣候?qū)θ?a target="_blank">半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)造成了極其嚴(yán)重的影響，惡劣天氣的仿真與預(yù)測(cè)可以有效減免這一非人為阻礙的影響。目前AI計(jì)算已經(jīng)帶來(lái)了成百上千倍的算力增長(zhǎng)，但對(duì)氣象科學(xué)而言，要想縮短計(jì)算時(shí)間，尤其是開(kāi)始發(fā)展深度學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)的前提下，所需算力還要實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)級(jí)的攀升，這也是為何打造數(shù)字孿生地球需要超算系統(tǒng)的原因。

導(dǎo)入數(shù)據(jù)后對(duì)臺(tái)風(fēng)山竹的四天前預(yù)測(cè) / 英偉達(dá)

另外地球數(shù)字孿生可以隨著系統(tǒng)的擴(kuò)展而進(jìn)一步提升，目前128個(gè)GPU的系統(tǒng)下需要16小時(shí)的訓(xùn)練時(shí)間，就能在0.25秒內(nèi)做出7天的天氣預(yù)測(cè)，但輸入系統(tǒng)的精度還不算高，只能做到30km的空間分辨率。英偉達(dá)計(jì)劃將其擴(kuò)展到16384個(gè)GPU，并接收5km精度的數(shù)據(jù)，這樣200小時(shí)的訓(xùn)練時(shí)間，也只需4秒就能做出7天預(yù)測(cè)。

這種數(shù)字孿生地球是可以交互的，可以預(yù)測(cè)、具象化、監(jiān)測(cè)和追蹤極端天氣，并可通過(guò)優(yōu)化做到更長(zhǎng)的預(yù)測(cè)周期，不僅是對(duì)天氣進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，而是對(duì)全球氣候進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。此類(lèi)數(shù)字孿生對(duì)于經(jīng)歷極端氣候較多的國(guó)家來(lái)說(shuō)可以起到一定的預(yù)防作用，比如日本就把數(shù)字孿生技術(shù)加入了其“社會(huì)5.0”戰(zhàn)略?xún)?nèi)，在AI時(shí)代下，對(duì)于自然風(fēng)險(xiǎn)的無(wú)知不再是一種可選項(xiàng)。

文化數(shù)字孿生

數(shù)字孿生的應(yīng)用并不僅限于解決當(dāng)下的挑戰(zhàn)，也能做好文化的保留與保護(hù)。在疫情期間，不少博物館都處于關(guān)閉狀態(tài)，有的博物館開(kāi)始掃描實(shí)體展物，制作出孿生的數(shù)字藏品，這樣參觀者足不出戶也能從各個(gè)角度細(xì)細(xì)欣賞。這類(lèi)數(shù)字孿生已經(jīng)有著比較完備的流程，所需步驟并不繁雜，也可以說(shuō)是目前商用程度最高的數(shù)字孿生應(yīng)用之一。

但數(shù)字孿生應(yīng)用不僅是對(duì)現(xiàn)有事物的復(fù)刻，也可以用于過(guò)去事物的保留。比如去年XR內(nèi)容分發(fā)公司位形空間就就對(duì)深圳最大的城中村白石洲，進(jìn)行了拆遷改造前的數(shù)字孿生。這種數(shù)字孿生應(yīng)用對(duì)于城市的改建規(guī)劃起到很好的參考作用，同時(shí)又能保留城市的文化舊貌。比如古建筑、老城區(qū)等等。

對(duì)3D建模提出的更高挑戰(zhàn)

目前看來(lái)，數(shù)字孿生最難的一環(huán)還是建模，上文提到的英偉達(dá)Omniverse只解決了物理準(zhǔn)確的問(wèn)題，但這些USD還是需要設(shè)計(jì)師、創(chuàng)作者和工程師自己搭建的。不僅如此，在解決現(xiàn)實(shí)世界問(wèn)題時(shí)，數(shù)字孿生不再滿足于對(duì)虛擬情景的仿真，更關(guān)注于對(duì)真實(shí)世界對(duì)象的復(fù)制。比如自動(dòng)駕駛、數(shù)字工廠等應(yīng)用，都需要對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的真實(shí)仿真，但3D建模的復(fù)雜程度限制了行業(yè)應(yīng)用對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的普及，因?yàn)檫@涉及到了招募專(zhuān)業(yè)的3D建模人才，像利用英偉達(dá)Omniverse平臺(tái)制作數(shù)字孿生工廠的寶馬，耗時(shí)耗力的制作過(guò)程就花了2.5個(gè)月。

但要想實(shí)現(xiàn)元宇宙的愿景，非專(zhuān)業(yè)用戶也必須參與到創(chuàng)作中來(lái)，而他們參與3D建模的方式就是通過(guò)3D掃描。3D掃描的設(shè)備的定位從入門(mén)到專(zhuān)業(yè)，產(chǎn)品形態(tài)覆蓋手機(jī)到3D掃描儀。近日，被Epic收購(gòu)的CapturingReality推出了手機(jī)3D掃描的App，RealityScan。利用這一App，用戶只需對(duì)對(duì)象物體進(jìn)行多角度圖片拍攝，就可以借助其軟件創(chuàng)造出數(shù)字孿生模型，并導(dǎo)入到其他AR、VR和3D內(nèi)容平臺(tái)。

不過(guò)這一App目前只提供iOS版，安卓版將在今年晚些時(shí)候才會(huì)推出。這可能是因?yàn)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/4103/" target="_blank">iPhone的攝影系統(tǒng)比較統(tǒng)一，更容易完成適配，而安卓手機(jī)所用傳感器型號(hào)、精度不一。但簡(jiǎn)單歸簡(jiǎn)單，這種3D掃描方式還是存在少數(shù)缺陷，比如手機(jī)傳感器精度不高，需要較嚴(yán)格的角度和光照條件等，以及成熟的3D重構(gòu)技術(shù)，拍攝張數(shù)的要求也比較高，最終還是要云端進(jìn)行處理。

要想追求更高的精度還是需要用到3D掃描儀，但即便是3D掃描儀，在大型數(shù)字孿生的構(gòu)建中還是有些使不上力，比如上述提到對(duì)一整個(gè)城中村的復(fù)刻，為了追求效率還是會(huì)用到無(wú)人機(jī)等設(shè)備。顯而易見(jiàn)的是，物理準(zhǔn)確的挑戰(zhàn)基本已經(jīng)獲得了解決，但建模上還是需要在工具、傳感器上的做出突破。