摘要

建模引擎是三維圖形開發(fā)領域的基礎“中間件”。建模引擎是基于算法及圖形庫的三維圖形開發(fā)環(huán)境，為數(shù)字建模提供所需的幾何建模、圖形渲染以及仿真計算能力。在實際的應用中，建模引擎處于底層硬件算力資源以及上層應用之間的中間層，其負責通過3D圖形API調用底層算力資源，實現(xiàn)數(shù)字建模對象的造型呈現(xiàn)，演化出在泛工業(yè)、泛娛樂場景的豐富應用。

幾何建模：泛工業(yè)應用為先，通往正向設計的“階梯”。幾何建模技術實現(xiàn)物體模型在計算機中的數(shù)學表述，通用的建模方法包括直接建模、參數(shù)化建模等。在泛工業(yè)應用中，建模的目的是要進入到生產(chǎn)環(huán)節(jié)制造出產(chǎn)品實體，因此其對于幾何建模的可靠性、穩(wěn)定性具有較高的要求。幾何建模內核主要以CAX產(chǎn)品的方式實現(xiàn)商業(yè)化，其也是CAX軟件的核心組件，在眾多海外工業(yè)軟件巨頭之外，部分國產(chǎn)廠商也具有自主幾何建模內核能力。

圖形渲染：泛娛樂應用為重，構建虛擬世界的“畫筆”。圖形渲染技術實現(xiàn)建模對象在虛擬環(huán)境中的三維視覺效果呈現(xiàn)，通用的圖形渲染方法包括光柵化、光線追蹤等。在泛娛樂場景建模應用中，其所更關注的是最終所能呈現(xiàn)出的材質、光影、軌跡等視覺效果的逼真性，因此在其中圖形渲染的能力更為重要。游戲引擎是數(shù)字建模技術在泛娛樂領域較為成功的商業(yè)化應用，以Unity、Unreal為代表的頭部商業(yè)化引擎為全球游戲開發(fā)者提供成熟的創(chuàng)作工具，促進了全球游戲產(chǎn)業(yè)的工業(yè)化進程與持續(xù)性繁榮。

未來趨勢：泛工業(yè)與泛娛樂應用交融，技術演進與應用探索并進。近年來數(shù)字建模應用場景的邊界正在日益拓寬，Autodesk、Unity等產(chǎn)業(yè)玩家也在嘗試進行多領域建模應用的交融探索。而隨著AI、云計算等新興技術在數(shù)字建模領域的應用，數(shù)字建模的質量和精度也在進一步提升，云端建模、實時渲染等技術也在逐步成熟。展望未來，我們期待數(shù)字建模引擎進一步的發(fā)展，為元宇宙的“搭建”提供更具可行性和實用性的解決方案。

風險

產(chǎn)業(yè)技術迭代速度不及預期；下游應用落地進度不及預期。

正文

建模引擎：三維圖形開發(fā)中間件，元宇宙的基礎設施

建模引擎是構建虛擬數(shù)字世界的重要基礎設施。建模引擎負責在虛擬世界中構造描述建模對象的幾何與物理屬性，為三維數(shù)字對象的建模提供基本的開發(fā)環(huán)境，并使得其能夠在計算機虛擬環(huán)境中得到展示呈現(xiàn)。從上世紀70年代出現(xiàn)以來，計算機圖形學以及幾何圖形建模技術已經(jīng)發(fā)展了近50年，建模引擎的應用領域已經(jīng)覆蓋了工業(yè)建模、建筑建模、游戲建模、動畫建模等豐富的場景。放眼未來，元宇宙、數(shù)字孿生等新興概念的實現(xiàn)也都離不開建模引擎進一步的技術進步與應用落地，可以說建模引擎技術是構建虛擬世界，實現(xiàn)元宇宙的重要基礎根技術。

圖表：建模引擎是構建虛擬數(shù)字世界的基礎根技術，在多個領域應用落地

資料來源：Unity、中望軟件、粒界科技、Cocos等公司官網(wǎng)，中金公司研究部

如何構建一個數(shù)字對象？建模、渲染、仿真為基本的三步。首先需要建立對象基本的幾何和拓撲結構，創(chuàng)建點、線、面之間的基本框架；其次是要在幾何模型框架的基礎上進行著色渲染，使得模型能夠呈現(xiàn)出在視點、光線、運動軌跡等因素作用下的視覺畫面；最后再根據(jù)各類場景的需要進行模擬仿真，使得建模對象能夠呈現(xiàn)和現(xiàn)實世界相一致的物理屬性。而在實際的設計場景中，建模設計人員所關注的更多是在對象設計本身，其所需要的是一個標準、易用的三維圖形開發(fā)環(huán)境，為其提供底層的建模、渲染以及仿真能力，而這便是所謂的建模引擎。

建模引擎提供標準的三維圖形開發(fā)環(huán)境，協(xié)助用戶實現(xiàn)數(shù)字對象的創(chuàng)建及編輯。建模引擎本質上就是基于算法及圖形庫的三維圖形開發(fā)環(huán)境，對應上述的三大建模步驟，其內部又可拆解為幾何建模、圖形渲染、仿真計算三大引擎模型。

?幾何建模：負責以點、線、面為基本的操作單元，創(chuàng)建和編輯曲線、曲面、實體以及相比之間的幾何關系、拓撲關系，其本質上是一個用C語言編寫的數(shù)學幾何關系算法庫。幾何引擎以微分幾何學及計算數(shù)學為理論基礎，從基本數(shù)學出發(fā)，最終輸出基于數(shù)值模型的幾何形狀面數(shù)。目前行業(yè)中主流的幾何引擎包括Parasolid、ACIS、OpenCascade等。幾何建模技術賦予建模對象以基本的幾何數(shù)據(jù)結構。

?圖形渲染：調用底層硬件算力資源（GPU/CPU），對三維線框造型進行著色渲染，使得建模對象能夠人機交互界面中呈現(xiàn)出在視點、光線、運動軌跡等因素作用下的視覺畫面，表現(xiàn)出類似于真實世界的材質與光影效果。圖形渲染技術的理論基礎為計算機圖形學，目前行業(yè)中主流的渲染引擎包括V-Ray、Iray等。圖形渲染技術使得建模對象能夠在計算機圖形界面中呈現(xiàn)出三維視覺效果。

