使用USDRT优化NVIDIA Omniverse的动态数据更改功能

在 NVIDIA Omniverse 开发中，此前我们已探讨了常见的性能瓶颈、如何使用 Tracy 等工具进行问题定位，并初步介绍了 FSD（Fabric Scene Delegation）与 USDRT 等核心概念。本期文章将聚焦USDRT，通过具体的代码与示例，深入解读如何利用它来高效优化场景中的动态数据更改。

1. USDRT 基本概念

USD：由 Pixar 开发提供的原生 API 库，有 C++ 和 Python 两种接口，提供对 USD 场景的操作访问，其特点是写入速度慢。

Fabric：由 Omniverse 编写提供的库组件，只有 C++ 一种接口，为底层 USD 的写入提供支持，可理解为一个大的场景缓存。

- Fabric Stage（常称作 Fabric Flat Cache）是 Omniverse 中的一种高性能场景视图。它将 USD 合成后的场景数据“展平”并缓存至 Fabric 内部，旨在为物理、渲染、OmniGraph 等下游系统提供高性能的数据访问。与每次直接遍历 USD Stage 不同，该系统以列式数据、批处理等 GPU 友好的方式组织数据，从而大幅提升访问效率。

- Fabric 解决了传统 USD 开发中的常见性能瓶颈：以往，系统如需查找特定类型的 Prim（例如所有 Cube），必须每次遍历整个 USD Stage，并需手动维护数据缓存及监听 USD Notice 以实现同步更新，这种做法的实现复杂度高且效率有限。而 Fabric Stage 能够自动为多个扩展或系统集中维护这份场景缓存与对应的“脏标记”状态；其内部会按 Tag、属性、类型等标准将 Prim 自动分桶组织，并直接提供 findPrims 等查询接口，以及可将属性数组批量拉取至 CPU 或 GPU 内存的高性能 API（具体用法将在后文详述）。

USDRT（USD Runtime）：Omniverse 提供的一套高性能运行时库。其 Python API 设计与原生 USD（pxr）基本同名，但底层通过 Fabric 组件对USD文件进行读写（代码中通过usdrt.前缀调用）。为解决 Fabric 仅有 C++ 接口的问题，USDRT 专门提供了兼容 USD 的 Python 封装层，便于开发者学习和使用。

Persistent Data：会被永久写入 USD 文件的数据。

Transient Data：运行时生成的临时数据（如仿真结果、动画效果），不会影响底层 USD 文件。

Composition：按照 USD 规则（如继承、覆盖）将多个 Layer 合成的机制。

Pre-Composition：合成发生前，多个 Layer 可分别读取状态属性的状态。

After-Composition：合成完成后，所有 Layer 统一融合成一个总 Layer 的最终场景状态。

USDRT 诞生的根本动因，是解决原生 USD 数据写入速度慢的性能瓶颈。为此，Omniverse 团队开发了 USDRT / Fabric 组件，其核心机制是处理场景中 Prim 的属性变化数据，将这些更新暂存于内存或显存中，而非直接、即时地写入底层 USD 文件。当然，系统也提供了相应的 API，可在必要时将最终数据写回 USD。这一过程可通过下图直观理解，并且也提供了快速查询和访问的API接口。

正如在《Omniverse 性能优化系列（一）：Tracy Profiler》中所讨论的，渲染器（Renderer）必须等待 USD 写入操作完成，这正是造成卡顿的根本原因。下文将结合具体实例，并再次使用 Tracy 来观察和验证此优化带来的实际效果。

2. USDRT 实践

2.1“Hello World” in USDRT

上文提到原生的 PXR USD 的 API 和 USDRT 大体相同，不同在于 USD / USDR 的 Stage 获取方式。

USDRT 通过以下方式获取当前已打开的 Stage：

stage= usdrt.Usd.Stage.Attach(omni.usd.get_context().get_stage_id())

原生 USD 则通过以下方式获取 Stage：

stage= omni.usd.get_context().get_stage()

