为什么新一代工业软件需要一个强大的实时3D图形渲染引擎？

    不知道你有没有发现：新生代的工程师们已经开始嫌弃过去那种机械、古板和无聊的研发设计软件，他们渴望在一种操作流畅、赏心悦目和体验逼真的 数字化环境中游刃有余，因为创新往往都是在快乐和喜悦中发生的；新时代的工业企业也厌倦于过去那种沟通低效、数据抽象、逻辑晦涩的生产经营环境， 企业家们渴望在一种协同高效、数据可视和逻辑清晰的数字化环境中运筹帷幄，因为高瞻远瞩往往是那种通透洞察之后的先验和直觉。这种快乐和通透的体验，是工业软件与实时3D图形渲染引擎聚变的产物，这种聚变将和其他智能技术一起，共同推动新一代工业软件的诞生。

    作者 | 艾迪普科技创始人唐兴波

    首发 |艾迪普（ID：IDEAPOOL_GROUP）

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    实时3D图形渲染引擎的前世今生

    实时3D引擎的发展经历了多个阶段和里程碑。20世纪 70年代末和80年代初，出现了早期的3D渲染技术。这些技术主要用于实时绘制简单的线框模型和平面填充，但受到硬件性能和图形处理能力的限制。

    进入了20世纪90年代初，第一代真正意义上的实时3D 图形渲染引擎问世。它们利用了当时新兴的图形处理单元（GPU）和 3D加速卡，使得计算机能够更快地渲染和显示3D图形。这些引擎主要用于游戏开发和虚拟现实应用。随着计算机硬件的不断提升，实时3D引擎的功能也逐渐扩展。引擎开始支持更高级的图形效果，如纹理贴图、光影效果和粒子系统等。这使得游戏和虚拟现实应用能够呈现出更加逼真的图像和更为丰富的视觉效果。

    到了2000年代中期以后，跨平台和开源引擎的兴起为实时3D引擎的发展带来了新的动力。开源引擎，如O3D和Unreal，提供了基于开源算法构建的工具和资源，使得开发者能够更方便地创建和部署跨平台的3D 应用。近年来，实时3D引擎在实时交互和虚拟现实方面的发展非常活跃。引擎开始支持更先进的交互技术，如手势控制、语音识别和虚拟现实设备的集成，使得用户能够更自然地与3D场景进行互动。

    随着云计算和 5G 技术的崛起，实时3D图形渲染引擎在云游戏和流媒体方面的应用逐渐成为热点。引擎开始支持将计算和渲染任务移至云端，实现实时游戏和图形应用的流媒体传输，为用户提供更高质量、低延迟的体验。同时，实时3D引擎也开始拓展到了不同的应用领域，如教育、医疗和建筑等，工业领域与实时3D图形渲染引擎也正在快速融合。

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    新一代工业软件与

    实时3D图形渲染引擎的聚变

    传统方式的企业生产和管理越来越限制着企业的创新能力和生产效率。随着新一代工业软件的逐步发展，企业数字化、智能化转型开始展现出新的潜力。这些软件不仅能够用于自动化生产过程，优化资源配置，更重要的是，它们能够对生产数据进行智能分析和预测，帮助企业快速做出准确决策，实现生产流程的高效协同和优化。

    当下，实时3D图形渲染引擎正成为新一代工业软件的核心技术支撑，并为其带来了独特的优势。传统工业软件在完成建模对象的几何数据建模之后，为了让线、框、点组成的几何模型在2D的屏幕上呈现，并能够表现出立体的3D视觉效果，需要向模型增加纹理、色彩、光影等信息，使得几何模型最终呈现为三维图像，这一过程被称为渲染。

    在工业广泛应用的软件如CAD、CAE、BIM等，在完成数据模型后都需要实时渲染驱动来与场景结合，让使用者更加直观的看到融合场景的数据驱动内容展示。具体实现架构及应用结合方式如下：

    3D 渲染引擎与工业软件的聚变

    借助实时3D图形渲染引擎，企业可以将复杂的工程图纸、产品模型以及原型样本等转化为物理实体在数字世界的实时镜像体。这不仅使企业在产品设计、工程规划等方面节省大量时间和成本，更重要的是，它为企业带来了全新的交互式体验，使得客户、设计人员和工程师能够更加直观地参与其中，进行深度沟通、共同协作，从而推动企业产品的不断创新和提升。