?仿真計算：負責對對象的物理屬性進行仿真分析和數(shù)值計算，其本質上是采用有限元計算方法的仿真求解器。仿真引擎對建模對象進行不同方向的仿真分析（結構、流體、熱、電磁），使其能夠表現(xiàn)出與近似于真實世界的物理屬性。目前行業(yè)中主流的工業(yè)級仿真求解器主要包括Ansys、Simulia等，而游戲領域中游戲引擎內置的物理引擎、聲音引擎均可歸類為仿真引擎。仿真計算技術幫助建模對象模擬出真實世界中應具備的物理特征。

圖表：廣義的建模引擎涵蓋幾何建模、圖形渲染、仿真計算的范疇，支撐泛工業(yè)及泛娛樂場景應用

資料來源：各公司官網(wǎng)，中金公司研究部

建模引擎是三維圖形開發(fā)領域的“中間件”，支撐起豐富的泛工業(yè)、泛娛樂場景應用。在實際的應用中，建模引擎處于底層硬件算力資源以及上層應用之間的中間層，其負責通過3D圖形API調用底層算力資源，實現(xiàn)對象的造型建模、圖形建模、仿真計算，演化出在泛工業(yè)（制造、建筑、特種應用、智慧城市等）、泛娛樂（游戲、影視、動畫等）場景的豐富應用。

圖表：建模引擎是三維圖形開發(fā)領域的“中間件”

資料來源：中金公司研究部

建模對象的“虛實之分”是泛工業(yè)與泛娛樂領域各自建模偏重的本質區(qū)別。在泛工業(yè)場景應用中，建模的最終目的是要進入到生產(chǎn)環(huán)節(jié)制造出產(chǎn)品實體，因此其對于底層幾何建模及仿真引擎的可靠性、嚴謹性、穩(wěn)定性具有更高的要求，目標是讓最終輸出的三維模型與現(xiàn)實世界的數(shù)學與物理規(guī)則盡可能地貼合，追求“設計即可用”；在泛娛樂場景應用中，建模完成后并不需要轉化生產(chǎn)為物理世界中的實體，而會更為注重建模呈現(xiàn)出視覺效果的美觀度與逼真性。在下文中，我們會對這兩大建模引擎的應用方向分別進行詳細的分析討論。

幾何建模：泛工業(yè)應用為先，通往正向設計的“階梯”

幾何建模技術：構建造型對象的幾何與拓撲關系

幾何建模技術實現(xiàn)物體模型在計算機中的數(shù)學表述。幾何建模造型技術最早出現(xiàn)于上世紀60-70年代，其通過點、線、面、體等基本幾何對象的數(shù)學描述，經(jīng)過平移、旋轉、變比等幾何變換以及并、交、差等幾何布爾運算，產(chǎn)生實際或者虛擬的幾何模型。實際上幾何建模技術的本質就是要在計算機內部構建并抽象化出造型對象的幾何屬性（形狀、大小、位置）與拓撲屬性（點、線、面之間的連接關系）所相對應的數(shù)據(jù)模型。

圖表：三種傳統(tǒng)直接建模方法——線框建模、表面建模、實體建模

資料來源：中金公司研究部

參數(shù)化建模，基于約束的自動化設計。參數(shù)化設計能夠僅通過修改設計的初始條件參數(shù)，通過約束邏輯的計算，以自動化的方式得到產(chǎn)品模型的設計結果，而不用像直接建模那樣完全手動完成設計過程。參數(shù)化設計中可調整的參數(shù)一般包括幾何約束和工程約束，其中幾何約束包括尺寸約束（長度、角度、半徑）和結構約束（幾何元素間的拓撲關系，比如平行、垂直、相切等），而工程約束則指實際產(chǎn)品模型的功能限制。在設計的過程中，設計人員可以調整這些可變參數(shù)，而參數(shù)化建模引擎則會在這些約束條件下進行求解，自動維護在可變參數(shù)之外的模型幾何信息，最終完成自動化建模。

圖表：參數(shù)化建模是基于約束的自動化設計

資料來源：CSDN，中金公司研究部

幾何建模應用：泛工業(yè)領域CAX建模，從正向設計到數(shù)字孿生

三維幾何建模內核是泛工業(yè)領域CAX應用的基礎

在泛工業(yè)應用場景中，提供幾何建模能力的的三維建模引擎通常又被稱為三維幾何建模內核，成為CAX應用的核心底層內核。廣義的三維幾何建模內核囊括從底層的數(shù)據(jù)管理架構，到頂層的三維造型組件，從內到外又分為內存與數(shù)據(jù)管理層（架構基礎）、幾何對象數(shù)學算法層（數(shù)學支撐）、三維造型實現(xiàn)層，其中最外層的造型實現(xiàn)層就包括了幾何建模引擎、圖形渲染引擎、參數(shù)化設計引擎（包含約束求解引擎）等組件。三維幾何建模內核為CAX應用提供了最關鍵的三維圖形定義、建模、編輯能力，是構建三維CAX建模平臺的核心。

Parasolid、ACIS是全球主流的兩款商業(yè)幾何建模引擎。經(jīng)過數(shù)十年的產(chǎn)業(yè)整合，全球工業(yè)軟件以及工業(yè)幾何建模引擎的格局已經(jīng)由上世紀的“百花齊放”進入“寡頭壟斷”的階段，達索、西門子等海外巨頭基本上主導了這一領域的話語權，其也擁有著目前全球應用作為廣泛的Parasolid、ACIS兩款建模引擎。這些建模引擎最早也是由巨頭的工業(yè)軟件產(chǎn)品中獨立而出，目前一方面應用于巨頭自有的軟件產(chǎn)品中，另一方面也授權給了部分缺乏底層建模引擎能力的中小廠商，供其進行二次開發(fā)出CAX應用軟件。

