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AI热潮卷向3D建模国产厂商能否加速突围？

admin6个月前 (09-21)产业地产资讯16

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　　近期，英伟达公司正式宣布推出Magic3D，这是一款能够根据文本提示生成3D模型的生成式人工智能技术。

　　Magic3D可以在40分钟内创建一个带有彩色纹理的3D网格模型，而这背后仅仅只需要动手输入一行提示词，对应的3D模型就会很快被生成出来。

　　这不禁让人想起近来同样火爆的ChatGPT，随着人工智能赛道的持续爆发，3D建模——这一广泛应用于各个数字化领域的底层软件技术也将焕发新生。

　　插上AI的翅膀后，中国3D建模能否乘势腾飞呢？首先，不妨完整了解一下中国3D建模行业状况。

　　纵观中国3D建模软件市场，目前仍然呈现被海外厂商“列强”垄断的局面。中国3D建模技术起步较晚，和外国厂商存在一定差距。

　　但发展3D建模软件技术，是中国攻克“卡脖子”问题的重要命题，尤其是在制造业等关键领域，国产化替代空间较大。

　　中国工业类型3D建模软件在《“十四五”规划》《“十四五”国家信息化规划》等国家级政策指引下，有望实现技术迭代加快，对中国市场的外国厂商形成冲击。

　　● 3D 建模指的是使用软件来创建三维对象或形状的数学表示形式的过程。创建的对象称为三维模型。

　　3D建模是计算机图形学中的一种技术，用于生成任何对象或曲面的三维数字表示。建模人员通过使用Maya、3ds max、AutoCAD、CATIA等专业三维建模软件，在虚拟空间内对顶点进行操作以形成网格和形成对象的一组顶点，即操作对象顶点的集合，完成对模型三维数据的数学形式表现，以创建三维模型。这些3D对象可以通过建模软件的固有功能生成，也可以通过网格变形或手动进行创建。

　　● 3D建模技术和3D模型已经广泛应用于多个行业，包括医疗、传媒娱乐、建筑工程、科学研究等领域。

　　3D建模技术和3D模型的应用已经逐渐渗透至各行各业。医疗行业使用3D建模技术制作器官的精确模型；电影行业使用3D建模技术在三维动画故事片和系列片中引入栩栩如生的复杂 CG 角色和世界，以及电影特效；游戏产业将3D建模技术作为计算机与视频游戏中的资源；科学领域将3D模型作为化合物的精确模型；建筑工程行业将3D建模技术用于设计新设备、交通工具、结构以及其它应用领域；在蕞近几十年，地球科学领域开始借助3D建模技术构建三维地质模型。

　　两种流行的建模方式：曲面建模和多边形建模

　　● 曲面建模和多边形建模是两大流行的建模方式，两种方式所运用的建模底层逻辑不同，在建模表现和应用领域上各有优势。

　　曲面建模，也叫做NURBS建模，是一种基于几何基本体和绘制曲线D建模方式，其建模底层逻辑是用数学语言精确描述各种曲面形体。曲面建模的模型产品是由曲线构建曲面组合而来，由于曲线具有平滑和蕞小特性，使得曲面建模对于构建各种有机 3D 形状十分有用。使用曲面建模能够制作出任何形状的、精度非常高的三维模型，这一优势使得ISO颁布的STEP中把NURBS作为定义工业产品几何形状的唯一数学方法。曲面建模常用于参数化的造型设计中，用于支持高精度的数字化制造产业，但其高精度的特点也使得曲面建模算法复杂，难度较高，模型计算时间较长。

　　多边形建模，是将一个完整的模型由无数个多边形面组合而成，其建模底层逻辑是用网格单元去拟合几何形体。建模过程中，三角形数量越多，模型精度越高，建模速度越慢。多边形建模通过合并三角形来减少三角形数量，从而提高计算性能，加快计算速度，但也使得模型产品精度不足，难以用于对追求精确的工程软件中。早期，多边形建模主要用于游戏，到现在，多边形建模已经广泛应用于各种对计算速度要求较高、而精确性要求不高的场合，包括视觉渲染、影视特效等场景。

