Isaac Sim教程04 Isaac Sim的高级使用

Isaac Sim 高级使用

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学习目标

熟悉Isaac Sim物理场景的创建
熟悉Isaac Sim中添加材质的步骤

难度级别

初级	中级	高级
√

预计耗时

25 mins

学习前提

对象	类型	状态
Ubuntu22.04操作系统	软件	已确认
Isaac Sim	软件	已配置
Isaac Sim基本概念	知识	已了解
Isaac Sim基本使用	知识	已了解

添加物理环境

在仿真中，物体通常受到各种物理力，时间也在不断地流逝，为了尝试实现这样的仿真效果，请完成以下步骤：

通常来说，世界需要一般的物理模拟属性，例如重力和物理时间的步进，依次点击Create->Physics->Physics scene来添加物理环境
在这里插入图片描述

随后，在Property->Physics里修改这个物理环境的基本属性，因为这是简单的测试，所以不需要GPU的强大能力，取消选中Enable GPU Dynamics，并将Broadphase Type改为MBP

multi box pruning (MBP)是一种Broadphase（广相位）的算法，具体细节可参考Nvidia physX 中的说明。

“Broadphase”（广相位）是物理引擎中的一个阶段，它用于加速物体之间的碰撞检测。 Broadphase的目标是减少需要进行详细碰撞检测的物体数量，从而提高碰撞检测的效率。这对于处理大量物体的仿真非常重要，因为详细碰撞检测是计算密集型的操作。

在Broadphase之后，只有被Broadphase算法认为可能发生碰撞的物体对才会进行详细的碰撞检测。这包括精确的形状相交检测，如球体、多边形、网格等。由于Broadphase已经大大减少了需要检测的物体对的数量，这一步通常较为高效。

更详细地说，在物理引擎中，碰撞检测通常分为广相位（Broad Phase）和窄相位（Narrow Phase）两个阶段，这有助于有效地处理大量物体之间的碰撞。以下是对这两个阶段的详细解释：

广相位（Broad Phase）：
在广相位中，物理引擎会确定哪些物体可能会发生碰撞，并将这些潜在碰撞对象存储在一个列表中，通常被称为碰撞对（collision pair）。这一阶段的目标是减少需要在窄相位进行详细碰撞检测的物体数量，从而提高碰撞检测的效率。广相位的任务是识别可能碰撞的物体，而不是确认它们是否确实碰撞。

举例来说，如果你想模拟整个世界的人口，就需要检查每个代表人的对象是否与其他人发生碰撞。但显然，伦敦的人不可能与大连的人发生碰撞，因此没有必要在广相位中检查这两个城市的所有人之间的碰撞。广相位会尝试将世界分成离散的区域，其中我们知道这些区域不会重叠，因此区域内的物体也不会发生碰撞。这样可以大大减少需要进行详细碰撞检测的对象数量，从而提高性能。
窄相位（Narrow Phase）：
在窄相位中，引擎会迭代广相位中识别的潜在碰撞对列表，并对每对物体进行详细的碰撞检测，以确定它们是否确实发生了碰撞。如果两个物体在窄相位中被确认为发生碰撞，那么引擎将执行碰撞解决过程，即使物体之间的碰撞也会得到处理。

总而言之，广相位负责快速识别可能碰撞的物体，将它们存储在一个列表中，而窄相位则负责对这些潜在碰撞对进行详细的碰撞检测和解决。通过这种两阶段的碰撞检测方法，可以显著减少需要检测的对象数量，从而提高物理引擎的性能和效率。

对于广相位更深入的理解可参考Newcastle University相关研究

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添加地面

和其他仿真软件一样，Isaac Sim也需要添加地面，这是因为即使有了重力等物理环境，物体在开始仿真前也被摆放好了位置，如果没有地面，那么物体可能会处在一直坠落的状态。

依次点击Create->Physics->Ground Plane来添加一个地面
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可以看到地面被添加了，通过鼠标中间缩放，发现地面只有一部分，这是因为超出范围的地面不需要渲染，以此减少性能开销，但即使是在不可视的地面，依然会有碰撞属性，物体在坠落到地面时不会再继续向下坠落。
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添加物体

按照Isaac Sim基本使用中的办法，添加一个普通的立方体，并将它的位置设置在[0,0,0.5]，这是因为默认的物体中心将在[0,0,0]出现，默认立方体的边长是1m，内嵌在了地面中，这显然和地面冲突了。
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添加光照

每个Stage都带有默认的环境光照（defaultLight），否则看不见东西。
此时我们来尝试添加另一个光照，来感受光照对于环境和物体的影响。
依次选择Create->Light->Sphere Light来添加一个球状光源
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因为默认环境光照比较强，会导致新的光照看着似乎没有生效，因此在Stage中将defaultLight设为不可视
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随后将这个新添加的球状光照的颜色改为红色使得它更加显眼，Radius改为1使得它不再是添加时默认的非常大的半径，同时将这个球光源的Z轴位置设置为5，便于观察。
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添加更多物体

随意地从Create->Shape里找一些物体，将他们悬空放置
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随后点击Isaac Sim左侧的Play来使仿真开始步进
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令人疑惑的是，这些物体并没有按预料中的方式下坠，这是因为虽然设置了物理环境，但并没有设置物体自身的物理属性，接下来在Propetry中为物体添加刚体和碰撞器