圖表：3D CAX（CAD/CAE/CAM）幾何建模內核示例

資料來源：中望軟件公司公告，中金公司研究部

少數(shù)國產(chǎn)工業(yè)軟件廠商掌握有自主幾何建模引擎。中望軟件通過在2010年收購美國VX公司獲得了其Overdrive內核的全部知識產(chǎn)品，并在其技術上進行大量自主研發(fā)，最終迭代出目前的ZW3D內核；華天軟件通過與日本UEL公司的合作，開發(fā)得出CRUX IV內核，使用于其3D CAD產(chǎn)品SINOVATION之上。但除了少數(shù)幾家公司之外，剩下大部分的國產(chǎn)工業(yè)軟件廠商目前仍是以使用Parasolid等商業(yè)幾何建模引擎授權，或者使用OpenCasCade開源幾何建模引擎為主。

圖表：海外主流三維幾何建模引擎以及國內廠商所有的引擎概覽

資料來源：各公司官網(wǎng)，各公司公告，中金公司研究部

三維幾何建模內核主要以CAX產(chǎn)品的方式實現(xiàn)商業(yè)化

三維幾何建模內核最初是從專業(yè)CAD中獨立而出。在3D CAD發(fā)展之初其實并沒有內核這一獨立概念，內核是作為CAD軟件的底層與其緊密耦合。但隨著3D CAD產(chǎn)品的發(fā)展，其底層內核也逐步達到了產(chǎn)品級的成熟度，同時由于三維幾何內核較高的開發(fā)門檻，眾多中小廠商也的確具有購買三維幾何內核授權，并在其基礎上進行二次開發(fā)的需求。這讓UGS、達索等廠商看到了單獨銷售3D內核的商機，于是陸續(xù)將自身的內核獨立出來作為單獨的授權業(yè)務。目前仍有一部分中外CAD廠商是在購買的Parasolid等商業(yè)內核的基礎上，進行自有3D CAD產(chǎn)品的研發(fā)。

單純內核授權的市場規(guī)模較小，主要仍是以完整CAX產(chǎn)品的方式實現(xiàn)商業(yè)化。全球來看，目前Parasolid和ACIS是兩款應用最為廣泛的商業(yè)化內核，各自授權的中小廠商均有數(shù)百家，但由于其本身的授權費用并不昂貴，通常在幾十萬至百萬美元不等，因此總體上的內核授權市場規(guī)模并不大，全球應用最廣的Parasolid內核的授權業(yè)務收入也僅在4,000萬美元左右[1]。與之相對的是，達索、西門子、Autodesk等工業(yè)軟件CAX巨頭的收入均達到了數(shù)十億美元量級，CATIA、Solidworks、AutoCAD等單款產(chǎn)品的收入都可接近十億美元。因此我們認為目前單獨的幾何建模內核授權并未產(chǎn)生成規(guī)模的商業(yè)化市場，其仍主要是以內嵌于CAX產(chǎn)品中的方式來實現(xiàn)商業(yè)化。

圖表：全球頭部CAX廠商收入對比，2020

注：Autodesk與PTC取2020年財年收入數(shù)據(jù)資料來源：公司公告，中金公司研究部

圖表：Dassault Systèmes收入拆分，2020

資料來源：公司公告，中金公司研究部

圖形渲染：泛娛樂應用為重，構建虛擬世界的“畫筆”

圖形渲染技術：實現(xiàn)建模對象的3D視覺效果呈現(xiàn)

圖形渲染使得建模對象得以2D屏幕上呈現(xiàn)出3D視覺效果。在完成建模對象的幾何數(shù)據(jù)建模之后，為了讓線、框、點組成的幾何模型呈現(xiàn)在2D的屏幕上呈現(xiàn)，并能夠表現(xiàn)出立體的3D視覺效果，需要向模型增加紋理、色彩、光影等信息，使得幾何模型最終得以呈現(xiàn)成為三維圖像，這一過程就被稱為渲染。例如在電影、動畫、廣告等場景的應用中，需要對建模完成后的模型和動畫幀進一步進行渲染，形成最終效果圖以及動畫。

圖形渲染引擎調用底層硬件資源，實現(xiàn)3D對象在計算機顯示上的繪制呈現(xiàn)。在實際應用中，3D對象在計算機顯示器上的繪制呈現(xiàn)需要調用一系列軟硬件資源，通過完整的圖形渲染流程來實現(xiàn)，其中圖形渲染引擎（或稱圖形渲染器）是其中的核心軟件組件。在圖形渲染的過程中，渲染引擎承接由應用（游戲、動畫）提出的渲染任務，對渲染任務和相關數(shù)據(jù)進行處理；并通過圖形API對接顯卡驅動，進而調用顯卡GPU的計算資源進行圖形的計算渲染；GPU渲染完成后再將圖像畫面輸出給視頻控制器，并最終在計算機屏幕中進行呈現(xiàn)。

圖表：計算機圖形渲染流程概覽

資料來源：《Computer Graphics: Principles and Practice（2004.3）》——John F. Hughes，Andries van Dam，Morgan McGuire，David F. Sklar, James D. Foley，Steven K. Feiner，Kurt Akeley，中金公司研究部

圖形渲染的方法原理：光柵化與光線追蹤

光柵化是最為經(jīng)典的圖形渲染方法。光柵化渲染是將物體投影近似轉化為屏幕可顯示的像素的過程。其渲染過程需要將連續(xù)的三維模型拆分為若干個三角面，再投影為屏幕可以顯示的像素塊，接著對像素塊進行一系列的材質、陰影、紋理等著色和合并處理后得到最終圖像。但光柵化本質是在計算速度的限制下，對于色彩光影效果的一種近似模擬。其缺陷是對全局的光線顯示效果一般，例如點光源的軟陰影處理、毛玻璃材質的處理以及多次反射的環(huán)境光線等。