    此外，结合实时3D图形渲染引擎，企业可以通过分析生产制造过程中产生的大量数据，呈现出这些数据之间多维度的逻辑关系，从而帮助管理者做出更明智的决策。在工业数字化、智能化发展过程中，诸多传统工业软件与实时 3D 图形渲染引擎相结合的创新应用正在崭露头角。

    2.1  CAD与实时3D图形渲染引擎的聚变

    数字化工业设计软件（CAD）结合实时3D图形渲染引擎可以加速产品和工程设计过程。设计人员可以在虚拟环境中快速创建、修改和测试产品原型，避免在实际制造阶段发现设计问题。同时，通过虚拟试验，可以优化产品性能并改进生产流程，从而提高产品质量和生产效率。

    CAD与实时3D图形渲染引擎结合，为产品设计、建筑规划、工程模拟等领域带来了巨大的益处。在这种应用结合下，设计人员使用CAD软件进行产品或场景的三维建模。这些模型包含了产品的外观、结构和功能等关键信息。当设计人员将CAD模型导入到实时3D图形渲染引擎中，就可以将静态的CAD模型转化成具有真实光影效果和纹理的动态三维场景。这意味着设计人员可以为产品设置逼真的光照、材质贴图和环境背景。

    在实时3D图形渲染引擎中，设计人员可以进一步调整场景的摆放、灯光效果和相机视角，以展示产品的各个方面和细节。通过调整这些参数，设计人员可以优化产品的外观和视觉效果，从而更好地满足客户的需求。实时3D图形渲染引擎还可以生成高质量的渲染图像或动画。这些渲染结果可以用于产品展示、市场营销、客户演示以及设计审查。通过在渲染过程中添加动画效果，设计人员还可以展示产品的运动和功能，从而更好地传达设计意图。

    CAD软件与实时3D图形渲染引擎的聚变反应链

    另外，使用实时3D图形渲染引擎的工业软件可以促进团队之间的协同和沟通。团队成员可以在共享的虚拟环境中讨论和编辑设计，更直观地交流意见和修改，从而减少误解和加快决策过程。

    2.2  CAE 与实时3D图形渲染引擎的聚变

    虚拟仿真软件（CAE）与实时3D图形渲染引擎应用结合是一种将CAE仿真分析结果及数据与实时3D图形渲染引擎相结合的技术，用于可视化展示和分析工程模拟的过程和结果。

    实时3D图形渲染引擎能够将设计、工程模型和数据转化为实时数据驱动的动态三维场景。这样，工程师、设计人员和决策者可以更直观地理解和评估产品、工厂或设备的外观和功能。通过虚拟仿真，可以在虚拟环境中测试设备、进行流程优化和预测产品性能，从而降低实际生产过程中的风险和成本。这种结合为工程领域带来了更全面、直观的模拟分析和决策支持。

    这一过程如何实现？首先，工程师使用CAE软件进行各种工程模拟和分析。如：利用有限元分析（FEA）来评估结构的强度和刚度，流体动力学分析 （CFD）用于研究流体流动行为，以及热传导分析用于研究热传导性能等。其次，工程师将CAE仿真分析结果通过实时数据传输的方式接入到实时3D图形渲染引擎中。实时3D图形渲染引擎能够将CAE模拟得到的数据转换成逼真的三维图像或动画，使工程师可以更直观地展示复杂的CAE分析结果，从而更容易理解和解释。

    在实时3D图形渲染引擎中，工程师可以设置场景的外观、灯光效果和材质贴图，以展示工程系统的实际运行状态和行为。通过动态的三维场景，工程师可以观察工程系统在不同条件下的响应和变化，更直观地了解系统的性能和瓶颈。此外，实时3D图形渲染引擎还可以生成高质量的渲染图像或动画，用于工程报告、客户演示和决策支持。这样的渲染结果可以用于展示工程系统的设计优势、问题所在以及可能的改进方案，从而帮助工程师和决策者做出决策。

