B/S架构数字孪生应用建设探索

以EasyTwin数字孪生融合渲染引擎建设实践为例

EasyTwin数字孪生融合渲染引擎是一款低代码数字孪生应用开发平台，能够以产品化实现入门级B/S架构数字孪生应用开发。

EasyTwin架构共分为4层，资源层、渲染层、功能层、编辑器层，上层依赖下层模块。

资源层：是EasyTwin的最底层模块，定义了EasyTwin中各种数据格式。这些资源为上层模块提供了最基本的数据基础，如网格、材质、纹理资源为渲染层提供了模型渲染需要的数据。动画片段、骨骼为动画系统提供了动画播放需要的数据。脚本文件和状态文件为实体和组件提供了逻辑编辑需要的数据。

渲染层：为EasyTwin提供了三维可视化能力。该层主要依赖Threejs提供的渲染能力，使用PBR和阴影进行真实感场景渲染、使用后处理技术实现画面效果提升（抗锯齿、颜色校正）、利用蒙皮技术实现角色动画、精灵渲染技术进行POI渲染。

功能层：使用组件式架构提供了数字孪生系统开发中所需的各种功能组件。该层实现了孪生体和各种功能组件，通过向孪生体挂载组件来进行功能扩展。如通过向孪生体挂载模型组件，该孪生体就具有了模型渲染能力；挂载脚本孪生体就具备了自己的代码逻辑；挂载状态组件，该孪生体就具备了状态编辑的能力。

编辑器层：该层提供了场景编辑的GUI，直接通过可视化界面进行场景编辑，例如：模型导入、模型位置调整、场景导入导出、资源管理以及组件编辑等功能。

EasyTwin的组态化功能可以较好的解决纯代码开发以及通过支持H5的游戏引擎打包WebGL开发孪生场景的缺陷，在保障渲染效果、场景性能的前提下，实现场景高效开发、快速复用以及后续低成本的维护。

以材质编辑系统、场景物体状态和数据资产库为例。

材质编辑系统

一般Web3D项目开发流程为建模师在建模软件（如Blender）中制作3D模型以及模型材质，之后导入Web3D引擎进行展示，但是当模型导入Web3D引擎后，模型师总会发现引擎中渲染效果和建模软件中预览效果有所差异。模型师需要在建模软件中调整参数，然后再导入引擎中预览效果，效率很低。

造成渲染效果不一致原因很多，最主要因素是不同引擎PBR材质系统底层实现是不相同的，因此渲染出的画面也是不同的。我们使用同一份模型和材质，在不同渲染引擎下画面还是有差异的。下图为同一个模型在三种引擎（Threejs、Babylon、Cesium）下渲染的效果，可以看出即使都是Web端三维引擎，其渲染效果也是有差异的。

图 4 不同Web3D引擎的渲染效果

为了提高建模师的工作效率，EasyTwin将引擎材质系统开放到编辑器层，允许用户直接在编辑器中创建材质资源，并调整材质参数。这样建模师将模型导入EasyTwin后，直接在EasyTwin中对模型材质参数修改，即可预览到最终渲染效果，不必再回到建模软件中进行材质参数调整。

用户可界面化地对PBR材质参数进行调整，并实时预览材质渲染效果。同时EasyTwin也会提供丰富的材质库，模型导入EasyTwin后可以使用材质库中的材质对模型进行材质替换。

场景物体状态

EasyTwin对孪生场景的物体抽象出不同的状态，由此来简化物体与其他场景的交互。

在通常情况下实现标牌通过外部数据显示不同样式，首先需要在场景中创建不同样式的标牌，并记录其唯一值（id），通过控制标牌的显影，这样才能完成样式的切换，当场景中物体和交互增多时，实现的成本也会剧增。

而如果采用物体状态的方法，那么仅需要给这个标牌设置上不同的样式状态，通过状态列表来切换其状态，即使交互复杂，也能和清晰的理清场景中各个物体间的交互关联关系。

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数字资产

数字资产包括引擎内置的模型库、数字要素、行业模版库。

模型库：内含各类型通用设备模型、设备零件模型，可通过组装的形式，快速组装搭建目标样式及效果，通过对多种通用模型的堆叠、旋转变换，得到和真实生产环境一致的、仿真高保真还原的业务模型，支撑下一步三维建模业务场景的构建开发。

数字要素：提供常用数字要素，可在三维场景中添加散点、信息面板、飞线、路径、围栏、iframe等多种类型的数字要素，同时预置多套风格供选择，可一键切换要素样式。在数字要素中，可以通过手动打点、三维坐标（X、Y、Z）、经纬度坐标三种方式来实现时空业务数据融合，并结合实时数据来控制相应数字要素状态，做到与现实世界的虚实对应。

模板库：行业模版库包含对行业中等核心生产指标和生产流程的数字化还原，高保真还原生产环境和重点检测情况，通过数字要素、专业特效，实现对业务场景的一站式管理，利用模版库快速构建专属于客户的数字孪生场景，实现降本增效的目的。数字孪生可视化平台的数字资产库内容丰富，且定期更新，更新最新的行业生产设备模型及相关孪生体模型，打通了资产库和数字孪生可视化平台的使用链路，便捷实用，一键创建快速复用。

基于EasyTwin低代码数字孪生融合渲染引擎的进行项目交付，主要涉及以下角色：

PM/PD：

与甲方对接确定需求以及提供原型图；

确定各部分效果呈现的参考图；

跟进项目需求变更，协同客户以及项目实施团队；

可视化/UI设计师：

根据PM/PD的需求文档/原型图/参考来产出设计方案与设计稿；

设计稿定稿后制作UI；

辅助PM/PD提供参考图给到模型师；

在引擎中还原三维场景，把控二维至三维的美术效果一致性；

模型师：

根据业务需求提供定制模型；

前端开发工程师：

沟通数据格式与数据对接情况；

与设计师合作设计屏内、场景的交互方式，并完成交互配置场景配置；

在EasyV、EasyTwin中接入数据；

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