当游戏遇上飞行模拟机——游戏引擎的跨界之旅

8Bobo8Jun

飞行一直是人类的梦想，100多年前莱特兄弟在北卡罗来纳州小鹰镇的那一次试飞正式将人类带入了飞行时代，经过一个多世纪的发展，今天的航空业已经成为现代生活的一部分。
如今全球每年有20亿人次乘坐飞机出行，今天乘坐飞机的门槛已经变得足够低了，但驾驶飞机依然有着极高的门槛，驾驶飞机要求极高的专业技巧。
我们今天聊的话题是游戏和游戏背后的技术如何帮助普通玩家和专业人员更好地“驾驶飞机”——


一、游戏与飞行——从微软的“模拟飞行”说起
如果没有机会在现实中开飞机，那么在游戏中体验如何开飞机也是一个不错的选择。
从电子游戏诞生以来，飞行游戏先后出现不少，而其中最具影响力的是微软推出的“模拟飞行”——《Flight Simulator 》。
这款大名鼎鼎的飞行游戏有着悠久了历史，最早在1982年由ACES工作室出品，1995年微软将其收购。
该游戏最大的特点就是相对真实地模拟了从小型机到大型机在全球24000个机场的起、降及飞行体验，游戏对真实的飞行环境模拟得非常细致。
比如，如果玩家在非洲上空飞行，甚至还可以看到森林里活动的大象。

微软模拟飞行界面截图

随着游戏引擎的进步，也有玩家自己通过虚幻引擎来复刻飞行模拟器。
比如在5月底，就有网友基于Unreal Engine 4结合GIS等相关插件进行相应的开发，也实现了非常真实的模拟飞行效果。
在很多玩家看来，微软的“模拟飞行”游戏在技术层面已经非常逼真了，但业界还有一种仿真程度更高的设备，那就是民航飞行员日常训练的所用的“全动飞行模拟机”。
我们来认识一下“全动飞行模拟机”，它是Full Flight Simulator的中文译名，简称FFS。
和微软模拟飞行靠手柄或键鼠操作不同，FFS是按真机航空器座舱在物理上一比一高保真复制，根据拟真程度，分为A到D级，其中D级等级最高。

它通常由模拟座舱、运动系统、视景系统、计算机系统及教员控制台等五大部分组成。
“全动飞行模拟机”利用计算机技术、电子传感技术和液压传动等技术，可以做出有6个自由度的全方位移动，逼真地模拟飞机的起飞、降落等各种飞行姿态和动作，为飞行员提供最真实的训练感受。
对于还没有正式执飞的准飞行员而言，“全动飞行模拟机”就是他们的真飞机。
一台“全动飞行模拟机”的核心组成系统中，视景系统是其中的最关键组成部分之一，它根据真实的测绘数据来生成飞行员所看到的真实世界，强调真实性、实时性，其对计算机实时渲染的技术要求非常高。
简单地说，高等级的全动飞行模拟机在操控层面实现了和真实的飞机高度一致的体验，它是民航飞行员在真机驾驶前的主要训练设备。
我们之前听说过“培养一个飞行员的花费相当于其自身重量相等的黄金”的说法，的确，飞行员的实机训练成本非常高，这时候就需要用到全动飞行模拟机来降低整体的训练成本。
当然，由于对设备仿真性能要求高，研发、制造技术需要大量投入，全动飞行模拟机本身也并不便宜，每一台D级飞行模拟机的价格大概在1000-2000万美元不等。
目前我国民航飞行员每人每半年需在模拟机上完成一次复训，每次至少12个小时，必须完成训练大纲规定的模拟机训练。
我国民用航空领域FFS行业起步较晚，视景系统、运动系统等核心部件与核心技术基本处于空白期。
目前，在全球飞行模拟机市场上，发达国家的少数企业一直处于主流领先地位，主要以欧美生产商（加拿大CAE和MSI，法国泰雷兹美国飞安国际和洛克威尔·柯林斯）为主导。
2020年，国内首台FFS通过中国民用航空局D级鉴定，但其中视景系统和运动系统仍由国外采购。
在这样的背景下，研发我国具有完全知识产权的飞行模拟机就成为中国航空工业的一个紧迫任务，据相关报道，飞行模拟机完全国产化后，成本可以降低20%。


二、全动飞行模拟机——游戏技术助力民用航空科技
游戏技术和“全动飞行模拟机”还有关系？
没错，6月27日，腾讯游戏披露了与南航集团全资子公司珠海翔翼航空技术有限公司之间的合作，合作会基于游戏引擎能力共同研发国产全动飞行模拟机视景软件系统。
看到这个消息，有人会感叹——“没想到游戏引擎还能跨界到航空领域。”
的确，游戏技术的应用远比我们想象的还要广泛，我们从这次合作背后的技术细节来看一看游戏技术到底可以如何助力国产全动飞行模拟机的关键系统开发。

这次双方合作是飞行模拟机的视景系统，所谓视景系统就是飞行员所看到的飞机座舱外部的空中和地面环境的模拟图像系统，简单地说，它的作用就是让飞行员能看清楚舱外的实时情况。
由于飞行员的70%的信息来自于视觉，因此视景系统就成为模拟机极其关键的模块。
这次合作主要利用物理真实的光照和渲染等游戏引擎能力，打造大世界细节，为飞行员提供扩展性更强，更真实、更具沉浸感的视景产品。
那么，到底如何实现呢？
我们来看一看细节，一个优秀视景系统必须能最大程度上还原飞机座舱外的环境变化，因此真实性、实时性和沉浸感三个层面都非常重要，这对引擎的实时渲染能力都有着极高的要求。
腾讯游戏自研的跨平台编辑器CrossEditor可以建立跨平台、自主绘制、“所见即所得”的引擎流水线，其中PCG程序化内容生成技术，将为模拟机打造复刻现实的大世界场景。