    CAE软件与实时3D图形渲染引擎的聚变反应链

    2.3  CAM与实时3D图形渲染引擎的聚变

    CAM在产品结构描述、工程信息表达、工程信息的传输与转化、信息管理等过程中，通过与实时3D图形渲染引擎结合将产品加工路径与逼真的三维模型相结合，实现对制造过程的可视化和优化。

    首先，CAM创建产品的工艺路径和加工策略，根据三维模型的几何信息和工件的加工要求，生成产品加工轨迹及运动、加工顺序等信息。这些信息用于指导加工设备的运动和加工过程，从而将三维模型转换为实际零件。通过将生成的工艺路径导入到实时3D图形渲染引擎中，实时3D图形渲染引擎可以将加工路径与三维模型相结合，以逼真的方式展示零件的制造过程。

    通过这种可视化展示，制造工程师和操作人员可以更好地理解加工过程中的加工情况和工件的形状变化。此外，制造工程师可以检查加工过程中可能出现的问题，比如干涉、碰撞等，并对CAM工艺路径进行优化。实时3D图形渲染引擎应用结合提供了一种更直观的方式来沟通制造过程， 从而提高生产效率和质量。

    CAM软件与实时3D图形渲染引擎的聚变反应链

    2.4  BIM与实时3D图形渲染引擎的聚变

    近年来，BIM与实时3D图形渲染引擎的应用结合趋势日益明显。实时3D图形渲染引擎通过实时接入BIM软件生成的模型数据，将模型中的建筑信息以及各种数据元素，如建筑构件、材料、空间信息、施工进度等，与逼真的三维模型相结合，实现对建筑项目的全过程可视化和综合管理。

    建筑设计师、工程师等多个团队可以结合实时3D图形渲染引擎进行协同工作，共享设计数据，并在设计和施工过程中更新和管理模型，各个团队成员可以更直观地理解建筑项目的设计意图和复杂的空间布局。此外，在实时3D图形渲染引擎加持下，前端设计工具可以进行场景的外观、光照效果和材质的设置，使建筑项目更加真实。设计师可以漫游整个建筑模型，观察建筑的外观、内部空间和结构等细节。

    施工团队可以使用3D模型来规划施工过程和检查施工进度。通过实时3D图形渲染引擎与实时建筑设计数据的结合，可以输出高质量的渲染图像或动画，展示建筑项目的全过程。这些渲染结果可以用于设计评审、客户演示、施工规划等，以此优化设计和施工流程，提高建筑质量和效率。

    BIM 软件与实时3D图形渲染引擎的聚变反应链

    2.5  MES与实时3D图形渲染引擎的聚变

    在生产制造现场，对生产过程的有效监控至关重要。MES与实时3D图形渲染引擎的应用结合，将制造过程中的实时数据和生产信息与生产设备、流水线及工厂环境下所包含的所有物理设备与数字世界进行连接，实现对制造现场全方位的可视化监控和实时决策支持。

    MES 系统收集和处理制造过程中的各种实时数据，包括设备状态、生产进度、物料库存、工人工作状态等，这些实时数据和生产信息通过API接口或者数据库形式导入实时3D图形渲染引擎中。引擎可以将MES系统收集的实时数据与三维模型及场景相结合，以直观展示制造现场的情况。

    通过实时可视化展示，生产管理人员可以更直观地了解制造过程中的状态和变化，并实时呈现制造现场的外观、设备运行状态、物料流动等，使整个制造过程更加真实，还可以观察设备的运行情况、生产进度以及人员的工作状态等细节。

    通过实时3D图形渲染引擎展示实时数据，生产管理人员可以快速发现生产过程中的问题，并及时做出调整和决策。例如，在生产线上发现设备故障，管理人员可以立即采取措施解决，避免生产中断，实现制造过程的优化和实时决策支持，更好地了解和管理制造过程，提高生产效率和质量。

    MES系统与实时3D图形渲染引擎的聚变反应链

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    工业大数据与

    实时3D图形渲染引擎的聚变

    工业软件涉及大量的数据，包括传感器数据、模拟结果和设备参数等。数据是工业发展的基础，通过数据的收集、存储和分析，企业可以了解生产过程中的变化趋势、设备状态、产品质量等重要信息，从而做出更明智的决策和优化生产流程。然而，数据本身往往是抽象的、复杂的，无法直观表达生产管理过程的全貌。在大数据时代，企业面临着海量的数据和多样的挑战。