下面为一个 USDRT 的 Hello World，可以用 Omniverse 自带的 Script Editor 打开并运行：

https://github.com/slayersong/OV_Perf_tutorial/blob/main/2.USDRT/usdrt_helloworld.py（复制链接至浏览器打开，下同）

importusdrt
stage = usdrt.Usd.Stage.Attach(omni.usd.get_context().get_stage_id())
print(f"USD RT Hello world, USDRT Stage{stage}")

也可通过其他打开 USD 文件的方式或参考 Stage 相关信息，具体可查看下面的代码和文档：

https://docs.omniverse.nvidia.com/kit/docs/usdrt/latest/docs/scenegraph_use.html#stages

Importusdrt
stage=usdrt.Usd.Stage.Open(DATA_DIR +"/cornell.usda")

2.2 USDRT 示例讲解

2.2.1 修改 Prim 的 attribute

首先通过一个简单的例子来说明：USDRT 只是影响了场景的 Runtime，并不实际修改 USD 文件本身。

下载并用 Omniverse 打开“cornell.usda”这个场景。附场景文件下载地址：

https://github.com/slayersong/OV_Perf_tutorial/tree/main/usd/tests

通过“/Cornell_Box/Root/Cornell_Box1_LP/White_Wall_Back" 查看这个 Prim Path 下面的primvars:displayColor，属性值是 [0.5,0.5,0.5]。

打开 Script Editor 并运行下面的代码，作用在于将颜色修改成（1,0,0）：

https://github.com/slayersong/OV_Perf_tutorial/blob/main/2.USDRT/usdrt_color.py

fromusdrtimportGf, Sdf, Usd, UsdGeom, Vt
importomni
stage = Usd.Stage.Attach(omni.usd.get_context().get_stage_id())
path ="/Cornell_Box/Root/Cornell_Box1_LP/White_Wall_Back"
prim = stage.GetPrimAtPath(path)
attr = prim.GetAttribute(UsdGeom.Tokens.primvarsDisplayColor)
# Get the value of displayColor on White_Wall_Back,
# which is mid-gray on this stage
result = attr.Get()
print(f"before set color is{result}")
attr.Set(Vt.Vec3fArray([Gf.Vec3f(1,0,0)]))
result = attr.Get()
print(f"after set color is{result}")

此时会发现墙体的颜色变红了，但查看 Omniverse 的 Stage 面板中primvars:displayColor这个 attribute 实际数值并未更改，左上角的场景文件也没有变动信息 (usd 文件如有改变会有“*”)。

通过上图对比可知，USDRT 的修改仅影响运行时的场景表现。若需将这些更改存储至最终的 USD 文件，必须调用以下 API：

stage.WriteToStage()

*注：此 API 在某些特定 GPU 下可能导致进程无响应。

2.2.2 USDRT 快速查询场景 Prim

按照传统的 USD API 的做法，查询场景中某一类的 Prim（比如 Mesh）需要对整个 Stage 进行遍历，代码如下：

mesh_prims=[]
forprim in stage.Traverse():
 ifprim.IsA(UsdGeom.Mesh):
   mesh_prims.append(prim)

通过分析可知，原生遍历方法的时间复杂度为 O(n)。在大型场景中，若要搜索某一特定 Prim，其耗时将更为显著。针对此性能瓶颈，Fabric / USDRT 为 Prim 的快速查询提供了以下 3 个 API：

UsdStage::GetPrimsWithTypeName(TfToken typeName）

UsdStage::GetPrimsWithAppliedAPIName(TfToken apiName)

GetPrimsWithTypeAndAppliedAPIName(TfToken typeName, TfTokenVector apiNames)

针对上述 API，下面对 Omniverse USD 中的基本概念进行梳理：

Type：在 Omniverse 的 Viewport 中单击鼠标右键，点击“Create”所列出来的选项就是 Type，例如 Shape 中的 Capsule、Cone、Cube 等（Shape 中都是单独的一个 Type 类型，Camera、Curves 等）。创建后在 Stage 的面板中也可看到基本的 Type 类型。