光線追蹤則是對光線的真實模擬，可實現(xiàn)更為真實的渲染效果。光線追蹤（Ray tracing，簡稱光追）將人眼看作一個攝像機，從人眼出發(fā)，追蹤每根光線在物體表面的反射，描述光線的求交并進行計算。由于更為接近現(xiàn)實中光線傳輸?shù)谋举|，光線追蹤的視覺效果比光柵化更為真實。渲染中對光線追蹤畫面質量的衡量指標是每個著色像素用到的光線樣本數(shù)。為了保證每個像素點的顏色顯示足夠準確，光線追蹤需要向每個像素點發(fā)射近千條的光線來計算其求交結果。不考慮其他降噪和優(yōu)化算法，假設我們希望實現(xiàn)4K分辨率下的60幀實時光追渲染，需要實現(xiàn)1011條光線/秒級別的計算求交速度，因此目前光線追蹤技術的局限性在于運算速度的不足。

圖表：光柵化管線（pipeline）示意圖

資料來源：CSDN，中金公司研究部

圖表：光線追蹤原理示意圖

資料來源：CSDN，中金公司研究部

圖形渲染的技術分支：離線渲染與實時渲染

圖形渲染技術在應用上分為兩支分支：實時渲染和離線渲染，來自于兩類產(chǎn)業(yè)的不同需求。

?離線渲染：高精度的長時間離線渲染，主要應用于非實時交互的場景，如動畫CG和電影。離線渲染指計算出畫面時并不顯示畫面，計算機根據(jù)預先定義好的光線、軌跡渲染圖片，渲染完成后再將圖片連續(xù)播放，實現(xiàn)動畫效果。為了追求極致的視覺效果，離線渲染往往采用光線追蹤技術，但渲染一幀所需的時間可達數(shù)個小時。由于光線追蹤需要進行龐大且復雜的計算，一般使用軟件渲染器，在CPU中進行計算，常見的離線軟件渲染器如MentalRay和Render Man等。

?實時渲染：犧牲一定畫質來交換效率的選擇，主要應用于3D游戲、VR等強實時交互的場景。實時渲染指計算機邊計算畫面邊將其輸出顯示，可以實時操控預覽畫面，在游戲、VR等強實時交互性場景中，用戶與3D內容的實時交互需要得到及時的反饋，渲染速度需要達到1秒30幀以上，但對畫面精度的要求不如影視作品。目前成熟的實時渲染模式是使用算法優(yōu)化后的光柵化技術。由于GPU的并行運算特性更適合高速大量計算，光柵化實時渲染使用的是GPU加速的硬件渲染器。但隨著硬件技術的突破，目前也可使用搭載了光線追蹤模塊的GPU來實現(xiàn)實時光追。

圖表：《戰(zhàn)地5》開啟RTX后車身倒影效果明顯優(yōu)化

資料來源：NVIDIA官網(wǎng)，中金公司研究部

圖表：實時光線追蹤技術的難點與技術創(chuàng)新

資料來源：NVIDIA官網(wǎng)，中金公司研究部

圖形渲染應用：泛娛樂領域的數(shù)字原生創(chuàng)作，從動畫建模到游戲引擎

與工業(yè)領域相同，泛娛樂領域的建模同樣需要經(jīng)歷從幾何建模、圖形渲染到場景細節(jié)設計及虛擬仿真的過程。所使用到的軟件可分為兩類：1）幾何建模和渲染中用到的Maya、3ds MAX等動畫建模引擎，完成模型的設計、渲染；2）游戲場景細節(jié)開發(fā)所使用的游戲引擎，將Maya等創(chuàng)造的模型導入，設計動作、光照、聲音、事件觸發(fā)等諸多交互式的游戲內容。泛娛樂建模的流程從幾何建模開始，先用Maya、3ds MAX等動畫建模軟件完成幾何模型的搭建，然后再進行平面展開（展UV），將MenalRay等渲染器中烘焙得到的貼圖貼到模型對應位置上，得到最終的模型。如果需要進行進一步的游戲開發(fā)，再將3D模型導入游戲引擎完成游戲動作、仿真等內容的設置。

圖表：泛娛樂領域建模工具鏈概覽

資料來源：CSDN，各公司官網(wǎng)，中金公司研究部

游戲與動畫建模更為注重視覺呈現(xiàn)效果，圖形渲染成為其中的核心步驟。相比于工業(yè)級建模的追求實用性與可靠性，在游戲、動畫等泛娛樂場景建模所更關注的是最終所能呈現(xiàn)出的材質、光影、軌跡等視覺效果的逼真性，因此在這些場景的應用中圖形渲染引擎的能力更為重要。目前行業(yè)中的主流的專業(yè)渲染引擎包括V-ray、Render Man等，而像3ds MAX、Maya等CG建模軟件以及Unity、虛幻引擎等游戲引擎中也都內置或可外接渲染引擎模塊。

獨立離線渲染器：最基礎的渲染工具

渲染器是用來進行圖像渲染的軟件。常見的渲染器有RenderMan、Brazil、Mental Ray等，他們均是光線追蹤技術進行離線渲染的軟件渲染器（僅使用CPU計算）。但隨著計算要求的提高，部分渲染器如VRay、Arnold等也開始增加對于GPU硬件渲染的支持。主流渲染器都可與動畫建模軟件如3ds MAX和Maya等兼容，作為建模軟件的一部分參與泛娛樂建模過程。

圖表：行業(yè)內主流離線渲染器概覽

資料來源：CSDN，各公司官網(wǎng)，中金公司研究部

動畫建模軟件：集成的泛娛樂建模工具

3ds MAX和Maya都是當前泛娛樂領域主流的三維建模軟件，均屬于Autodesk公司。在游戲領域的建模流程中，設計者往往在動畫建模軟件中完成游戲角色和環(huán)境對象的建模，再導入游戲引擎中進行動作和事件的編輯。3ds MAX和Maya在功能上差異較小，均可實現(xiàn)3d建模中的建模、貼圖、動畫、渲染等功能。

圖表：3ds MAX和Maya功能特性

資料來源：Autodesk官網(wǎng)，中金公司研究部

游戲引擎：可交互3D世界的創(chuàng)造工具

游戲引擎是可交互3D內容創(chuàng)作的核心工具。游戲開發(fā)人員包括策劃、美術、聲音和技術等多個團隊，其中使用游戲引擎的技術團隊是游戲開發(fā)的核心。游戲引擎之于游戲開發(fā)，就像車輛引擎之于汽車，其提供游戲過程中的底層渲染、物理運算、動畫系統(tǒng)、AI等功能，游戲設計者也可以基于游戲引擎設計動作、光照、聲音、事件觸發(fā)等諸多交互式的游戲內容。