    在这种情况下，可视化的作用显得尤为重要。可视化通过将数据转化为图表、图像或动画等直观的形式，使得数据更易于理解和分析。通过可视化，工业企业可以将复杂的数据关系和趋势以更简单、直观的方式展示给生产管理人员。通过可视化将数据进行整合和展示，有助于工业企业更好地发现数据中隐藏的价值。

    可视化可以用于实时监控生产过程，帮助企业迅速发现生产线上的问题，并做出相应的决策。同时，可视化也可以用于历史数据的分析，帮助企业了解过去的生产情况，总结经验教训，为未来做出更好的规划和决策。这样，生产管理人员可以通过一张图表或一张地图，快速了解生产过程的状态，发现异常和问题，做出及时的反应和调整。这种数据可视化有助于决策者更好地理解工业过程，及早发现潜在的问题并把握机会。

    在可视化的基础上，实时3D图形渲染引擎的作用更进一步。通过实时3D图形渲染引擎，这些复杂的数据可以以3D场景化的方式呈现，帮助工业企业实现更真实、更直观的生产过程可视化，更容易理解和分析数据。通过将大数据分析结果融入到3D场景中，生产管理人员可以更清楚地了解生产线上的状态和流程，观察设备的运行情况、产品的生产过程以及设备之间的协调工作。这样，生产管理人员可以更加深入地了解生产过程中的细节，发现潜在的问题和风险，并做出更准确的决策和调整。

    大数据分析与3D引擎结合可以将大数据分析得出的结论可视化，并与高度还原的三维模型相结合，实现对复杂数据关系的多维度、不同逻辑关系下的可视化和更深入的数据洞察。企业生产、管理过程中各类系统、流程下产生的数据信息，通过实时传输至3D渲染引擎可以将大数据分析结果转换三维数据关系或者场景，并以三维立体展示，用户可以更直观地了解大数据分析得出的复杂数据关系和模式，进行更深入的数据洞察。这种方式从不同维度展示了大数据分析结果的全貌，帮助用户更好地理解数据和做出决策。

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    数字孪生是工业软件、大数据和

    3D实时渲染引擎融合孕育而生的产物

    数字孪生是工业系统流程管理、状态监测和运行控制等工业活动的载体，其基础功能包括对工业系统实体的感知与控制、模型的构建与管理、数据的组织与使用、应用服务的设计与部署以及工业系统实体、数字模型、数据和应用服务之间的高效连接等。

    一个完备的数字孪生体包含数字模型、测量与控制、 模拟仿真、数据分析、数字资产和人机界面等要素，是工业软件、大数据、物联网等技术的综合应用。与传统数字化技术相比，数字孪生更强调孪生体反哺优化物理实体，其关键在于通过数据驱动实现数字孪生体和物理实体的“共生”，达到全生命周期的映射、管理、控制、预测和优化的目的。

    实时3D图形渲染引擎对于数字孪生技术至关重要。数字孪生是将实际设备或系统与其数字模型相连接的技术，实时3D图形渲染引擎能够帮助创建和维护数字孪生模型，实现实时的设备监测、模拟和优化。

    数字孪生具有数模联动、虚实交互的特性，而数据的连接交互是实现数字孪生动态运行和虚实空间高效融合的核心关键。实时渲染引擎所具备的数据实时接入能力，与云化数据管理平台相结合，如华为iDME数据模型引擎，可整合并实现数字孪生应用场景的数据接入、数据处理、交互配置和算法调用，从而实现工业现场在数字化世界的全面映射、感知、交互和管理。

    随着虚拟现实和增强现实技术的发展，实时3D图形渲染引擎为数字孪生体提供了人机交互能力，且超越了人体五官所能提供的功能。虚拟现实技术可以实现沉浸式的体验，帮助用户更深入地探索和交互虚拟模型。增强现实技术可以将虚拟模型叠加到现实世界中，实现实时的可视化和指导，有助于提高操作效率和准确性。该技术使数字化的世界在感官和操作体验上更加接近物理世界，让“孪生”一词变得更为精妙。但在数字世界中，人类又具有超人般的特异功能，可以无限驾驭数字世界，例如变换大小、穿墙而过、隔空取物、时空穿越等。此时，人通过数字孪生体，开始获得超体的体验。