AppliedAPI：要理解 Applied API，需先了解 USD 中的API Schema（https://openusd.org/release/glossary.html#api-schema)。它指的是一组可通过特定接口动态应用到 Prim 上、为其增添功能的属性集合。例如，可以为一个 Mesh Prim 增加刚体碰撞的属性，或绑定材质的属性。

bindingAPI = UsdShade.MaterialBindingAPI.Apply(prim)
bindingAPI.Bind(materialPrim)

USD 中有多少种 API Schema 类型？我们可以在 Omniverse 的 Script Editor 中运行以下代码，查询所有已注册的 API Schema。其中主要包含物理、灯光、UsdGeomModelAPI 等相关类型：

https://github.com/slayersong/OV_Perf_tutorial/blob/main/2.USDRT/APISchema_query.py

frompxrimportUsd, Tf
schema_reg = Usd.SchemaRegistry()
single_apply_list = []
multiple_apply_list = []
fortinTf.Type.FindByName("UsdAPISchemaBase").GetAllDerivedTypes():
  ifnot (schema_reg.IsAppliedAPISchema(t)orschema_reg.IsMultipleApplyAPISchema(t)):    
   continue
 
 if(schema_reg.IsAppliedAPISchema(t) andnot schema_reg.IsMultipleApplyAPISchema(t)):
    single_apply_list.append(str(t).split("'")[1::2][0])
   
 if(schema_reg.IsMultipleApplyAPISchema(t)):
    multiple_apply_list.append(str(t).split("'")[1::2][0])
# Sort and print
print("Single-apply API Schemas:")
forx insorted(single_apply_list):
 print(x)
print("
Multi-apply API Schemas:")
forx insorted(multiple_apply_list):
 print(x)

回到最初的问题：在场景中查找具有特定类型（Type）的 Prim。使用原生 USD API 只能通过遍历整个 Stage 实现，其时间复杂度为O(n)。而通过 USDRT 提供的 API，时间复杂度可降至O(1)。

可以使用以下三个 API 进行快速查询：

meshPaths = stage.GetPrimsWithTypeName("Mesh")

shapingPaths = stage.GetPrimsWithAppliedAPIName("ShapingAPI")

paths = stage.GetPrimsWithAppliedAPIName("CollectionAPI:lightLink")

完整的代码链接：

https://github.com/slayersong/OV_Perf_tutorial/blob/main/2.USDRT/APISchema_query.py

2.3 USDRT vs USD 性能测试

下面通过一个实际案例，来对比动态修改 USD Prim 属性时的性能差异。我们将遍历场景中所有 Mesh 并修改其颜色属性，分别使用原生 USD API 与 USDRT 实现，并记录运行时间。

2.3.1 准备测试场景

首先下载一个复杂度较高的场景资产用于测试：

访问网站下载 Kitchen Set 资产：

https://developer.nvidia.com/usd

解压后，在 Omniverse 中打开Kitchen_set.usd文件。

2.3.2 使用原生 USD API 修改颜色

在 Script Editor 当中运行以下代码：

https://github.com/slayersong/OV_Perf_tutorial/blob/main/2.USDRT/usd.py

frompxrimportGf, Sdf, Usd, UsdGeom, Vt
importomni
importtime
importcarb
stage = omni.usd.get_context().get_stage()
color = Vt.Vec3fArray([Gf.Vec3f(0.8,0.2,0)])
# 遍历所有 prim，筛选出 Mesh
mesh_prims = []
forpriminstage.Traverse():
 ifprim.IsA(UsdGeom.Mesh):
    mesh_prims.append(prim)
t0 = time.perf_counter()
forpriminmesh_prims:
 ifprim.HasAttribute(UsdGeom.Tokens.primvarsDisplayColor):
   #carb.log_info(f"The prim is {prim}")
    prim.GetAttribute(UsdGeom.Tokens.primvarsDisplayColor).Set(color)
t1 = time.perf_counter()
elapsed_ms = (t1 - t0) *1000.0
carb.log_warn(f"[Native USD] Painted{len(mesh_prims)}meshes in{elapsed_ms:.2f}ms")

