为什么是 USD

学习目标

• 说清 USD 是什么，为什么它不只是"又一种机器人描述格式"

• 对比 URDF、MJCF、SDF 与 USD 在描述范围、引用、物理、协作上的差别

• 说出 Isaac Sim 把一切建立在 USD 上带来的好处和代价

前置知识

• 0.2 分层依赖图：USD 在整个体系里处于哪一层

USD 是什么

这一节回答：USD 到底是文件格式，还是别的什么？

USD（Universal Scene Description，也叫 OpenUSD）由 Pixar 开发并开源，用来交换和叠加编辑任意 3D 场景[1]。2023 年，Pixar、Adobe、Apple、Autodesk 与 NVIDIA 成立 Alliance for OpenUSD（AOUSD），推动它成为开放标准[2]。

把 USD 理解成文件格式是不够的。它由三部分组成：

• 场景描述：场景里有什么东西、它们是什么类型、带哪些数据；

• 合成引擎（composition engine）：把分散在许多文件里的描述按固定规则合成为一个场景，官方 FAQ 说这才是 USD 的首要功能[3]；

• API：C++ 与 Python 接口，用来读写、遍历这个合成后的场景[1]。

合成后的整个场景叫 Stage，其中每个节点叫 Prim。这两个概念在 2.2 细讲。

文件扩展名一句话区分：.usda 是可读的文本，.usdc 是二进制（Crate 格式，支持随机访问），.usd 两者皆可，.usdz 是把 USD 与贴图等资源打进一个包[3]。

与 URDF、MJCF、SDF 对比

这一节回答：机器人领域已经有好几种描述格式了，USD 有什么不同？

维度	URDF	MJCF	SDF	USD
描述范围	单个机器人，不能描述它在世界里的位置，也不能描述灯光等非机器人对象[4]	一个完整模型：worldbody 下的多个物体、物理选项、执行器、传感器[5]	整个世界：world 下含物理、场景、灯光、多个模型[6]	任意 3D 场景，机器人只是其中一部分[1]
层级与引用	link / joint 组成的树，不能描述闭环机构[4]；文件本身没有引用机制，通常用 xacro 宏先生成再使用[7]	嵌套的 body 树；<include> 在解析时把其他文件并入[8]	<include> 按 URI 引入模型，可覆盖名字与位姿[6]	子 Layer、引用（reference）、载荷（payload）、变体（variant）等多种合成方式，规则统一[1]
物理	质量、惯量、关节限位等基本动力学，缺少摩擦等属性[4]	完整的物理参数、接触与执行器模型[5]	physics 元素描述引擎参数[6]	通过 Schema 扩展，如通用的 UsdPhysics[9]，各引擎再加自己的 Schema（如 PhysX）[10]
外观与渲染	每个 link 的材质只有颜色和贴图文件[11]	网格、贴图、材质资源[8]	视觉与材质元素[6]	材质与着色网络（UsdShade）[12]，可引用 MDL 等材质定义[13]
非破坏性编辑	不支持，要改就改文件或重新生成（推断：格式中没有覆盖机制）	default 类可统一设置默认值[8]，但不能在不改原文件的情况下覆盖另一份文件（推断）	<include> 时可覆盖少数字段[6]	在更强的 Layer 里写覆盖，不动原文件[1]
多人协作	单文件，靠版本管理合并（推断）	同左（推断）	同左（推断）	不同的人在各自的 Layer 上工作，互不覆盖[1]
主要工具链	ROS（RViz 等）[7]	MuJoCo	Gazebo	Isaac Sim / Omniverse，以及 AOUSD 成员公司的内容创作软件（推断：依据成员名单[2]）

表 1：四种格式的对比。MuJoCo 也能加载 URDF 与 OpenUSD[5]，格式之间可以转换，但转换后各自的能力范围不变。

URDF、MJCF、SDF 都是为某个仿真器或框架设计的机器人或世界描述，一个文件大致对应一个完整模型。USD 是为多方协作搭建大型场景设计的场景合成系统，一个场景由许多文件叠加而成。

对机器人仿真意味着什么

这一节回答：这些差别在机器人仿真里有什么用？

用本站主线机器人 Galbot One Golf 的描述仓库举例[7]。这个仓库同时提供 URDF（给 ROS）、MJCF（给 MuJoCo）和 USD（给 Isaac Sim）三份描述。它的 USD 入口文件本身很小，主要内容是"引用什么、怎么组合"：