主流游戲引擎均內置了完備的渲染引擎能力。渲染引擎是游戲引擎中內置的重要模塊之一，是游戲引擎的重要組成部分。同時相較于3ds MAX和Maya制作動畫的離線渲染，游戲中由于需要玩家與對象的實時交互，游戲引擎可提供經(jīng)過算法優(yōu)化后的光柵化實時渲染。在NVIDIA推出了RTX技術后，目前主流游戲引擎也已支持實時光線追蹤技術。

圖表：游戲制作流程與游戲引擎

資料來源：CSDN，中金公司研究部

游戲引擎的誕生源自自研游戲開發(fā)，中長尾開發(fā)者需求驅動商用引擎發(fā)展。1993年，由于開發(fā)成本較高，id公司將其游戲DOOM所使用的引擎對外商業(yè)授權銷售，這是第一款脫離游戲單獨對外發(fā)售的游戲引擎。2000年前后，伴隨著OpenGL和微軟DirectX標準的推廣，以及3D顯卡技術的更新迭代，市場上涌現(xiàn)出了Cry Engine（簡稱CE）、虛幻引擎（Unreal Engine，簡稱UE）、Litdtech等一系列基于游戲廠商自研游戲的商用引擎產(chǎn)品。2007年，iPhone發(fā)布，移動端游戲興起帶來的小型團隊和獨立設計師的開發(fā)需求驅動商用游戲引擎快速發(fā)展。近年來的主機、VR、AR等多平臺競爭也促使游戲引擎廠商不斷迭代技術加強實力。

圖表：游戲引擎發(fā)展史

資料來源：各公司官網(wǎng)，中金公司研究部

對于大型游戲廠商而言，自研引擎和商用引擎并非互不相容。目前市場上的游戲引擎可分為游戲廠商內部使用的自研引擎（如育碧的Snowdrop）和可獨立發(fā)售的商業(yè)引擎（如Unity 3D）。出于成本和開發(fā)靈活度的考慮，大型游戲廠商陸續(xù)開發(fā)了自研引擎，如育碧的Snowdrop和Anvil，EA的寒霜引擎等，但商業(yè)游戲引擎仍然是一個重要的備選項。例如育碧旗下工作室使用Unity制作了《刺客信條：身份》；EA與Epic公司保持著多年合作關系，使用虛幻引擎制作了《榮譽勛章：空降兵》（UE3）、《Army of Two》（UE3）和《星球大戰(zhàn)絕地武士:墮落秩序》（UE4）等游戲。

中長尾需求推動商業(yè)游戲引擎快速發(fā)展。據(jù)NewZoo的2019年全球游戲市場報告顯示，全球游戲市場規(guī)模穩(wěn)定增長。3D游戲引擎開發(fā)成本高昂，中長尾的游戲開發(fā)者需求推動游戲建模需求隨之增長。GameDeveloper統(tǒng)計的2016年至今發(fā)行的Steam游戲所使用的引擎數(shù)據(jù)顯示，Epic公司的虛幻引擎和Unity公司的Unity引擎占據(jù)了商業(yè)游戲建模引擎市場的主要市場份額。其中Unity在價格較低的小型PC和移動游戲市場中優(yōu)勢顯著，而UE在價格較高的大型PC游戲及主機游戲市場中優(yōu)勢更為明顯。

圖表：Steam游戲的引擎使用情況，2021

注：僅統(tǒng)計價格高于4.99美元，評論數(shù)超過50的游戲。

資料來源：Gamedeveloper，數(shù)據(jù)截止至2021年8月末

圖表：使用不同引擎的Steam游戲數(shù)量（按照發(fā)行價劃分），2021

注：僅統(tǒng)計2016年及之后發(fā)行的、價格高于4.99美元且評論數(shù)超過50的游戲。

資料來源：Gamedeveloper，數(shù)據(jù)截止至2021年8月末

Unity：移動端游戲應用最為廣泛的游戲引擎

Unity是跨平臺的2D及3D建模引擎。Unity科技公司在2005年的蘋果全球開發(fā)者大會上發(fā)布Unity引擎的首個版本。截止2018年，Unity已成為跨Windows、Mac、各類游戲主機和VR平臺等20余個研發(fā)平臺的2D和3D建模引擎。Unity科技公司業(yè)務主要可分為2個模塊：開發(fā)解決方案（Creation solution）和運營解決方案（Operation solution）。

?開發(fā)解決方案指的是創(chuàng)建、編輯、運行和部署實時2D和3D內容的方案，主要產(chǎn)品為游戲引擎和輔助工具，同時還包括建筑、汽車等其他行業(yè)的建模引擎工具。開發(fā)解決方案的產(chǎn)品分為免費版和付費版，付費方式主要為按照月度進行軟件授權。

?運營解決方案可協(xié)助游戲開發(fā)者運營游戲、擴大吸引終端用戶數(shù)，及提升用戶價值。運營解決方案的收費模式大多基于應用/服務的使用情況或收入分成，如定制化廣告基于廣告點擊/轉化率或收入分成付費；多人游戲云端編排服務Multiplay基于實時并發(fā)用戶數(shù)收費等。這樣的收費方式可使得Unity與開發(fā)者獲得更高的利益一致性。

圖表：Unity開發(fā)解決方案主要產(chǎn)品

資料來源：Unity官網(wǎng)，公司招股說明書，中金公司研究部

Unity引擎作為公司的基石業(yè)務，免費版積累用戶基礎，輔助工具挖掘客戶價值。Unity的學生版/個人免費版降低使用門檻，為Unity積累了大量用戶。截止2020年末，使用Unity開發(fā)和運營解決方案的月活躍用戶數(shù)超20億。在全球的移動平臺、PC平臺和主機平臺上，使用Unity制作的游戲數(shù)量占比超過50%。公司的游戲引擎在移動端游戲市場中優(yōu)勢明顯，在谷歌和蘋果應用商店排名前1000位的游戲中，使用Unity引擎的游戲占比達到71%。Unity除核心的建模引擎外，還為游戲開發(fā)者提供了完善的輔助工具庫，可為各個階段的開發(fā)者提供多樣化的輔助工具，隨著手機游戲的發(fā)展，單客戶價值仍有上升空間。