新视景引擎渲染的嘉峪关机场黄昏效果图

自然区域地形、植被、道路、河流、石块模型以及城镇区域和建筑模型都会大规模程序化地自动生成，并填充到地球级的大世界场景中。
细节在实现过程中非常关键。
比如，光线和材质渲染的细节就极大地影响真实感，一块绿油油的草地如果渲染得粗糙，飞行员训练的时候可能看到的就是一大片绿色方块，这会极大影响飞行员对地形的判断。
腾讯自研引擎基于物理渲染的PBR材质能力，以及植被库、标准建筑库的渲染升级，可以逼真地还原真实环境，切实增加沉浸感。

新视景引擎渲染的嘉峪关机场晴天光照效果图

再比如，在真实的飞行过程中，昼夜、天气是会一直不断变化的，这些变化也必须被飞行模拟机的渲染引擎高度还原，这在技术上也是一个挑战。
游戏引擎超过12K的超高分辨率渲染能力，通过多机多GPU的分布式渲染，可以对包括昼夜以及雨雪霜等天气变化在内的座舱外环境进行全方位实时渲染，其多机渲染精度可达到亚毫秒级。
同时，必须要说一说地球级别的地形渲染技术。
和游戏的地图通常比较小不同，飞行模拟机需要在全球不同的机场实现起、飞、降，这就需要地球级别的地形渲染。
游戏引擎会结合GIS和地球地理数据，通过增强的流式加载和GPU Driven等技术，让地球级别的地形地表数据可以无缝串流并以60帧以上的速率渲染。
有了游戏引擎实时渲染等核心技术的加持，飞行模拟机的视景系统会更加真实、沉浸，飞行员在训练时能在视觉层面更直观地感知到座舱外的实时动向，训练效果也可以得到全方位提升。
所以，可以说这次合作是游戏技术助力航空工业的一次重要举措，会加速国产全动飞行模拟机视景关键技术的研发进程。


三、游戏技术的价值——超越游戏的新型技术集群
游戏技术助力飞行模拟机开发只是游戏技术在工业化数实融合应用的一个缩影。
事实上，在这次的发布会上，腾讯游戏还发布了涵盖数字文保、工业增效、前沿科技探索不同维度的游戏科技项目，展示了游戏技术应用于需要数字孪生、实时渲染、多智能协同、人机交互等技术的不同场景。
游戏是科技发展的产物，也一直是对前沿科技的应用、普及和推动最为积极的产业。
游戏产业在本质上是一个技术生态，它横跨了显示技术、渲染技术、基础通讯、图形处理、AI、云等多个交叉领域。
经过数十年的积累，游戏技术已然成为构建数字化世界、助力数实融合进程的新型技术集群。
游戏技术也在对其他行业产生外溢效应——
游戏引擎被广泛应用于影视制作行业，它能有效提升影视创作灵活性与表现力，同时降低拍摄成本。
汽车工业也得益于脱胎于游戏的技术，比如游戏引擎作为实时3D创作平台，可应用于汽车行业设计、模拟培训与自动驾驶等细分领域。
游戏引擎驱动的数字孪生系统还可以帮助智能城市规划，帮助城市的交通、港口等基础设施实现智能调度。
在数字文保领域，游戏产业非常成熟的照扫技术、3D建模和物理渲染等技术，让文物更好地保存页让公众更直观更亲切地参观。
目前，腾讯游戏就在参与长城的数字化还原，同时助力的北京中轴线申遗，推动文化遗产的创新保护与传承；

游戏技术对前沿科技发展贡献也引起了学术界的关注。
近期，中国科学院自然科学史研究所王彦雨团队发布了《游戏技术——数实融合进程中的技术新种群》的报告，首次对游戏技术的贡献率进行量化评估。
报告指出，对于5G和VR/AR这两个虚实融合时代的重要基础设施，游戏技术的科技贡献率高达46.3%和71.6%。
为什么微软斥巨资收购动视暴雪？
就是微软看到了游戏和它背后的技术所具备的强大正外部性，无论是在消费互联网还是工业互联网，游戏技术作为交叉型、复合型技术都可以发挥其重要的价值。
从更宏观的视角，游戏在本质上是一个模拟现实的过程——策略游戏模拟了战争，动作游戏模拟了打斗，休闲游戏模拟了游乐场，元宇宙则会模拟整个世界。
模拟现实的过程是需要技术高度参与的，游戏对实时计算、图形处理、基础通讯、前端交互等技术有着极高的要求，它是天生的交叉型技术，游戏技术恰好可以和工业数字化、数字孪生、智能协同等领域进行深度融合。
从这个意义上说，游戏和它背后的技术正以多元化的形态，渗透进日常的生产与消费，在某种意义上可以成为未来数实融合的创新底座。

——End——

作者简介：卫夕，公众号“卫夕指北”出品人，科技专栏作者，专写长文，专注剖析互联网及社会科学的底层逻辑。

musiksun

村里终于通电了，开心！

chinaffboy

好文。好好学习一阵子。

2428796577

腾讯这个是开放公众的还是什么

beijingmedtop

截图上看,模拟机很好,就是一般人没有这个财力

时来运转

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fly17fly

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