        %%{init: {"flowchart": {"rankSpacing": 34, "nodeSpacing": 18, "padding": 6}}}%%
flowchart TB
    ROOT["galbot_one_golf.usda<br/>入口"]
    BASE["base.usda<br/>几何与材质"]
    VPHY["Physics 变体<br/>默认选 physx"]
    VOTH["Sensor / Robot / ROS 变体<br/>各有 none 与启用两档"]
    PHYSX["physx.usda<br/>PhysX 专用参数"]
    PHY["physics.usda<br/>通用物理"]
    ROOT --> BASE
    ROOT --> VPHY
    ROOT --> VOTH
    VPHY --> PHYSX
    PHYSX --> PHY
    

图 1：Galbot USD 资产的组织方式，自上而下，底层在下。箭头表示"引用 / 叠加了下面的文件"：入口引用几何本体，再用四组变体按需加载物理、传感器等内容；physx.usda 叠加在通用的 physics.usda 之上。

从这个例子可以看出三点：

• 同一份资产服务多种用途。 几何、材质、物理、传感器写在同一个资产里，渲染、物理仿真、合成数据用的是同一份数据。

• 按需组合，而不是复制出多个版本。 要不要物理、要不要传感器，由入口文件里的变体（variant）选择，不需要为每种组合各存一份文件[14]。

• 分层覆盖，不改原文件。 通用物理写在 physics.usda（UsdPhysics 的刚体、质量、关节驱动），PhysX 专用参数写在 physx.usda，后者把前者作为子 Layer 叠加进来[10]。换物理引擎时只需换上面那一层。这种覆盖机制在 2.3 Layer 与合成 细讲。

场景层面也一样：Isaac Lab 搭建训练场景时，机器人、桌子、物体各是一份 USD，由场景引用组装起来，再复制成成千上万份（见 3.7 场景组装与 Cloner）。

Isaac Sim 与 USD 的关系

这一节回答：USD 在 Isaac Sim 里处于什么位置？

在 Isaac Sim 里，Stage 就是仿真世界。你在界面里看到的、物理引擎在算的、传感器在拍的，都是同一个 Stage 上的 Prim。导入 URDF 或 MJCF，实际上是把它们转换成 USD[15]；之后仿真读的是 USD。USD 是 Omniverse Kit 的组成部分，在分层图中的位置见 0.2。

相关页面：

• 基本概念：2.2 USD 核心概念

• 物理怎么写进 USD：2.4 Schema：USD 如何描述物理

• 导入机器人：3.5 URDF / MJCF 导入

代价

这一节回答：用 USD 要付出什么？

• 概念多。 Layer、引用、载荷、变体、合成强弱顺序，都要先弄懂，才能判断"这个值最终从哪来"。URDF 打开一个文件就能看全。

• 调试方式不同。 某个属性的值可能来自好几层中的任意一层，出了问题要看合成结果，而不是只看某一个文件。需要借助 Isaac Sim 界面里的属性面板或 USD 的 Python API（见 2.5）。

• 二进制文件难以直接比较。 .usdc 与 .usd（二进制时）不能直接 diff，需要先转成 .usda。

• 机器人生态还在迁移。 ROS 工具链仍以 URDF 为主，同一个机器人往往要同时维护多份描述，Galbot 仓库就是例子[7]。

常见误解

误解一：USD 是 NVIDIA 的格式

不是。USD 由 Pixar 开发并开源[1]，目前由 Pixar、Adobe、Apple、Autodesk、NVIDIA 等成立的 AOUSD 推动标准化[2]。NVIDIA 是主要推动者之一，Omniverse 以它为基础。

误解二：导入 URDF 以后，URDF 还在起作用

导入是一次性转换，结果是一份 USD[15]。之后在 Isaac Sim 里改的是 USD；再改 URDF 不会自动同步，需要重新导入。

误解三：USD 文件就是一个 3D 模型

一个 USD 文件可以只是一个模型，也可以只是一组覆盖、一个变体，或者一个只负责"引用谁"的入口，比如 Galbot 的入口文件[14]。你在 Stage 上看到的是许多文件合成后的结果。

误解四：有了 USD，URDF 和 MJCF 就没用了

它们服务于不同的工具链。ROS 仍以 URDF 为主，MuJoCo 以 MJCF 为主。本站主线用 USD，但真机部署时通常还要 URDF。

延伸阅读

• 官方文档：OpenUSD：Introduction to USD、OpenUSD FAQ、Isaac Sim 5.1.0：OpenUSD Fundamentals

• 源码与资产：Galbot One Golf 描述仓库（Apache-2.0）

• 中文翻译（中文翻译站，译自最新版 Isaac Sim 文档，与主线 5.1.0 可能有差异）：Isaac Sim 文档首页

版本说明

本页不涉及具体 API，内容对 5.1.0 与 6.1 都成立。Isaac Lab 3.0 引入了不启动 Kit 的运行方式（Kit-less），这种模式下 USD 的角色有何变化，见 8.1 3.0 改了什么、为什么改。

