模型檔案格式與匯入:以 USD 為中心

Isaac Sim 不「支援很多格式」,它只真正認得一種:USD(Universal Scene Description,Pixar 開源的場景描述格式)。其他格式——CAD 檔、URDF、OBJ/FBX——進入 Isaac Sim 的路徑都是「先轉成 USD」。理解這一點,匯入問題就從「格式相容性」變成兩個明確的工程問題:怎麼轉、轉完怎麼補上物理屬性。

各格式匯入 USD 的路徑

1. USD 的最小必要概念

概念	意義
Stage	一份開啟中的場景,整棵場景樹的容器
Prim	場景樹的節點:Mesh(幾何)、Xform(座標變換)、Light、Camera、Physics Scene 都是 prim
Layer / SubLayer	USD 檔可以引用(reference / sublayer)其他 USD 檔組合成場景——場景不是單一大檔,是一棵引用樹
Xform op	prim 的位姿由 translate / orient / scale 等 op 組成,可用 API 讀寫

「引用樹」這個性質是實務上最容易吃虧的地方:一個 .usd 檔往往不是自包含的。它可能引用同目錄的子模型、別的目錄的材質庫(.mdl,NVIDIA Material Definition Language 材質格式)、甚至 NVIDIA 雲端資產(S3 URL)。只搬主檔換一台機器,場景會缺件。

2. 各格式的匯入路徑

CAD(IGS / STEP / SLDPRT / SLDASM)→ USD

機構設計輸出的 CAD 檔要經 Omniverse CAD Converter 轉換。實戰驗證過的流程:

CAD 清理:先在 CAD 軟體移除細小特徵(螺絲牙、倒角細節)。CAD 的精度對模擬是負擔——面數影響渲染與碰撞計算,而模擬不需要製造級細節。
轉 USD:用 Omniverse Converter 轉出幾何。Isaac Sim 6.0.1 已內建整條轉換鏈(HOOPS Exchange),不必另裝桌面版——實際呼叫方式、IGES 檔的判讀、以及「轉出來看起來是空的」這個最常見的誤判,見 21 CAD 資產的判讀與轉換。
加 collision / physics:轉出來的只有視覺幾何,碰撞體與物理屬性(質量、關節)要在 Isaac Sim 內另外加上(見 04-physics-world)。
分層:拆成多個 sublayer/reference 子檔組合(即 §1 表中的 Layer/SubLayer 機制),把一台車、一個貨架拆成多個子 USD 再組合,方便替換與重用。

URDF → USD

ROS 生態的機器人描述檔(URDF)有官方 importer:extension isaacsim.asset.importer.urdf,會把 link/joint 結構轉成 USD 的 articulation(關節樹)——GUI 的 File > Import 走的就是這條路,與 MJCF importer 同屬 asset importer 家族。

另有 isaacsim.ros2.urdf 是它的 ROS2 擴充:讓 importer 直接訂閱 ROS2 的 robot_description topic 匯入,而不是只吃本機檔案。兩者並存、用途不同——前者是「匯入本機 URDF 檔」的一般做法,後者是「從跑起來的 ROS2 系統即時抓 URDF」的特化做法,別混為一談。

官方資產:用下載的,不要自己搬運

NVIDIA 提供整套官方資產(範例機器人如 Carter、Nova Carter、倉庫環境如 Simple Warehouse、材質庫),來源是啟動參數指定的 asset root:

--/persistent/isaac/asset_root/default=https://omniverse-content-production.s3-us-west-2.amazonaws.com/Assets/Isaac/<版本>

場景引用官方資產時,執行期會從這個位址抓取——所以 headless 主機也需要對外網路。場域主機不能對外的話,要預先下載官方資產包並把 asset root 指到本地,完整做法(含另外三條會被忽略的對外連線)見 25 官方資產的預先下載與離線佈署。兩個授權面的提醒:

官方資產受 NVIDIA Omniverse 授權條款約束,教學/專案 repo 不應把官方資產二進位檔複製進去轉散布;正確做法是文件寫明「從 Isaac Sim asset browser / 官方 asset root 取得」。
同理,公司自製 CAD 轉出的 USD 屬公司資產,公開 repo 只描述結構與做法,不放原始檔。

3. 依賴解析:一個 USD 場景到底缺什麼

換機器部署前,先用 USD 內建工具做唯讀依賴解析:

from pxr import UsdUtils
layers, assets, unresolved = UsdUtils.ComputeAllDependencies("/assets/my_scene.usd")

實戰上對一個 157 MB 的展示場景跑出來的結果,正好展示了依賴的三種類型:

類型	例子	部署含意
本地 USD 層	主場景 + 子模型 `main.usd`	一起搬
本地材質庫	另一個目錄下的 `*.mdl` 材質包(24 GB)	最容易漏——不在模型目錄內,只搬模型目錄場景會缺貼圖
雲端資產	123 筆 NVIDIA S3 URL	不用搬,但目標機需要能連外

注意 unresolved 清單要人工判讀:雲端 URL 在離線解析器眼中都是 unresolved,但執行期能抓到,不是真缺檔。

另一個輕量檢查:懷疑場景裡有沒有某類物件(例如天花板),不必開 Isaac Sim,strings scene.usd | grep -i ceiling 就能命中 prim 名稱——USD 二進位檔內的字串是可讀的。

4. 資產目錄的組織慣例

多人協作的資產庫,實戰演化出的慣例:

usd_model/
  <車型A>/            # 一個機型一個目錄:模型各版本 + 該機型的展示場景
  push_back/          # 一種機構一個目錄:完整 CAD(IGS/SLDASM)與轉出的 USD 並存
  warehouse_assets/   # 環境場景
  official/           # NVIDIA 官方範例(baseline 對照、ROS 整合測試用)
  1100pallet/         # 標準料件(棧板)

命名慣例:*_full.usd 完整版、*_flatten.usd 簡化版、帶 test/copy/rebuild 字樣的是實驗版本。把 CAD 原始檔與轉出的 USD 放在同一目錄是值得抄的做法——轉換參數要調整時,不用追問「這個 USD 當初是從哪個 CAD 轉的」。

5. 延伸閱讀

官方文件:USD 入門(Pixar OpenUSD)、Omniverse CAD Converter、URDF Importer
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