圖表：Unity收入貢獻超過10萬美元的客戶收入

注：單個客戶收入金額僅披露至2Q2020

資料來源：公司招股說明書，公司年報，中金公司研究部

圖表：Unity收入留存率（NDR）

資料來源：公司招股說明書，公司年報，中金公司研究部

Unity的運營解決方案為游戲開發(fā)者提供長期的用戶價值變現(xiàn)和優(yōu)化工具，與開發(fā)解決方案形成高度協(xié)同。公司招股說明書披露，截止2020年6月末，Unity 33%的開發(fā)解決方案用戶同時是運營解決方案的用戶，而64%的運營解決方案用戶同時是開發(fā)解決方案的用戶。相較于開發(fā)解決方案作為吸引客戶的低門檻業(yè)務，運營解決方案的收費模式基于服務使用情況/收入分成，使Unity的公司收入與客戶成功結合更為緊密。隨著公司業(yè)務發(fā)展不斷成熟，運營解決方案在公司收入中的占比由2018年的48%已上升至2021年前三季度的65%，成為Unity業(yè)務收入的第一大來源。

圖表：Unity公司的業(yè)務協(xié)同效應

資料來源：Unity官網(wǎng)，中金公司研究部

圖表：Unity公司收入組成，2018年至1-3Q2021

資料來源：公司年報，中金公司研究部

虛幻引擎：3A游戲的高質量開發(fā)工具

Epic公司的虛幻引擎是目前游戲行業(yè)常用的引擎之一。與Unity專注于第三方通用引擎開發(fā)不同，Epic公司擁有自研游戲和游戲平臺。虛幻引擎的誕生來自于Epic自研的單人FPS游戲《虛幻》。Epic公司自身開發(fā)游戲的工具積累是虛幻引擎版本的不斷迭代的技術來源之一，這使得其引擎的操作方式更適于工程師的操作習慣。

在銷售許可模式上，虛幻引擎按照收入分成收費。虛幻引擎按照許可的范圍進行價格劃分：對于內部項目、定制應用和不可互動的線性內容，用戶可免費使用虛幻引擎進行制作；但對于游戲發(fā)行，標準化的虛幻引擎收費模式對超出100萬美元的流水部分按照總游戲流水的5%進行收費。相較Unity按照座席收費，人數(shù)眾多的大型游戲開發(fā)團隊更傾向于與Epic公司簽訂定制化的虛幻引擎許可計劃以降低費率。

圖表：虛幻引擎的不同許可模式

資料來源：Epic公司官網(wǎng)，中金公司研究部

相較于Unity而言，虛幻引擎更加側重于PC端大型3A游戲的開發(fā)。其開放源碼的方式便于大型游戲開發(fā)者直接調整引擎以適應開發(fā)需求，靈活性更高。虛幻引擎每一個大型版本的更新都格外聚焦于最新的突破性技術，例如UE3中實現(xiàn)的全局光照技術，Unity直到9年后的5.0版本才實現(xiàn)；最新的UE5中發(fā)布的Lumen（動態(tài)全局光照）和Nanite（動態(tài)無限面數(shù)渲染技術）可大幅減少美術制作的工作量，在游戲美術領域是重要的技術突破。

而Unity的優(yōu)勢在于中長尾的游戲開發(fā)者，尤其是移動端游戲開發(fā)。其豐富的資源商店和開放底層接口對于中小團隊的技術門檻要求更低，原生的2D和輕量版圖形渲染管線也使得其對游戲設備的要求更為寬松。同時，Unity擁有更為龐大的開發(fā)者社區(qū)，以海外游戲社區(qū)Reddit為例，Unity 3D分類下有27.6萬關注者，是虛幻引擎14.5萬關注者的近兩倍，我們認為這代表著Unity更為豐富的開發(fā)者社區(qū)生態(tài)和更為活躍的技術交流環(huán)境。

圖表：Unity和虛幻引擎的對比

資料來源：公司官網(wǎng)，CSDN，中金公司研究部

泛工業(yè)與泛娛樂領域的建模應用正在走向交融

泛工業(yè)向泛娛樂：Autodesk的泛娛樂領域布局

Autodesk通過Maya和3ds MAX布局娛樂建模工具。Autodesk是全球領先的通用設計軟件廠商，其于1990年成立了娛樂部進入泛娛樂領域，并發(fā)布了自研的軟件3d Studio（3ds MAX前身）。在2005年Autodesk通過收購Alias獲得Maya。3ds MAX和Maya是泛娛樂領域主流的動畫建模軟件。

StingRay是Autodesk在游戲引擎方向的一次布局嘗試?；?ds MAX和Maya在泛娛樂領域的已有優(yōu)勢，Autodesk繼續(xù)開發(fā)、收購了Scaleform、Beast、Navigation等一系列游戲建模相關的工具軟件，并在2014年收購的Bitsquid引擎的基礎上，將這些功能集成為自有的游戲引擎StingRay。雖然最終Autodesk在2018年宣布停止繼續(xù)開發(fā)和銷售StingRay游戲引擎，相關功能集成進入3ds MAX中。我們認為，盡管StingRay并未在市場上取得成功，卻是傳統(tǒng)工業(yè)建模軟件廠商拓展游戲建模引擎的一次嘗試。