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    核心能力

    是实时3D图形渲染引擎的聚变燃料

    图形处理能力、图像处理能力、实时渲染能力、智能生产能力、音频处理能力是实时3D图形渲染引擎的核心功能，此外还应具备出色易用性、扩展性、兼容性、跨平台等性能。这些功能和性能可以说是实时3D图形渲染引擎的聚变燃料。

    出色的图形处理能力

    3D实时渲染引擎兼顾高精度的三维模型处理、纹理贴图技术、光影处理、强大的几何计算能力、高频帧率处理能力、快速的内存读写能力、高效的并行处理能力以及物理模拟能力。这些能力共同支持引擎处理大量三维模型，实现纹理映射，精确渲染反射、阴影等光影效果。

    同时，强大的几何计算能力使得引擎能够对三维模型进行变换、裁剪和投影等操作，提供流畅的使用体验。快速的内存读写能力和高效的并行处理能力则确保了数据的迅速传输和处理，提高了渲染效率。此外，物理模拟能力使得粒子系统、水流模拟和布料模拟等效果得以实现。综合这些图形处理能力，三维实时渲染引擎才能够渲染出具有高画质、优秀性能的视觉效果，满足各类应用场景的需求。

    卓越的图像处理能力

    工业领域数字化的落地应用，除了需要优秀的实时图形处理能力外，为了实现物理世界和数字世界的高效联动，同样需要融合处理图像的相关能力。

    如在音视频编解码方面，引擎需要在不同的环境及硬件上进行高效的音频和视频流的解码和编码。支持各种标准和高级的音视频编解码格式，包括但不限于AAC、MP3、H.264、H.265编码等。此外，实时渲染引擎也需要在音频和视频的播放中完成同步处理，以保证使用的最佳体验。

    此外，在图像识别方面，三维实时渲染引擎应该具备图像处理和计算机视觉的能力，这是现实与虚拟世界结合、实现增强现实（AR）或虚拟现实（VR）的基础。这涵盖了从简单的颜色和形状识别，到复杂的物体识别，人脸识别， 甚至深度学习的图像识别等技术。

    对虚实映射应用来说，实时渲染引擎既要将虚拟的3D模型和场景以逼真和高效率的方式呈现出来，同时也要将现实世界中的信息以适当方式集成进来。例如，在AR场景中，引擎需要在现实场景中适当地引入虚拟元素，以及根据现实环境的变化调整虚拟元素的显示——这就需要实时跟踪和处理来自现实世界的数据，如视点、光照、物理碰撞等。

    实时渲染能力

    实时渲染技术在工业领域的应用越发广泛，如产品设计、制造和维修工作更为高效精准，用户体验也被极大提升。

    实时渲染技术极大提升了设计效率。在传统的工作流中，设计师通常需要投入大量时间在等待模型渲染完成，而实时渲染技术可以让设计师立即看到设计的效果，这不仅提升了工作效率，也使设计师可以在设计过程中进行实时的调整和优化，进一步提升设计的质量。

    实时渲染能力有助于实现精准模拟。该技术可以将复杂的物理特性如光线、材质、阴影等纳入计算，以及复杂的表面特性，在模型中实现近乎真实的模拟和渲染。这一优点在各种领域都得到广泛应用，尤其在汽车和航空制造领域，可以实现对产品在各种环境和条件下性能的精准模拟，降低设计风险。

    实时渲染技术具备强大的交互性。它使工程师和设计师能够实时交互，旋转、缩放、调色等操作的结果可以立即看到，极大提高了用户的体验。同时， 这一特性也使得客户能更好地理解和接触产品，有利于提高市场推广效果和使用者的满意度。

    成本的节省。借助实时渲染这一技术，企业可以在设计阶段甚至在生产阶段前纳入更多的变量进行模拟和分析，而不必制造实物样品。以此，可以避免或者至少可以减少实物样品的制造，大幅降低费用和时间成本。

    随着实时渲染技术的不断演进，其对硬件性能的要求逐步降低，使得该技术逐渐普及和实用化。未来，我们有理由相信实时渲染技术将进一步推动工业设计和生产的革新，使得工业生产变得更为高效，节约资源和环保。