添加刚体和碰撞器

在Stage中选中物体，并在Property中添加Physics里的Rigid Body with Colliders Preset。
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刚体 Rigid Body
刚体可以具有质量、惯性、速度、角速度等属性，这些属性决定了物体如何响应外力和碰撞。
刚体可以是动态的（可以受到外力和碰撞的影响）或静态的（不会移动）。
在游戏引擎中，如Unity或Unreal Engine或者其他仿真器，将刚体属性添加到对象，可以使其具备物理性质。
碰撞器 Collider
碰撞器是用于定义物体的碰撞形状和边界的组件，通常与刚体一起使用。
碰撞器没有质量、速度等物理属性，它们仅用于检测物体之间的碰撞。
碰撞器可以是各种形状，如盒状碰撞器、球形碰撞器、网格碰撞器等，以适应不同形状的物体。
当两个具有碰撞器的物体发生碰撞时，游戏引擎会检测碰撞并触发相应的事件，例如碰撞检测、碰撞响应等。

在添加完后会发现物体多了这些属性，以Cube为例，它有各种各样的Property，包括Geometry、Visual、Physics等，在Physics中可以发现刚才新添加的Rigid Body和Collider
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检查碰撞体情况

依次选中GUI界面中的眼睛->Show By Type->Physics->Colliders->All来启用碰撞体可见模式。
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开始仿真

此时再次点击Isaac Sim左边的Play按钮，将会观察到悬空的物体在时间开始流动时不断下坠，直到撞击地面

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添加物理材质

对于特定的仿真，比如箱子在斜坡上滑动，需要涉及到摩擦力等问题，物理材质在其中起到了重要的作用。
依次点击Create->Physics->Physics Material来创建一个物理材质
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在添加物理材质时会提示不同材质的选项，这也是Isaac Sim的强大之处，"rigid body material"、"deformable body material"和"PBD Particle Material"是可选的三种类型。

Rigid Body Material（刚体材质）
- 刚体材质用于模拟刚性物体，这些物体不会发生形变，其形状在运动过程中保持不变。
- 刚体通常用于模拟硬物体，如石头、金属、木头等。
- 物体之间的碰撞会产生弹性反应，而且刚体通常不会发生变形。
Deformable Body Material（可变形材质）
- 可变形材质用于模拟具有弹性的物体，它们可以发生形变，如橡胶、布料、软泥等。
- 这些物体在受到外部力或碰撞时可以发生形状的变化，通常会遵循弹性和塑性行为。
- 通常需要更复杂的物理模型来模拟可变形物体的行为，如有限元分析。
PBD Particle Material（基于粒子的动力学材质）
- PBD（Position-Based Dynamics）是一种用于模拟可变形和弹性物体的方法，通常用于模拟细粒度的物体，如液体、布料等。
- PBD通过在模拟中使用一组粒子来表示物体，并应用基于位置的动力学来模拟其行为，可以处理大变形和复杂物体。
- PBD通常比传统的有限元分析更高效，但也可能缺少精确性。

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因为这里只是普通的刚体，因此在PhysicsMaterial的资产中选择Rigid Body Material，随后在Property里的Physics里修改摩擦力的选项

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随后为Cube添加这个摩擦力的属性。在这里插入图片描述

添加外观材质

除了物理材质，物体也可以添加用于外观展示的材质
依次选中Create->Material->OmniPBR来添加一个OmniPBR材质，可以理解为普通的外观材质。

Omni PBR材质
Omni PBR材质是一种基于物理的渲染（Physically-Based Rendering，PBR）材质，用于实现更逼真的图形渲染效果。PBR是一种图形渲染技术，旨在模拟光线如何与物体表面交互以产生更真实的视觉效果。这种技术考虑了光的物理特性，包括漫反射、镜面反射、折射等，以在虚拟环境中模拟材质的外观和光照交互。

OmniPBR材质的Property里有海量的可调选项，这也是Isaac Sim的强大之处，此处就以简单地修改颜色为例。
选中OmniPBR->Property->Albedo->Albedo color修改为你喜欢的颜色，随后将Stage中这个材质拖动到场景物体上即可赋予视觉的颜色。

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另一种更准确的方式是在对应Prim的Property->Material on selected model中选择刚才添加的OmniPBR

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现在，你已经学会了如何创造一个更加真实的世界，带有物理环境、物体、地面、光照、刚体与碰撞、物理材质、外观材质等内容。

USD文件的保存与使用

保存USD文件

在localhost/Library下新建文件夹isaac_learning用于存放Isaac练习的相关文件
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在GUI界面的File->Save保存USD文件

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对于使用了多个外部素材的USD文件，建议将它所涉及的素材全部打包到一个文件夹内
通过右键USD文件并选中Collect Asset来收集相关素材并打包。
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使用USD文件

在Nvidia Isaac Sim中使用USD文件作为参考的步骤如下图所示：

选择菜单栏中的 File。
在下拉菜单中选择 Add Reference 选项

一旦加载完成，引用的USD文件将以与文件名相同的Prim名称加载到舞台上。这意味着整个USD文件的内容，包括PhysicsScene、defaultLight和GroundPlane等内容，都会被加载到新的舞台上。

注意： 这可能导致混淆，特别是当您需要加载多个USD参考，每个参考包含自己的PhysicsScenes和defaultLights。由于这些内容是通过Add Reference加载的，您不能直接在新的Stage上删除它们。同时，在原始USD文件中删除PhysicsScene、defaultLight和GroundPlane等内容也不是一个理想的解决方案，因为这可能会导致在创建USD文件时更加复杂。

为了更好地管理加载的USD文件和避免加载原始世界的环境内容，您可以按照以下步骤修改原始USD文件：

创建一个名为 my_robot 的新 Xform，用于容纳机器人的相关组件。
将机器人的所有组件从原始USD文件拖动到 my_robot 这个 Xform 下。
将 my_robot 设置为新的defaultPrim。这样，当您在其他舞台上将机器人作为参考导入时，只会导入机器人的主体，而不会包含原始世界的环境内容。这一步确保了您只加载了所需的机器人部分，而不会混淆或加载多余的内容。

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