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NVIDIA Omniverse Simulation作為 NVIDIA Omniverse 平臺的關鍵組件之一，由 NVIDIA 技術提供動力支持，包括 PhysX、Flow、Blast 和 AI 等技術。

▲ NVIDIA Omniverse 中的物理模擬

1.NVIDIA PhysX

NVIDIA PhysX 是一種可擴展的多平臺物理仿真解決方案，PhysX 已成為 NVIDIA Omniverse 的主要物理引擎和關鍵的基礎技術支柱。

此前，PhysX 是一個游戲物理引擎，可提供用于各種視頻游戲主機的優化端口；如今，PhysX 是一個高保真的、GPU 加速的物理模擬引擎，從傳統的 VFX 和游戲開發工作流、到高保真機器人開發、醫學仿真和科學可視化應用，都可以借助 PhysX 實現基于現實物理世界的模擬仿真。

1.1 PhysX 物理模擬 SDK

NVIDIA PhysX SDK 包括 PhysX、Blast 和 Flow。

PhysX：多平臺物理引擎。PhysX 在 NVIDIA Omniverse 中以 BSD3 開源版本的形式提供，包括所有 CPU 源代碼和 GPU 二進制文件。

Blast：NVIDIA PhysX SDK 包含 Blast，這是一個專為提高性能、可擴展性和靈活性而設計的破壞和斷裂庫。

Flow：Flow 也是 NVIDIA PhysX SDK 的一部分，可實現真實的可燃流體、煙霧和火災模擬。

1.2 PhysX 關鍵特性

剛體動力學：根據剛體動力學，研究外力（例如重力）作用下多個物體相互作用的運動。PhysX 可同時在 CPU 和 GPU 上提供經過行業驗證的可擴展剛體仿真。

場景查詢：對仿真世界執行空間查詢，以允許在仿真環境中使用場景查詢進行感知和推理。PhysX 與靈活的過濾機制相結合，支持對整個世界或單個物體進行光線投射、重疊和掃描式查詢。

關節：關節限制了物體間相互作用的移動方式。PhysX 提供一套常見的內置關節類型，并支持通過靈活的回調機制來自定義關節。

簡化坐標關節：坐標關節的簡化可為剛體樹提供線性時間，以及有保證的零錯誤仿真。PhysX 的實施與分析模型非常匹配，并且能夠實現準確的動量守恒。

車輛動力學：PhysX 可提供準確高效的汽車仿真，包括輪胎、引擎、離合器、變速器和懸架模型。

角色控制器：PhysX 可提供一個運動學角色控制器，允許虛擬形象在仿真世界中導航。PhysX 同時支持與靜態和動態仿真活動者間的各種相互作用。

軟體動力學：PhysX 的 FEM 軟體可模擬超彈性材質的可測量屬性，以形成精確高效的彈性/塑料可變形物體模型。

SDF 碰撞器：基于 SDF 的碰撞檢測可以用于物理對象，實現對齒輪和凸輪的實時模擬。

基于位置的動力學（PBD）：基于位置的動力學提供了一個靈活的框架，用于模擬各種現象，包括液體、顆粒材質、布料、繩索、剛體、可變形物體等。基于位置的動力學廣泛應用于視覺效果行業。

自定義幾何圖形：PhysX 提供各種內置幾何圖形以及靈活的回調機制，使應用能夠在仿真中引入自己的幾何類型。

借助 NVIDIA PhysX SDK，能夠幫助擴展各個行業的模擬工作流和相關應用。

2. NVIDIA Warp

NVIDIA Warp 是一個 Python 框架，可以在 NVIDIA Omniverse 和 OmniGraph 中編寫 GPU 高性能模擬和圖形代碼。在 Omniverse 中，Warp 可用于數字人、物理模擬和程序動畫。

Warp 使用 kernel-based 編程模型，并且能夠生成 kernel code 的正向和反向版本，使得編寫可微模擬變得很容易。除此之外，Warp 還包含用于模擬和幾何處理的高級功能，提供更高級別的數據結構，例如 Mesh（網格）、Hash Grids（哈希網格）和 Sparse Volumes（稀疏體積）。

2.1 Warp 關鍵特性

布料模擬：使用有限元法（FEM）和基于邊緣的彎曲模型創建的布料模擬。

基于粒子的模擬：通過將離散元法（DEM）與變形網格碰撞相結合來模擬具有內聚力和粘附力的顆粒材料。

程序動畫：在 Warp 中實現的實時程序海洋變形器，可作為 OmniGraph 節點集成到 NVIDIA Omniverse 中，驅動基于通用場景描述（USD）的網格圖元。

網格變形器：shrink-wrap 變形器使用 kernel-based 的光線投射到眼睛網格上，使眼球周圍的眼瞼變形。

2.2 Warp下載與安裝

要在 NVIDIA Omniverse 中使用 Warp，可以從 Extension 列表中搜索并啟用“Warp”。

omni.warp 擴展提供了 OmniGraph 節點的集合和示例場景，演示了 OmniGraph 中 Warp 的用法。啟用 omni.warp 擴展會自動啟用 omni.warp.core 擴展。

利用 omni.warp.core 擴展程序將 Warp 安裝到 Omniverse 應用程序的 Python 環境中，用戶可以在腳本和節點中導入該模塊。啟用后，可以打開腳本編輯器窗口并執行以下代碼：

import warp as wp
print(wp.__version__)

2.3 在 OmniGraph 中使用 Warp

Warp 在 NVIDIA Omniverse 中的主要用途之一，是可以在 Python 中定義 GPU OmniGraph 節點。

在 OmniGraph 中執行 Warp 代碼有多種方法：

在 Python 中創建一個自定義 OmniGraph 節點，導入 Warp 模塊。

在 Ac tion Graph 中添加腳本節點，并在腳本中導入 Warp 模塊。

將 Warp Kernel 節點添加到 Action Graph（需要啟用擴展 omni.warp）。

3. NVIDIA Modulus

NVIDIA Modulus 是一個開源物理機器學習平臺。該模型將物理學與深度學習訓練數據相結合，以構建具有近乎實時延遲的高保真、參數化代理模型。Modulus 可通過 Modulus 擴展程序與 NVIDIA Omniverse 集成，可用于將 Modulus 訓練的模型的輸出可視化。

目前，Modulus 擴展程序僅適用于 NVIDIA Omniverse USD Composer 2022.2.0 或更早版本支持的 Linux 版本。因此，如果使用的是 2022 以前的版本，可搜索該擴展程序體驗，本文不再詳述。

4.來自第三方的物理仿真擴展程序或連接器

NVIDIA Omniverse 是一個可擴展的計算平臺，用戶可以基于 Universal Scene Description（OpenUSD）在 Omniverse 中開發和構建自己的自定義程序和應用。

4.1 FlexSim

FlexSim 是一家仿真建模軟件提供商，專門從事離散事件仿真，使用戶能夠分析、可視化和優化各行各業的實際流程。FlexSim 開發了一個 NVIDIA Omniverse 連接器，使工程師、設計師和仿真專家能夠將 FlexSim 模型無縫轉換為 OpenUSD 格式。將 FlexSim 的高級材質處理工具包與 Omniverse 中的協作布局工具相結合，可以提高仿真規劃階段的靈活性，并提高數字孿生操作階段的視覺保真度。