Deze blogpost is oorspronkelijk gepubliceerd door SmartCow AI Technologies. Het is hier herdrukt met toestemming van SmartCow AI Technologies.
De afgelopen weken heeft het simulatieteam hier bij SmartCow AI gewerkt aan iets dat ons zal helpen een beter begrip te krijgen van hoe we betere , slimmere en efficiëntere ruimtes in onze wereld.
Dit alles kan worden gedaan door middel van de allernieuwste technologie die een Digital Twin wordt genoemd — een grootschalig simulatiesysteem dat zou fungeren als een nauwkeurige tegenhanger voor een echt gebied of object.
De eerste daadwerkelijke notie van een Digital Twin stamt uit 1991, uit David Gelernter's Mirror Worlds, waar hij het volgende vermeldt:
“Een Mirror World is een oceaan van informatie, gevoed door vele datastromen. Sommige stromen vertegenwoordigen handmatige invoer van gegevens op computerterminals; ze stromen langzaam. Anderen worden gevoed door automatische gegevensverzamelings- en bewakingsapparatuur, zoals de machines op de intensive care van een ziekenhuis, of weersbewakingsapparatuur, of verkeersvolumesensoren die in wegen zijn geïnstalleerd.”
Aan het begin van de eeuw paste Dr. Michael Grieves het eigenlijke idee van digitale tweelingen toe op software en in het echte leven, terwijl later in 2010 de term “Digital Twin” werd geïntroduceerd door John Vickers op Nasa. Tegenwoordig worden Digital Twin-systemen gebouwd om allerlei soorten gegevensstructuren te bewaken, gegevens te verkrijgen van hun echte tegenhanger en gevoed te worden met dezelfde gegevens om kennis op te doen over hoe verder te gaan met een specifieke taak.
Waarom Digital Twins?
Een van de grootste voordelen van Digital Twins die we hebben ontdekt, is hoe veelzijdig ze zijn. Als we elke ruimte in 3D kunnen repliceren, hebben we ook de flexibiliteit om objecten te verplaatsen of alles te veranderen wat we willen, zonder de fysieke toestand van de ruimte in de echte wereld te verstoren.
Dit ging natuurlijk gepaard met verschillende waargenomen voordelen, waaronder een grotere ruimte voor analyses om processtromen te observeren. Patronen die niet gemakkelijk in gegevens te zien zijn, kunnen in een Digital Twin ontstaan. Een ander groot voordeel is dat dit een uiterst kosteneffectieve oplossing is; als er iets misgaat of niet helemaal zoals gepland, kunnen we altijd een Digital Twin resetten.
We hebben gewerkt aan onze eigen Digital Twin-creatie voor gebruik in Smart City- en Smart Space-toepassingen. We wilden een systeem creëren waarin gegevens kunnen worden gevisualiseerd en bestudeerd tot het punt waarop een persoon deze gegevens kan verzamelen en overbrengen naar de echte wereld. Bovendien willen we deze data kunnen gebruiken om scenario's te simuleren die misschien niet aanwezig zijn in de data zelf, maar wel in de echte wereld.
DIY — Digitaliseer het zelf!
Dus, hoe hebben we het gedaan? Om te beginnen is een Digital Twin een 3D-systeem gebaseerd op een echte fysieke ruimte, dus zo hebben we het benaderd. Onze demo-build bevat een kruispunt in Antwerpen, België, met meerdere gebouwen, gebladerte, straatverlichting en verkeerssystemen.
Alle scène-items van de Digital Twin zijn gemaakt in 3D-modelleringssoftware. Een rendering-engine werd vervolgens gebruikt om de resultaten te visualiseren. Om onze gezamenlijke ontwikkeling te vergemakkelijken, gebruikten we NVIDIA's Omniverse™-platform als onze belangrijkste rendering-engine, die ook geweldig was voor realtime GPU-gebaseerde rendering. Hier is hoe we onze pijplijn hebben opgezet voor onze Digital Twin die realtime weer- en dag-nachtcycli ondersteunt:
SmartCow's benadering van het creëren van onze weer-compatibele Digital Twin!
Om aan deze lange reis te beginnen, zijn we begonnen met de 3D-modelleringsfase, omdat dit gemakkelijk het meest ingewikkelde en tijdrovende proces was. Elk relevant item in de scène moest worden gemodelleerd met een goede geometrie, textuurkaarten en/of materialen worden toegepast en consistent zijn met de omringende objecten. Het grootste deel van de middelen is gemaakt door onze toegewijde 3D-artiest.
