Pixar USD 教程：变换操作、时间采样动画与图层偏移详解-优快云博客

Pixar USD 教程：变换操作、时间采样动画与图层偏移详解

OpenUSD Universal Scene Description 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/us/USD

概述

本教程将带领读者深入了解Pixar USD（通用场景描述）系统中的核心概念：空间变换（Transformations）、时间采样动画（Time-sampled Animation）以及图层偏移（Layer Offsets）。我们将通过构建一个旋转陀螺的示例场景，逐步演示这些技术的实际应用。

基础准备

静态几何体

教程从静态几何体开始，使用了一个在Houdini中建模的陀螺几何体。这个模型被导出为USD格式文件，包含以下特点：

采用旋转曲线建模技术创建
每个面都分配了顶点颜色属性
使用+Z轴作为"上"方向（USD支持自定义上方向轴）

坐标系选择

在计算机图形学中，选择坐标系的上方向轴是重要决策：

常见选择：+Y或+Z轴
USD作为管道交换格式，支持两种配置方式：
1. 站点级默认设置
2. 每个文件显式声明
本教程统一使用+Z轴向上，并在每个文件中明确声明

动画实现

时间范围设置

首先需要建立动画的时间范围：

def MakeInitialStage(path):
    stage = Usd.Stage.CreateNew(path)
    UsdGeom.SetStageUpAxis(stage, UsdGeom.Tokens.z)
    stage.SetStartTimeCode(1)    # 开始帧
    stage.SetEndTimeCode(192)    # 结束帧
    return stage

采用电影行业标准的24fps帧率
动画总时长192帧（8秒）
设置时间码范围确保正确插值计算

引用静态几何体

通过USD的引用机制将静态模型引入场景：

def AddReferenceToGeometry(stage, path):
    geom = UsdGeom.Xform.Define(stage, path)
    geom.GetPrim().GetReferences().AddReference('./top.geom.usd')
    return geom

关键点：

使用prepend操作确保引用优先级
创建Xform基元作为容器
引用操作保持场景结构清晰

添加旋转动画

实现陀螺自转效果：

def AddSpin(top):
    spin = top.AddRotateZOp(opSuffix='spin')
    spin.Set(time=1, value=0)      # 起始帧角度
    spin.Set(time=192, value=1440) # 结束帧角度(4圈)

技术细节：

使用UsdGeomXformable模式表示变换
属性命名规范：xformOp:rotateZ:spin
必须设置xformOpOrder定义操作顺序
USD使用线性插值计算中间帧

变换操作进阶

多重变换组合

真实陀螺会因重力倾斜，添加X轴旋转：

def AddTilt(top):
    tilt = top.AddRotateXOp(opSuffix='tilt')
    tilt.Set(value=12)  # 固定倾斜角度

变换顺序的重要性：

先倾斜后旋转：["xformOp:rotateX:tilt", "xformOp:rotateZ:spin"]
- 陀螺沿倾斜轴旋转
先旋转后倾斜：["xformOp:rotateZ:spin", "xformOp:rotateX:tilt"]
- 完全不同的运动效果

完整物理效果模拟

添加进动和位移效果：

def AddOffset(top):
    top.AddTranslateOp(opSuffix='offset').Set(value=(0, 0.1, 0))

def AddPrecession(top):
    precess = top.AddRotateZOp(opSuffix='precess')
    precess.Set(time=1, value=0)
    precess.Set(time=192, value=360)  # 一周进动

最终变换顺序：

进动旋转
位置偏移
倾斜角度
自转运动

图层偏移技术

基本概念

图层偏移允许对引用动画进行时间重映射：

# 无偏移引用
ref.AddReference(assetPath=anim_layer_path)

# 带96帧偏移
ref.AddReference(assetPath=anim_layer_path,
                layerOffset=Sdf.LayerOffset(offset=96))

# 0.25倍速播放
ref.AddReference(assetPath=anim_layer_path,
                layerOffset=Sdf.LayerOffset(scale=0.25))

时间计算公式： stageTime = layerTime * scale + offset