圖表：Autodesk在游戲引擎方向的探索

資料來源：Autodesk官網(wǎng)，中金公司研究部

泛娛樂向泛工業(yè)：Unity的泛工業(yè)領域實踐

Unity依托已有的游戲建模引擎技術，將建模引擎業(yè)務拓展至建筑、汽車、消費等行業(yè)。截止2020年，Unity收入規(guī)模超過10萬美元的大客戶中，有8%的大客戶來自于非游戲行業(yè)。據(jù)Unity公司年報預測，截止2020年非游戲行業(yè)建模引擎的市場空間為170億美元，而2025年游戲建模引擎市場空間的預測僅為160億美元。游戲之外的跨行業(yè)建模引擎市場將會是公司長期的發(fā)展趨勢。Unity旗下已經(jīng)擁有Unity Reflect，Unity Forma等多款工業(yè)領域的應用軟件。

圖表：Unity泛工業(yè)應用產(chǎn)品

資料來源：公司官網(wǎng)，中金公司研究部

一體化的實時建模和協(xié)作平臺：英偉達Omniverse

英偉達在2021年11月的GTC大會上推出了3D建模領域的實時模擬和協(xié)作平臺Omniverse。傳統(tǒng)的3D建模流程包括草圖、建模、裝配、動畫等多個環(huán)節(jié)，需要多部門員工按順序分工協(xié)作，同時各環(huán)節(jié)所使用的軟件各不相同。因此，3D建模流程中的數(shù)據(jù)傳輸和文件格式的統(tǒng)一較為復雜。Omniverse平臺通過云端整合主流的3D建模工具，使得創(chuàng)作者們可在云端的多個建模軟件之間實時協(xié)作，提升工作效率。

Omniverse平臺主要由5個部件組成，其中Nucleus和Kit是最為核心的兩個部件。Nucleus是整個協(xié)作平臺的核心，提供用戶認證、協(xié)作服務和數(shù)據(jù)存儲的功能。它可以通過Connect連接多個Omniverse內置應用、外部應用（如3ds MAX）、渲染器和微服務等。創(chuàng)作者可通過Nucleus在平臺上用多種軟件同步編輯3D內容；管理者可在Nucleus的Web管理程序管理用戶權限和工作流程。Kit是一套基于USD的工具包，擁有眾多模塊化的常用功能套件，開發(fā)者可利用Kit提供的套件及擴展程序，靈活組裝出自己實際需要的應用程序。

圖表：Omniverse平臺架構及硬件支持

資料來源：Omniverse官網(wǎng)，NVIDIA官網(wǎng)，中金公司研究部

不僅僅是協(xié)作平臺，英偉達在底層計算硬件上的積累成為Omniverse平臺堅實的后盾，硬件渲染和AI能力是核心壁壘。Omniverse可提供靈活的實時光線追蹤和路徑追蹤，背后是NVIDIA的RTX硬件平臺和圖形渲染、計算、AI等的后端技術能力。NVIDIA的RTX平臺融合了光柵化、光線追蹤技術；CUDA（Compute Unified Device Architecture）是 NVIDIA 專為GPU上的通用計算開發(fā)的并行計算平臺和編程模型，可提升圖形渲染的速率；基于AI的DLSS降噪技術降低了高幀率畫面輸出的GPU要求，使得高質量的實時渲染輸出成為可能。我們認為英偉達在后端的硬件能力支持是Omniverse區(qū)分于其他協(xié)作平臺的主要競爭力。

USD為建模工具的一體化和平臺化提供了可能。Omniverse協(xié)作的技術基礎來自于Pixar在2016年發(fā)布的3D建模格式標準USD（Universal Scene Description）。USD提供了一套關于3D建模的場景描述的“統(tǒng)一語言”，它是為了Pixar內部分工合作而設計出的一種交換格式，對建模流程中用到的各種軟件導出的不同格式的素材進行了輕量化處理而便于傳輸。USD支持各節(jié)點同步修改編輯，可實現(xiàn)多人協(xié)作的3D建模工作流程。我們認為Omniverse為3D建模領域提供了一個基礎的協(xié)作平臺，其跨軟件的靈活性和可擴展性使得它可在建筑、娛樂、工業(yè)等領域進行應用。在各細分領域建模工具不斷豐富的趨勢下，Omniverse是英偉達對不同的建模工具平臺化、一體化的一次探索。

未來展望：建模引擎可能的技術演進與應用探索方向

技術演進：新興技術為建模引擎的演進提供新方向

AI：圖像增強與3D建模

圖像增強技術：NVIDIA的DLSS降噪。圖形渲染為了達到高畫質，需要盡可能多地增加像素采樣點，但這伴隨著計算量的翻倍。此領域的一個技術突破是NVIDIA的DLSS（深度學習超級采樣）技術。AI將低分辨率畫面渲染為多幀采樣時間不同的超高分辨率畫面后，再通過AI算法將多幀畫面合成為分辨率較高的畫面。

GAN技術可幫助直接從照片生成幾何模型。除了從軟件中的多邊形開始搭建幾何模型之外，圖片建模也是3D建模的一種方法。圖片建模需要對建模的對象拍攝足夠多的各角度清晰照片，再經(jīng)過計算機的像素匹配等過程來生成3D模型。而AI使得這一過程更加簡化，NVIDIA于2021年GTC大會上發(fā)布的GANverse3D應用程序能實現(xiàn)從一張照片直接生成3D模型。AI利用GAN（生成性對抗網(wǎng)絡）從單張照片預測3D網(wǎng)格模型，就像繞著建模對象生成多張其他角度的照片。我們認為AI深度學習可幫助建模師完成如建筑、汽車等基礎模型的搭建，使得建模師更專注于核心的角色模型設計，提高工作效率。

圖表：NVIDIA DLSS 2.0的技術架構

資料來源：NVIDIA，中金公司研究部

圖表：NVIDIA的GANverse3D技術示意圖

資料來源：NVIDIA，中金公司研究部

云計算：云端建模與渲染

3D建模中的圖形渲染無論是光柵化還是光線追蹤，都對于底層顯卡、CPU等硬件有較高的要求。隨著5G和云計算技術的發(fā)展，以SaaS形式提供的建模服務應運而生。