Bij het maken van deze assets was de modelleringsworkflow vrij standaard: we hebben de assetgeometrie in 3D gemaakt die is samengesteld uit vierhoekige vlakken om ervoor te zorgen dat de geometrie niet alleen efficiënt is voor onze scène, maar dat deze ook gemakkelijk deelbaar is in driehoekige geometrie die een grotere kans om de algehele vorm van de mesh bij het renderen te behouden. Vervolgens hebben we de UV-kaarten gedefinieerd en een textuur toegepast voor elke UV-kaart. De scène moest een 1:1 digitale tegenhanger zijn, dus er moest extra aandacht worden besteed aan de ruimtelijke relatie tussen objecten; onjuiste schaling kan de immersie en het visuele getrouwheidsaspect van de scène verpesten.
Het detailniveau in de geometrie was ook een belangrijke overweging; een hogere getrouwheidsgeometrie ziet er beter uit en is meer meeslepend, maar zal langzamer werken en veel opslagruimte in beslag nemen. Het draait allemaal om balans!
Voorbeeld van een hyperrealistische 3D-tabel voor onze Digital Twin.
De volgende stap was om al onze 3D-gegevens te implementeren in een simulatie-/weergaveprogramma. De met de hand geschilderde 3D-texturen werden vervolgens geconfigureerd als materialen om te worden toegepast op de activa die de laatste scène vormen. Objecten werden vervolgens ten opzichte van hun fysieke tegenhanger in de Digital Twin-ruimte geplaatst. Nadat de lege scène was gemaakt, diende deze als een leeg canvas voor gegevensstreaming en simulatiemogelijkheden.
Als alle middelen bij elkaar zijn, begint de Digital Twin er goed uit te zien!
Wat functionaliteit betreft, beschikt onze build over een realtime weersysteem dat bestaat uit verschillende effecten, waaronder maar niet beperkt tot:
- Zonnig weer ☀️< /li>
- Regenachtig weer 🌧️
- Sneeuwweer ❄️
- Mist weer 🌫️
- Bewolkt weer ☁️
Om dit te bereiken, werd elke weersomstandigheden gedefinieerd als een configuratieprofiel. Elke configuratie bestaat uit deeltjesemittereffecten om weer zoals sneeuw of regen na te bootsen, en bijbehorende lichteffecten zoals een donkerdere, meer gedempte lucht via het bewerken van de lichtcompositie tijdens regenachtige omstandigheden en een helderdere, meer verzadigde lucht tijdens zonnige omstandigheden om de diepte verder te verbeteren van realisme.
Om nog een stap verder te gaan, hebben we realtime weergegevens verkregen van ons onlangs uitgebrachte CityStation-product. Het systeem werd op onze gewenste locatie geïnstalleerd en via een aangepaste connector die door ons team is geschreven, werden de gegevens opgenomen en geparseerd in onze Digital Twin. Door deze gegevens te gebruiken en het juiste weerprofiel in reactie op deze omstandigheden te activeren, konden we realtime weer simuleren dat perfect de exacte omstandigheden weerspiegelt in het gebied waar CityStation is geïnstalleerd!
Maak het regen! (ﾉ◕ヮ◕)ﾉ*:･ﾟ✧
Aangezien we deze realtime gegevens hebben, was het logisch om een extra stap te zetten om wat meer visuele getrouwheid toe te voegen. In dat geval was een dag-nachtcyclus de oplossing om onze scène te verbeteren. We hebben dit effect bereikt door zon- en maanprofielen te definiëren met een vergelijkbare opzet als onze weerseffecten. De positie van de zon (of maan) zou dan worden nagebootst door hun hoek aan te passen op basis van de huidige tijd van de dag met behulp van deze standaard formules voor zonne-elevatie. Wanneer de zon ondergaat, kan het maanprofiel optreden, en vice versa. Zonsondergangbeelden natuurlijk inbegrepen!
Geen scène is compleet zonder een prachtige zonsondergang!
Er kunnen nog meer functionaliteiten worden toegevoegd, zoals voertuigverkeerssystemen, voetgangersverkeerssystemen, voetgangerstelsystemen, enzovoort.
Inmiddels is onze Digital Twin heel mooi samengekomen. Nadat we dit hele proces van begin tot eind hadden gevolgd, kregen we dit als resultaat:
Ons resultaat — Een Digital Twin waarin je kunt leven!
Conclusie
Dus nu weet je hoe we de troebele wateren hebben benaderd die Digital Twin-ontwikkeling is. En hopelijk begrijp je hoe krachtig deze tool kan zijn. We zullen doorgaan met het toevoegen van nog meer functies om de ongelooflijke mogelijkheden van deze geavanceerde technologie te benutten. We denken echt dat met een Digital Twin de sky the limit is!
Referenties
Spiegelwerelden – of de dag dat software het universum in een schoenendoos stopt: hoe het zal gebeuren en wat het zal bedoelen. David Gelernter — Gepubliceerd op 14 november 1991.
Natalia Mallia
Machine Learning and Simulations Software Engineer, SmartCow AI Technologies
Ryan Gatt
3D-artiest, SmartCow AI Technologies