    智能的生成能力

    基于克隆、排列特效、自形变物体等功能，实现草地、树木等内容批量生产和分布排列，旗帜飘动、海洋水波流动等创意效果的自动生成，程序辅助生产大幅提升使用者的创作能力和效率，满足大规模复杂场景的快速制作需求。

    基于自动路径规划功能，设置起点和终点，引擎自动生成漫游路径，提升场景漫游追踪等内容的制作效率。

    杰出的性能

    为了更好的与传统工业软件应用能力匹配，实时3D图形渲染引擎除了要具备以上优秀能力外，还应该具备以下卓越的性能：

    图形实时处理及实时数据接入效率：随着工业应用场景越来越复杂，实时3D图形渲染引擎需要处理超大场景、超精细模型等数据和信息体量巨大的工业模型体，动辄亿级三角面片数及毫秒级的数据接入频率，引擎能够支持实时处理，并且保证在稳定帧率下运行显示。

    高效的交互操作：针对渲染输出的展示结果，会根据现有传统工业软件的操作使用习惯进行整体性交互设计。这些交互包含模型基础交互操作如：融合后处理结果的模型选取、模型部件的分离查看，爆炸图展示等，此外，也可以对渲染模型、三维场景、内容效果展示进行编辑、求解算法调用、数据与图表展示等，同时，也需要支持第三方实际应用调取引擎与交互指令。渲染输出结果支持到各类的交互终端如VR/AR设备或者多端设备的协同交互。

    广泛的易用性：强大场景编辑系统、动画编辑系统和摄像机控制模式（摄像机第一视角漫游模式、图文编辑模式等），让普通使用者能够通过简单操作实现高阶效果。提供节点编辑功能，让使用者无需编写代码即可实现逻辑运算、 触控操作、动画触发、参数互动、与外围设备进行交互操作等效果，打破专业限制，降低内容创作门槛，将数字内容应用引入到各行各业的数字化转型过程中。

    丰富的扩展性：提供功能丰富的SDK，助力各类工业软件进行联合应用开发，快速响应市场需求，无需从0开发，轻松构建工业软件融合创新应用模式。

    极高兼容性及跨平台能力：跨平台是挑战也是必要能力，引擎应具备对多种操作系统（如Windows、macOS、Linux、Android 和 iOS等）的兼容性。这意味着引擎必须与各平台的硬件和软件环境互动，确保3D内容的忠实、高效展示。对不同的开发环境，引擎也应提供相应的API和工具集。同时，考虑到移动设备的广泛应用，针对性能相对较弱，硬件资源受限的移动平台，引擎应有优化机制，保障渲染性能和电源管理。

    为了满足需求多变、更新频繁的三维图形应用，引擎也必须具备极强的扩展能力，以适配未来可能出现的新设备、新环境和新标准。

    三维实时渲染引擎在跨平台和兼容性上的能力，是决定其实用性和未来发展潜力的关键因素，这需要引擎在设计和实现上持续跟进技术进步，满足各种变化的需求。

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    新一代工业软件需要

    一个强大的3D图形渲染引擎

    驱动新一代工业软件快速发展的共性内核有很多，如几何建模引擎，几何约束求解引擎，模型轻量化引擎，数据转换引擎，工业渲染引擎、通用前后处理引擎，网格剖分引擎等。其中，实时3D图形渲染引擎作为其他共性技术的核心链接点，打通了各关键技术环节，进一步实现了数据流的平滑转换与高效处理。

    随着智能时代的到来，工业软件已经深入到企业研发设计和生产经营的每一个环节。科技的迅猛发展催生了新一代工业软件，它们如同强大的引擎，推动着工业企业实现数字化转型和高质量发展。其中，实时3D图形渲染引擎以其卓越的性能和丰富的展现形式，为工业数字化的深度发展注入了新的活力，为企业带来了前所未有的全新体验和巨大的竞争优势。在工业数据信息的驱动下，新一代工业软件正朝着实时性、交互式、三维化的方向快速进阶，强大的实时3D图形渲染引擎已经成为了这个进程中的必然选择。

    作者简介

    唐兴波，艾迪普科技创始人，20多年从事实时三维图形图像核心技术研发与应用，参与多项国家重大根技术攻关项目。