云化3D CAD廠商OnShape。2016年發(fā)布的OnShape是一款完全基于云的CAD軟件產(chǎn)品。OnShape支持協(xié)作編輯和靈活的流程管理。相較其他云CAD競爭者，OnShape存在兩點優(yōu)勢：1）完全基于數(shù)據(jù)庫，用戶之間無需傳輸龐大的模型文件、也無需考慮數(shù)據(jù)管理，OnShape將設計過程保存為數(shù)據(jù)庫的更改記錄，同時分享文件訪問權限；2）無需客戶端支持，計算幾乎完全在服務器端完成，通過瀏覽器即可使用，降低了3D建模對于設備的要求。我們認為OnShape解決了傳統(tǒng)CAD軟件客戶端龐大、文件管理繁瑣且難以實時協(xié)作的痛點，是未來云化建模軟件的雛形。

騰訊云的實時云渲染引擎。騰訊云在LiveVideoStackCon 2021上分享了實時云渲染服務。在該服務下運行軟件和游戲時，可通過接入云渲染的SDK來提供接近本地運行的低延遲和高畫質體驗。實時云渲染服務強調低時延，騰訊云通過采用多種編碼方式優(yōu)化、邊緣節(jié)點覆蓋和帶寬評估調優(yōu)等技術改進，來實現(xiàn)在線渲染的高效傳輸。我們認為實時的云端渲染能打破軟件對于特定GPU配置和系統(tǒng)平臺的要求，使得渲染工作更加靈活高效。

圖表：騰訊云渲染引擎結構

資料來源：騰訊云，中金公司研究部

實時光線追蹤：新一代渲染技術

實時光線追蹤的大范圍推廣受限于算力的不足。光線追蹤運用于圖形渲染其實早已有之，在1972年，Robert Goldstein等人使用了基于光線投射思路的SyntdaVision軟件制作廣告和電影。但由于計算光線追蹤所需的算量十分龐大，這一技術的運用受限于硬件計算速度而無法在實時渲染場景下得到應用。但一系列硬件、API等技術革新使得實時光追成為可能：

?硬件：GPU原生支持光線追蹤。2018年，NVIDIA發(fā)布了全球首款實時光線追蹤游戲GPU GeForce RTX。RTX系列芯片采用了圖靈架構，該架構搭載了用于實時光線追蹤的RT Core專用處理器、用于加速AI深度學習的Tensor Core、新型流多處理器和用于模擬的CUDA。這些新技術大幅提高了GPU的計算能力，無論對于光柵化還是光線追蹤技術的渲染速度都有了很大提升。AMD于2020年發(fā)布的RDNA 2架構也搭載了光線加速器的光線追蹤加速架構。

?API：支持光線追蹤的API標準發(fā)布。2020年3月，微軟發(fā)布DirectX12 Ultimate，允許GPU直接調用光追、按需加載光線追蹤著色器和內聯(lián)光線追蹤，提升了光追渲染效率的同時也降低了開發(fā)者的開發(fā)難度。Khronos Group在2020年11月也將光線追蹤支持集成到Vulkan API框架中，使其成為首款跨平臺、跨廠商的光線追蹤API。

圖表：各種路線的渲染技術對比

資料來源：中金公司研究部

應用探索：元宇宙暢想，數(shù)字孿生與數(shù)字原生

數(shù)字建模引擎將成為元宇宙中重要的底層基礎設施。根據(jù)我們在元宇宙開篇報告《元宇宙：空間升維、時間延展、社會重構》中的定義，元宇宙是由混合現(xiàn)實和數(shù)字建模等技術為基礎、以去中心化思想構建的、擁有嶄新經(jīng)濟、身份、制度體系的數(shù)字世界，數(shù)字建模引擎是支撐元宇宙實現(xiàn)的重要底層基礎設施。近年來隨著3D建模質量和精度的提升，以及云端建模、實時渲染等技術的成熟，3D建模引擎的迭代發(fā)展正在讓元宇宙的真正建立實現(xiàn)成為可能，但距離真正理想中的實時高質量建模仿真、即時人機交互的元宇宙的要求還存在一定的差距，我們認為元宇宙的實現(xiàn)仍需要底層建模技術進一步的迭代進化。

圖表：元宇宙的體系架構，數(shù)字建模引擎是其中的重要底層基礎設施

資料來源：中金公司研究部

元宇宙的實現(xiàn)需要怎樣的建模引擎？我們認為應當有三點要求：

?從架構部署而言，最好是云化的。元宇宙的實現(xiàn)需要建模軟件調用硬件算力對模型進行復雜的實施運算，因此對于計算機的底層硬件算力提出了較高要求，現(xiàn)有的傳統(tǒng)本地運算架構可能難以支撐元宇宙所需要的海量建模計算需求。但隨著云計算和5G的發(fā)展，我們認為未來海量模型文件在云端和客戶端的傳輸將成為可能，云化的建模引擎將成為支撐元宇宙的重要基礎設施。

?從輸出效率而言，應當是實時渲染的。在未來，數(shù)字孿生和元宇宙將帶來3D建模需求的快速增長，而傳統(tǒng)離線渲染的速度及效率都較低不能滿足需求。同時元宇宙需要實現(xiàn)人與虛擬模型的互動，實時渲染可基于玩家所在的位置實時計算視覺效果，能夠實現(xiàn)即時的建模與實時的交互性。然后，現(xiàn)有的實時渲染技術對于最終建模的質量依然有所犧牲，因此我們認為元宇宙的實現(xiàn)需要高建模質量的實時渲染技術的進一步發(fā)展。

?從軟件協(xié)作而言，數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一化，軟件之間互操作。元宇宙需要的海量建模數(shù)據(jù)是需要跨平臺、跨終端的，因此模型之間的互操作和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式將成為未來建模引擎的剛需。USD為建模技術提供了一項溝通的語言。從單一的渲染器，到可集成第三方插件的游戲引擎，再到打通各類軟件的Omniverse平臺，雖然各細分領域仍然存在專屬的差異化需求，但軟件之間的互操作和溝通將成為引擎發(fā)展的趨勢。

文章來源

[1] 《工業(yè)軟件簡史》，上海社會科學出版社（2021年11月）

本文摘自中金：2022年5月15日已經(jīng)發(fā)布的《建模引擎：數(shù)字孿生之基，虛實交融之紐》