　　● 2021年，中国3D建模软件市场空间达到103.4亿元，行业处于快速增长阶段，未来将继续保持增速，预计到2026年，市场规模将达到195.7亿元。

　　3D建模软件当前主要用于工业行业、建筑行业、动漫影视行业和游戏行业。根据各细分市场建模软件规模汇总，中国3D建模软件行业规模从2017年的56.9亿元增长至2021年的103.4亿元，2017-2021年CAGR为16.1%，预计到2026年，中国3D建模软件行业市场将达到190亿元。

　　● 娱乐方向是中国3D建模软件市场增长的主要动力。未来，在元宇宙概念和中国政府政策推动下，中国3D建模软件行业将加速扩容。

　　动漫影视、游戏等娱乐行业是当前3D建模软件行业增长主要动力。随着3D引擎的不断发展，3D游戏逐渐成为市场主流，2016年时，3D游戏比例增至40%，市场对3D游戏的需求促进了3D建模软件的下游市场规模扩张，游戏行业建模软件需求规模从2017年的22.2亿元增长至2021年的31.1亿元。不止游戏产业，动漫影视产业同样在持续使用3D建模技术，利用3D建模技术，宏大的场景仅需要绿幕技术加重要演员即可完成，减少了剧方的人员成本。动漫影视行业建模需求规模从2017年1.7亿元增长至2021年3.8亿元。

　　未来，元宇宙概念将会成为行业整体增长的新兴动力。随着元宇宙概念的兴起，数字孪生，智慧城市等成为时下热点，伴随数字孪生市场规模的扩张，将会促进3D建模技术的应用，加速3D建模软件市场规模扩张。3D建模技术在中国政府的政策指引下持续发展。中国政府把3D产业技术列为重点发展领域，并加大了对技术及产业的支持，政府支持的政策和投资助推了3D技术的广泛应用，也推动了3D建模的发展。

　　3D建模行业上游主要是建模工具，包括CPU、GPU和云计算，为建模提供计算条件。中游是3D建模软件厂商，主要分为数字类型软件和工业类型软件。下游广泛应用于影视、产品设计、游戏等多行业。

　　上游关键硬件设备：CPU和GPU

　　● CPU和GPU有三个相同的组成单元构成，即计算单元(ALU)，控制单元(control)，储存单元(Cache、DRAM)。构成比例不同使得CPU和GPU功能存在差异。

　　在CPU架构中，具备复杂的控制单元，占据整体架构面积30%左右，使得CPU能够提供分支预测的能力为有多个分支的程序降低延时；还有大量的储存单元，其中，DRAM用来进行短暂储存的储存器，Cache用来进行高速数据交换的储存器；CPU还具有强大的算术运算单元，能够在很少的时钟周期内完成算术计算。大量的缓存和复杂的控制单元使得CPU具备强大逻辑控制、串行的运算能力。

　　由于GPU基于大吞吐量设计，在GPU架构中，80%面积被计算单元所占据，仅有少部分控制和缓存区域。GPU支持大量的线程同时运行，如果同一个数据受到多个来源进行访问，缓存会合并这些访问，造成访问延时，但是GPU拥有数量庞大的运算单元，因此GPU仍然具备庞大的吞吐量能力。大量的运算单元使GPU具备同时执行大量计算工作的能力，能够进行大规模的并发计算，但只能处理简单且重复的运算。

　　芯片架构上的差异使得CPU精于控制和处理复杂运算，GPU能够处理简单且重复的运算，此外，CPU仅能按顺序执行计算，但GPU可以大量并发的执行运算。

　　● 3D建模过程中涉及大量的运算工作，CPU和GPU的运算能力均能提供帮助，但更考验CPU的运算能力。

　　3D建模是主动运用3D建模软件，完成建模的交互过程，需要计算机进行严格且复杂的计算过程。以游戏角色建模为例，游戏角色由多个多边形构成，需要使用修改器、编辑器等多个功能对多边形进行编辑，例如镜像、克隆、弯曲对象等，由于这些层级结构按照一定的逻辑构建且相互依赖，无法对其中步骤进行省略，使得仅能依靠CPU进行运算。而这些活动仅在单个CPU核心内完成，所以拥有高主频的CPU拥有更快的建模计算速度和响应速度。