[1] (1,2,3,4,5,6,7)

OpenUSD：Introduction to USD：https://openusd.org/release/intro.html（#what-is-usd：首个公开的、可稳健交换与叠加编辑任意 3D 场景的软件，提供单一 API 与场景图；#why-use-usd：多名艺术家在各自的 Layer 上协作、非破坏性编辑；#heritage-of-usd-at-pixar：源自 Pixar 的内部系统；#usd-can-compose-and-override：subLayers、references、payloads、VariantSets、inherits、specializes 等合成方式）

[2] (1,2,3)

Alliance for OpenUSD 成立公告（2023-08-01）：https://aousd.org/news/pixar-adobe-apple-autodesk-and-nvidia-form-alliance-for-openusd-to-drive-open-standards-for-3d-content/（Pixar、Adobe、Apple、Autodesk、NVIDIA 发起，推动 OpenUSD 的标准化与发展；隶属 Joint Development Foundation）

[3] (1,2)

OpenUSD FAQ：https://openusd.org/release/usdfaq.html（#isn-t-usd-just-another-file-format：USD 的首要功能是把分散在多个文件中的场景描述合成为单一层级视图；#so-what-file-formats-does-usd-support：.usda 文本、.usdc 二进制 Crate、.usd 为两者之一；.usdz 为打包格式）

[4] (1,2,3)

Gazebo Classic 教程 "URDF in Gazebo"：https://classic.gazebosim.org/tutorials?tut=ros_urdf（Background：URDF 只能描述单个机器人的运动学与动力学，不能描述它在世界中的位姿，不能描述关节闭环，缺少摩擦等属性，也不能描述灯光、高度图等非机器人对象）

[5] (1,2,3)

MuJoCo 文档 Modeling：https://mujoco.readthedocs.io/en/stable/modeling.html（MJCF 是描述复杂动力学系统的 XML 语言；模型含 worldbody、运动学树、物理选项、执行器、传感器；也能加载 URDF 与 OpenUSD）

[6] (1,2,3,4,5)

SDFormat 1.11 规范 world.sdf（sdformat commit 0af4bdb）：gazebosim/sdformat（world 含 include（按 URI 引入模型，可覆盖 name、static、pose）、physics、scene、light、model）；视觉与材质元素见 http://sdformat.org/spec

[7] (1,2,3,4)

Galbot One Golf 描述仓库 README（commit 2d496b0，Apache-2.0）：GalaxyGeneralRobotics/galbot_one_golf_description（ROS 2 描述包，含 URDF、MJCF 与 USD；URDF 由 xacro 生成，MJCF 由 urdf-to-mjcf 生成；USD 入口为 usd/galbot_one_golf.usda）

[8] (1,2,3)

MuJoCo 文档 XML Reference：https://mujoco.readthedocs.io/en/stable/XMLreference.html（#include：解析时并入其他 XML 文件；#default：按类设置属性默认值；#asset：mesh、texture、material）

[9]

OpenUSD：UsdPhysics：https://openusd.org/release/api/usd_physics_page_front.html（刚体、碰撞形状、关节、关节系统、物理材质等 Schema）

[10] (1,2)

Galbot One Golf usd/payloads/Physics/physx.usda（commit 2d496b0）：GalaxyGeneralRobotics/galbot_one_golf_description（以 physics.usda 为子 Layer，再加 PhysxArticulationAPI、PhysxJointAPI 等 PhysX 专用 Schema；physics.usda 使用 PhysicsRigidBodyAPI、PhysicsMassAPI、PhysicsDriveAPI 等通用 Schema）

[11]

urdfdom_headers urdf_model/link.hpp（commit d80638a）：ros/urdfdom_headers（Material 只有 color 与 texture_filename）

[12]

OpenUSD：UsdShade：https://openusd.org/release/api/usd_shade_page_front.html（创建与绑定材质的 Schema，材质封装着色网络）

[13]

Galbot One Golf usd/payloads/materials.usda（commit 2d496b0）：GalaxyGeneralRobotics/galbot_one_golf_description（材质着色器引用 usd/Textures/pbr.mdl）

[14] (1,2)

Galbot One Golf usd/galbot_one_golf.usda（commit 2d496b0）：GalaxyGeneralRobotics/galbot_one_golf_description（引用 payloads/base.usda；Physics、Sensor、Robot、ROS 四组 variantSet，每个变体以 payload 加载对应文件；默认 Physics 为 physx）

[15] (1,2)

Isaac Sim 5.1.0：URDF Importer Extension：https://docs.isaacsim.omniverse.nvidia.com/5.1.0/importer_exporter/ext_isaacsim_asset_importer_urdf.html（把 URDF 描述的机器人转换为 USD，结果遵循 Isaac Sim 资产结构约定）