【Siggraph2019】USD Authoring and

今天分享的是Pixar在Siggraph2019上关于USD的分享，整个系列包含五篇文章，这是第三篇，其他几篇可以通过下面的链接访问，PPT地址见参考文献[1]。

第一篇 【Siggraph2019】USD Introduction and Overview
第二篇 【Siggraph2019】USD Composition

整篇文章将从如下几个方面进行展开：
• Authoring API and Authoring Performance
• USD’s File Formats
• Native Scene Graph Instancing
• Value Clips
• Dynamic File Formats

首先来看下USD的Authoring部分，Authoring指的是对USD Layers（.usd文件）的写入操作。

这些写入包括Prim的创建、Attribute的创建与修改以及Composition Structure的添加等。

上面展示的是C++代码，但是使用python其实也是可以的。通过上述方式可以很方便的完成对Prim层次结构的定义。

这里展示了两个USD操作符，def（‘define’）表示创建一个prim，而over（‘override’）表示当对应的prim存在时，这些对于Attribute的修改才会生效。

创建一个带有类型的Prim可以通过上述方式完成。

Schema Class在使用的时候是不会判断有效性（即不会判断当前是否存在一个schema）的，因此在某些prims还没有依附到对应的schema之前可以用来做一些特定schema的数据Authoring工作（比如调用schema的API等）。

对属性的修正可以通过上述方式完成，USD的默认长度单位是cm，但是通过‘metersPerUnit’ metadata可以指定不同的长度单位。

与Composition Arcs相关联的API在上图中给出了，每个API都提供了一些类似于列表的操作功能（添加、删除、设置以及清除），通过这些API可以完成对Composition的Authoring工作：

每个Stage包含了很多的Layers，那么我们这里给出的Authoring是发生在哪个Layer上的呢？这个是通过什么方式指定的？

实际上Stage有一个当前的Edit Target对象（对应UsdEditTarget Class），我们可以直接编辑EditTarget来实现对不同Layer的切换。

比如上图中下面的三张小图分别对应的是（黄色箭头表示的是当前的EditTarget）：

1. 指定对应的Layer（第四个）
2. 指定对应的Composition Arcs（第二个）
3. 添加一个TimeCode偏移（？）

也可以将上述EditTarget组装到一起，比如先干啥，后干啥等。

这里给了一个EditTarget的应用案例，比如首先将EditTarget设置为Stage的session layer（默认情况下，UsdStages都有一个特有的in-memory layer，这个layer的话语权要比任何layer都要强，这是为了实现一些临时的override覆写而设计的，这些覆写不会被保存，就像是草稿本，这里的这个layer就是session layer）上，并将这个layer的Ghost Prim的visibility设置为invisible。

这里演示了如何对Variants进行Authoring，代码比较简洁，这里就不再解释了。

Edit Target在实际工作中用得非常多，而且也非常的有用，通常可以通过如下过程来实现对Edit Target的创建：

• 首先获取需要覆写的某个Prim的PcpPrimIndex，之后根据这个Index实现对composition structure的遍历
• 遍历完成后，可以得到对应的PcpNodeRefs，从这个结构我们可以构建出对应的Edit Target，从而可以实现对任意Prim的覆写。

下面是关于Edit Target的一些额外信息：

• 此外，后面还会发布一个新的高级别的USDPrimCompositionQuery接口，也可以实现对应的功能
• 如果是在项目制作中，可以为这个过程创建一个图形化的界面。

Authoring的性能表现不是特别好，对于只读操作而言，其表现经过优化后其实是不错的，而实际上我们在使用中绝大部分的工作都是读数据而非写数据。

Pixar的Presto一直在用这个东西，质量上应该是有所保障的，不过因为USD本身就是为了能够实现动态修正而设计的，因此在性能上相对于静态不变的场景表达方式有所不如也是正常的。

这里是Authoring的一些使用建议：

• 尽量避免多过的兄弟prims
  • 因为每个改动，都会触发name列表的重新构建
  • 添加兄弟prim的复杂度为O(n^2)
• 当prim数目超过10,000时，建议使用Grouping

这里介绍了一个延时通知的修改接口SdfChangeBlock，可以提升一点性能表现，不过相应的会有一些问题，比较适合用在bulk prim的创建上面。

这里给出了这个接口使用的一些坑或者说限制。

后面Pixar可能会考虑提供一套性能表现更好的编辑选项。

这里介绍了USD内置的几种文件格式，前面介绍过，.usda是可读版本，.usdc是二进制版本，.usd则是二者之一，使用.usd的话在两者之间切换不会破坏引用关系，这几种格式都是无损的，且支持全部的USD数据。

USDZ是压缩文件格式，这是跟Apple合作开发的用于网络传输的数据格式，这个格式能够支持包含贴图以及其他资源的USD文件。

这里介绍了.usda文件的一些特性，说到.usda文件的内容是在打开的时候完全加载到内存的。

.usdc文件的特性：

• 除了人类不可直接读写之外，没有任何缺点
• 编解码快速、无损压缩
• 在打开的时候，只会加载prim & property hierarchy信息
• attributes以及time samples数据是在需要的时候才会加载
• 数组数据在内存中是采用memory-mapped data存储的，因此在传输的时候基本上是零拷贝（相当于C++的指针或者引用）
• 只在Save的时候才会触发复制
• 数据是按照TimeCode升序组织的

插件文件格式中，提供了对Alembic文件的原生支持，此外还可以自定义自己的文件格式。

USD还有一些其他进阶特性：

• 提供了对Scene Graph Instancing的原生支持
• 支持Value的Clip操作（将某个数据块分拆成一个个小碎片（clip）放到多个clip文件中）
• 支持动态文件格式

USD的Prim本身就是为了Instancing而设计的，Usd会在运行时决定哪个'instanceable' prim是可以被共享的。

这里有一些使用规则：

• 具有相等Key的Prims只会被Composed一次
  • 会共享一个生成出来的Master prim层级
  • 支持对instance root prim的局部覆写
  • 不支持对descendant prim的局部覆写
• 提供了两个有用的API：UsdPrim API: IsInstance() and GetMaster()
• 支持嵌套instancing

上面给出了Instancing的两种做法，分别对应效率优先与易用优先。

易用优先是通过Instance Proxy来完成的，Instance Proxy是不断往前追溯直到对应的Master的只读UsdPrim，在Instance Proxy的机制下，用户将完全感知不到Instancing的存在，相当于直接访问到了原始的Prim数据。

Master是运行时动态创建的，因此不可以手动修改；通过一个未显示声明的Master可以实现显示的Instancing，实际上有很多种方法可以通过composition实现对Scene Description的共享（比如Inherit）。

使用Value Clips可以实现对来自于不同的clip layer的animation的组装、调序以及重新调整时间等功能，这在很多工作流上都十分有用。

这里是具体使用案例，比如三个不同的clip，按照顺序组合到一起，就形成了一个组合版的clip，其中的数据也按照前一个clip的最后一个数据顺延，而通过active就可以指明三个clip的起始位置坐标（5, 1）表示的是clip_1是从第5个timesamples开始计算的。

所谓的动态文件格式指的是：

• 根据场景的参数化输入，生成Scene Description
• 能够获得后面塞入到文件格式插件所需要的composed “argument”数值
  • 目前仅限于自定义的plugin-registered的metadata
• 当数值发生变化时，文件格式会自动触发重新生成content的机制
• 在使用的时候需要注意，这个文件格式对于其他需要读权限的用户必须要是线程安全的。

参考文献

[1]【Siggraph2019】USD Authoring and Advanced Features