3. 场景与物体管理：创建与加载 USD 场景、基本几何体操作

场景管理，说白了就是搭建你的仿真舞台。你想想看，没有舞台，演员往哪儿站？在 Isaac Sim 里，这个舞台就是 USD 场景。我个人习惯把 USD 理解成一种「万能容器」——它不仅能装几何体，还能装材质、灯光、动画，甚至物理属性。嗯，这一章我们就来聊聊怎么搭这个舞台，以及怎么摆弄舞台上的「演员」。

3.1 创建与加载 USD 场景

在 Isaac Sim 中，一切操作都围绕 USD 场景展开。你可以从零开始创建，也可以加载已有的场景文件。

3.1.1 创建新场景

用 Python 创建一个空场景，其实就一行代码：

from omni.usd import get_context

# 获取 USD 上下文并新建场景
usd_context = get_context()
usd_context.new_stage()

这段代码会创建一个全新的、空的 USD 舞台。我记得刚开始用的时候，总觉得少了点什么——嗯，确实，它连个地板都没有。不过别急，后面我们会手动加。

3.1.2 加载已有 USD 文件

如果你有现成的场景文件（比如 .usd、.usda、.usdz），可以直接加载：

usd_context.open_stage("path/to/your_scene.usd")

3.1.3 保存场景

做完了修改，记得保存：

usd_context.save_stage()

我个人习惯每做几个关键操作就保存一次。仿真调试时程序崩了，没保存的场景就白干了。

3.2 基本几何体操作

场景有了，接下来就是往里面放东西。Isaac Sim 提供了几种基本几何体：立方体、球体、圆柱体、圆锥体、平面等。这些几何体是搭建复杂场景的「积木」。

3.2.1 创建立方体

下面这段代码会在场景原点创建一个立方体：

import omni.usd
from pxr import UsdGeom, Gf

# 获取当前舞台
stage = omni.usd.get_context().get_stage()

# 在路径 /World/Cube 下创建立方体
cube_path = "/World/Cube"
cube = UsdGeom.Cube.Define(stage, cube_path)

# 设置位置（平移）
cube.AddTranslateOp().Set(Gf.Vec3d(1.0, 0.0, 0.5))

# 设置旋转（欧拉角，单位：度）
cube.AddRotateXYZOp().Set(Gf.Vec3d(0.0, 45.0, 0.0))

# 设置缩放
cube.AddScaleOp().Set(Gf.Vec3d(2.0, 1.0, 1.0))

你看，位置、旋转、缩放分别对应三个操作：TranslateOp、RotateXYZOp、ScaleOp。顺序很重要——先平移再旋转，和先旋转再平移，结果完全不同。

3.2.2 其他几何体

创建球体、圆柱体、圆锥体的方式类似：

几何体	类名	示例代码
球体	UsdGeom.Sphere	UsdGeom.Sphere.Define(stage, "/World/Sphere")
圆柱体	UsdGeom.Cylinder	UsdGeom.Cylinder.Define(stage, "/World/Cylinder")
圆锥体	UsdGeom.Cone	UsdGeom.Cone.Define(stage, "/World/Cone")
平面	UsdGeom.Plane	UsdGeom.Plane.Define(stage, "/World/Plane")

3.2.3 批量操作与属性修改

有时候你需要批量修改物体的属性。比如，把所有几何体都移到同一高度：

import omni.usd
from pxr import UsdGeom, Gf

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

# 获取所有 Xformable 类型的物体
for prim in stage.Traverse():
    if prim.IsA(UsdGeom.Xformable):
        xform = UsdGeom.Xformable(prim)
        # 获取已有的平移操作，如果没有则创建
        translate_op = xform.AddTranslateOp()
        current_pos = translate_op.Get()
        # 只修改 Y 轴高度为 0.2
        translate_op.Set(Gf.Vec3d(current_pos[0], 0.2, current_pos[2]))

这段代码会遍历场景中所有可变换的物体，把它们的 Y 轴高度统一设为 0.2。我在做机器人抓取仿真时经常用这个技巧——把散落一地的零件统一摆到桌面上。

3.3 物体的父子关系与层级结构

USD 场景的核心就是层级结构。每个物体都有一个路径，比如 /World/Cube，路径的每一级就是一个节点。你可以把物体组织成树状结构，父物体的变换会传递给子物体。

3.3.1 创建父子关系

创建父子关系很简单——只要把子物体的路径放在父物体下面就行：

from pxr import UsdGeom, Gf

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

# 创建父物体（一个立方体）
parent = UsdGeom.Cube.Define(stage, "/World/ParentCube")
parent.AddTranslateOp().Set(Gf.Vec3d(0.0, 0.0, 0.0))

# 创建子物体（一个球体），路径在父物体之下
child = UsdGeom.Sphere.Define(stage, "/World/ParentCube/ChildSphere")
child.AddTranslateOp().Set(Gf.Vec3d(2.0, 0.0, 0.0))  # 相对于父物体的局部坐标

这里的关键点：子物体的位置是相对于父物体的。如果你移动父物体，子物体会跟着移动。我曾经用这个特性做了一个机械臂的仿真——每个关节都是父物体，后面的连杆是子物体，移动父关节，整个臂都跟着动。

3.3.2 重新设置父子关系

有时候你需要把已经存在的物体重新挂到另一个父物体下：

from pxr import UsdGeom, Sdf

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

# 获取要移动的物体
prim = stage.GetPrimAtPath("/World/Cube")

# 重新设置路径（相当于改变父子关系）
new_path = Sdf.Path("/World/NewParent/Cube")
stage.CreatePrim(new_path)
# 复制属性并删除原物体
# 注意：这里需要手动处理属性复制，或者使用 Reparent API

3.3.3 层级遍历与查询

你可以遍历场景中的所有物体，或者只查询某个父物体下的子物体：

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

# 遍历所有物体
for prim in stage.Traverse():
    print(f"路径: {prim.GetPath()}, 类型: {prim.GetTypeName()}")

# 只查询某个父物体下的直接子物体
parent_prim = stage.GetPrimAtPath("/World/ParentCube")
if parent_prim:
    for child in parent_prim.GetChildren():
        print(f"子物体: {child.GetPath()}")

嗯，这里要注意：Traverse() 会递归遍历所有层级，而 GetChildren() 只返回直接子物体。选哪个取决于你的需求。

3.4 知识体系结构图

下面这张图展示了本章的核心知识脉络：

3.5 避坑指南与实战建议

最后，分享几个我踩过的坑：

• 路径不要用中文： USD 对中文路径支持不好，我曾经用中文命名物体，结果加载时报了一堆莫名其妙的错。
• 操作顺序： 平移、旋转、缩放的顺序会影响最终结果。如果你发现物体位置不对，先检查操作顺序。
• 保存前检查： 保存场景前，最好用 stage.Traverse() 遍历一遍，确认所有物体都在正确的位置。
• 父子关系不要循环： 别把父物体设为子物体的子物体——这会导致无限递归，Isaac Sim 会直接崩溃。