Isaac Sim 一百讲（2）：万物皆 Prim

前言#

在上一讲中，我们介绍了 Isaac Sim 的安装，并且使用一个简单的程序验证了安装的正确性。读者大可兴奋地期待着本章内容讲解程序的编写，并且可以上手编写自己的程序，然而遗憾的是，这节内容将是概念相关的内容，尽管相对枯燥，但是理解这些概念，对于我们后续的实践是至关重要的。

万物皆 Prim#

古希腊的一位哲学家兼数学家，毕达哥拉斯，曾经说过：“万物皆数”。这句话听上去十分带感，因此在这里对这句话进行一定的化用，在 Isaac Sim 中，万物皆 Prim。

我们无法找到某个准确的翻译来翻译这一概念，不过在科研界，这种现象比比皆是，因此也就不过多纠结了。要是想要寻求一个恰当的类比，学习过 Java 的读者可能会想到 Java 中的 Object 类，在 Java 中一切的变量都是 Object 类的实例，这是一种很好的迁移，在 Isaac Sim 中，一切的物体都是 Prim 类的实例。

Isaac Sim 的本质是对于物理世界的模拟，其中的关键在于模拟物理世界中的各种元素，例如物体、光照、纹理等，而在 OpenUSD 的管理范围下，这些东西都可以用 Prim 来替代，进一步在 Prim 上延伸出更多的种类，诸如 XFormPrim、RigidPrim 或者 Shader 等。Isaac Sim 搭建在 OpenUSD 的框架上，可以模拟 OpenUSD 中的物体的交互，使用 PhyX 进行模拟，并且使用管线对于视觉进行渲染等。

对于每一个 Prim，其包括几个关键的属性，即 prim_path, API 以及 Attributes。

Prim Path#

在 Isaac Sim 中，每一次的程序运行会打开某种实例，从意义的角度来说，可以称之为 Scene，也就是一个场景，而从定义上来说，我们剋称之为一个 Stage。在一个 Stage 下面包括若干的 Prim，这些 Prim 以树状结构组织，每一个 Prim 作为一个结点，因此对于任何一个 Prim，可以使用其递归父结点的名称来表示其路径，例如 /World/Table/LeftLeg 表示的是在 World 下面的一个 Table 下面的一个左腿，更进一步，在这个 LeftLeg 下面可能包括 Mesh 以及 Tex，前者表示左腿的形状信息，而后者表示左腿的纹理信息。

在 Isaac Sim 中，所有的 Prim 的 prim_path 都是唯一的，因此可以通过 prim_path 来访问任何一个 Prim。

import numpy as np
from isaacsim import SimulationApp
simulation_app = SimulationApp({"headless": False}) # we can also run as headless.

from omni.isaac.core import World
from omni.isaac.core.objects import DynamicCuboid
from omni.isaac.core.utils.prims import get_prim_at_path

world = World()
world.scene.add_default_ground_plane()
cube1 = world.scene.add(
    DynamicCuboid(
        prim_path="/World/cube1",
        name="cube1",
        position=np.array([0, 0, 1.0]),
        scale=np.array([0.5015, 0.5015, 0.5015]),
        color=np.array([0, 0, 1.0]),
    ))

cube1_prim = get_prim_at_path("/World/cube1")
simulation_app.close()

在这里面，我们创建了一个程序实例，即通过 simulation_app = SimulationApp({"headless": False}) 创建了一个非无头模式的应用实例，然后通过 world.scene.add_default_ground_plane() 创建了一个地面。DynamicCuboid 是一个用于演示很方便的类，其可以创建一个立方体，这个立方体具有重力以及碰撞箱。

读者可以使用代码：

...
world.reset() 
for _ in range(10): 
    world.step(render=True) 
simulation_app.close()

来查看这个立方体在重力作用下的运动，在这里不过多解释，后续会详细讲解，在这里可以理解为 step 是前向模拟一次。

大多数的实际上在操作过程中我们遇到的实例，都是经过了封装的内容，例如大多数的资产都会通过 XFormPrim 进行封装，这些类都具有属性 prim_path，也就可以直接获得他们的 Prim Path 了，例如：

...
print(cube1.prim_path) 
print(cube1_prim.GetPath()) 

API 与 Attributes#

在了解了 Prim 的基本属性 Prim Path 之后，我们也有必要了解一下，是什么区分了不同的 Prim，让他们具有了不同的功能。

在 Isaac Sim 中，API 是 Prim 的一个属性，一个 API 被添加之后，Prim 就可以被施加若干的属性，在这里以物理属性为例，以下代码可以查看一个 Prim 的 API 列表：

...
print(cube1_prim.GetAppliedSchemas()) 

可以得到输出：

['MaterialBindingAPI', 'PhysicsCollisionAPI', 'PhysicsMeshCollisionAPI', 'PhysxCollisionAPI', 'PhysicsMassAPI', 'PhysicsRigidBodyAPI', 'PhysxRigidBodyAPI']

不难发现其包含的 Rigid 以及 Collision 相关的 API。

每创建一个 API，其就会自动创建若干的属性，对于一些属性来说，其默认就会被创建，并且被设置为默认值，而其他的属性则需要手动创建，以应用这些变换。在后续的使用中，我们主要会对于 Physics 相关的一些 API 进行处理，这将在后续进行详细的展示。

话题回到当下，于是也就不难通过函数来获得这些 API 下面的 Attribute 的内容：

...
print(cube1_prim.GetAttribute("physxRigidBody:maxLinearVelocity").Get()) 

返回为 inf，也就是对于最大速度没有限制。读者不难注意到 physxRigidBody:maxLinearVelocity 是 physxRigidBody 这个 API 下面的一个属性，但是这个名字究竟是如何获得的呢？在这里指路文档，其 某一处 ↗ 包括这一说明。Isaac Sim 的文档中对于每一个 API 都有详细的介绍，而几乎没有任何的教程。当然，我们会使用的 Attribute 将在后续向大家详细的介绍，无需紧张。

总结#

通过本章内容，读者不难对于 Isaac Sim 有一个宏观的理解：Isaac Sim 通过 OpenUSD 管理一系列的 Prim，使用 API 以及 Attributes 来管理这些 Prim 的属性，并且通过其自身的特性，对于这些内容之间的交互（如物理碰撞或者渲染）进行处理。我们还没有详细讲解 step 相关的内容，这便是 Isaac Sim 的仿真的运行，通过这些内容，我们可以在一个场景中，添加物体、光照、纹理，模拟重力以及碰撞，从而运行良好的仿真。