　　建模过程中，除了需要对模型本身进行计算外，还需要完成对模型的预览，场景的即时显示和三维刷新等工作，GPU所拥有的openGL等功能能够支持建模软件中多边形的生成和基本光效解算等任务。GPU的优劣决定了建模软件中的加载速度，当前几乎所有类型的显卡都能满足建模软件需求的蕞低配置要求。

　　建模过程中，涉及大量依次进行的复杂运算，且运算过程只能在CPU单个核心中完成，所以CPU主频的高低将影响建模计算速度及响应速度的快慢，主频更高的CPU能够更快完成建模。此外，建模软件中的场景显示、三维刷新等工作由GPU完成，显存大小和显存位宽数值大小决定了GPU的加载速度，显存大小和显存位宽数值更大的GPU具备更快的加载速度。3D建模更考验CPU的运算能力。

　　● CPU和GPU市场都呈现寡头垄断的情况。产品价格上，CPU的产品均价远低于GPU的产品均价。

　　个人电脑CPU市场份额上，英特尔具有绝对优势，2022年四季度，英特尔以68.7%的市占率稳居市场份额龙头宝座，排名第二的AMD仅占31.3%的市场份额。类似的，全球个人电脑GPU市场被英特尔、英伟达和AMD三家厂商瓜分，2022年四季度，英特尔以71%的份额排名头部，AMD和英伟达分列第二、三位，市场份额为17%，12%。

　　● 中国3D建模软件市场仍然由外国厂商所主导。工业类型软件上，中国厂商正在奋起直追，数字类型软件上，中国厂商表现不足。

　　中国3D建模软件当前仍以外国厂商为主。从细分市场来看，工业类型软件上，达索系统、西门子、PTC、中望软件欧特克等厂商占据市场主要地位，市场占有率分别为31.7%、19.1%、4.9%、3.9%、3.6%，头部梯队的达索系统和西门子远领先于第二梯队厂商；数字类型软件上，外国厂商完全主导此类市场，主流软件3ds max、maya、Softimage都属于美国软件厂商欧特克，欧特克在数字类型软件上具备显著竞争优势。

　　● 中国3D建模技术起步较晚，和外国厂商存在一定差距。当前中国3D建模市场以外国软件为主导，国产化替代空间较大。

　　3D建模技术在中国起步较晚，使得中国厂商竞争处于劣势。达索软件、西门子等头部厂商成立时间悠久，经历了CAD发展全过程，拥有丰富的CAD软件经验，具备相应的核心算法，使得海外3D建模软件的建模效果更优。

　　以中望软件为例，当前，中望软件具备3D CAD建模的核心几何内核，但在3D建模和渲染能力上还存在差距，难以满足航天、精密制造等高端行业的需求，在行业覆盖上，达索的CATIA在汽车、电脑、航天航空、精密机械等行业的应用分布情况为21%，14%，13%，11%，中望3D CAD则以机械、高等教育、建筑为主，应用占比分别为29%，22%，19%。数字类型3D建模软件同样受限于建模算法等核心技术，被海外厂商软件基本垄断。

　　未来，中国工业类型3D建模软件在《“十四五”规划》《“十四五”国家信息化规划》等国家级政策指引下，有望实现技术迭代加快，对中国市场的外国厂商形成冲击。在一系列国家级政策引导及鼓励下，工业级软件、图形图像技术成为中国重点发展对象，3D CAD等工业类型软件在国家政策大背景下有望实现技术迭代加速，在关键技术上实现对海外领先厂商的追赶，实现工业类型建模软件国产化替代。