测试结果：

在配置了 NVIDIA RTX 5880 Ada 的测试机上，首次运行耗时约1337 ms（具体时间因配置而异）。

此时可观察到原生 USD 文件已被修改。

注意：如果不更改颜色值再次运行同一段代码，耗时将降至约14 ms。如果改变颜色值，时间又会如何？建议动手尝试并思考背后的原因。

回顾此前在《Omniverse 性能优化系列（一）：Tracy Profiler》中的分析：抓取最大渲染运行时间，通过函数的 callstack 可以发现，渲染线程在等待 USD 文件写入完成。这意味着 USD 的写入操作很可能是单线程串行的。USD 数据变更后，会通过 Observer 设计模式逐一通知相关模块，整个过程是同步的。

2.3.3 使用 USDRT 修改颜色

接下来，使用 USDRT 实现相同的颜色修改操作：

https://github.com/slayersong/OV_Perf_tutorial/blob/main/2.USDRT/usdrt.py

fromusdrtimportGf, Sdf, Usd, UsdGeom, Vt
importomni
importtime
importusdrt
importcarb


stage = usdrt.Usd.Stage.Attach(omni.usd.get_context().get_stage_id())


color = Vt.Vec3fArray([Gf.Vec3f(0.2,0.2,0)])
meshPaths = stage.GetPrimsWithTypeName("Mesh")
t0 = time.perf_counter()
formeshPathinmeshPaths:
  prim = stage.GetPrimAtPath(meshPath)
 ifprim.HasAttribute(UsdGeom.Tokens.primvarsDisplayColor):
   #carb.log_info(f"The prim is {prim}")
    prim.GetAttribute(UsdGeom.Tokens.primvarsDisplayColor).Set(color)
t1 = time.perf_counter()
elapsed_ms = (t1 - t0) *1000.0


carb.log_warn(f"[USDRT] Painted{len(meshPaths)}meshes in{elapsed_ms:.2f}ms")

测试结果：

相同操作耗时仅约148 ms，相比原生 USD 提升了近一个数量级。

观察左上角可发现，原生 USD 文件本身并未被修改。

*延伸尝试：根据上文提到的 API 把 traverse stage 变成 USDRT 提供的快速查询 API 并对比时间差异。

2.4 USDRT 中的 Change Tracking 机制

在 USD 体系中，TfNotice（Tool Foundation Notice）是核心的消息处理机制，它实现了 “场景 / 资源变化 → 自动推送事件” 的监听模式，可应用于监视 Stage 编辑、属性更新、层加载、实时协作以及视口刷新等场景。

USD 原生的 TfNotice 为监听器（Listener）提供了一种回调机制。然而，USDRT 提供了一套完全不同的变化跟踪范式。它提供了一系列主动查询函数，让开发者能够精确跟踪所关心的属性变化。用户需要在合适的频率主动查询并处理这些更改（相当于需要自行封装类似回调的逻辑）。

这一设计变革源于一个关键的性能考量：USD 原生的通知 (Notify) 机制是完全同步的。当发送者 (Sender) 的线程触发通知时，它会阻塞（Block）并等待所有已注册的监听器按顺序处理完毕。这意味着发送者线程的性能严重依赖于最慢的那个监听器。

为了避免这种阻塞，USDRT 采用了非阻塞的主动查询机制。下表概述了其核心 API：

实践示例：

结合前文提及的注册 Omniverse 的消息函数“Subscribe to Update Event”去跟踪更改：

https://docs.omniverse.nvidia.com/dev-guide/latest/programmer_ref/events.html#subscribe-to-update-events

还是打开之前的“cornell.usda”这个场景，然后跟踪某些 Prim 的颜色属性，利用 AI 辅助，我们编写了一个 RTTrackingTester，它会在异步更新循环中追踪更改并定期清空记录。完整代码如下：

https://github.com/slayersong/OV_Perf_tutorial/blob/main/2.USDRT/RTTrackingTester.py

3. 总结

总的来说，USDRT / Fabric 的本质是对 USD 文件写入的缓存层。其中，Fabric 提供底层 C++ 接口，USDRT 则负责提供与原生 USD API 一致的友好封装，旨在实现代码风格与调用的统一，让开发者以熟悉的方式获得显著的性能提升。

文案提供 & 技术支持：

宋毅明 NVIDIA Omniverse & OpenUSD 开发者关系经理

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