现代游戏技术对视景仿真的影响

tuchooy

近日，腾讯在SPARK2023腾讯游戏发布会上展示了一款由腾讯与南航翔翼合作研发的全动飞行模拟机视景系统。

它采用游戏引擎的技术和理念，具有地球级数字资产渲染能力以及PBR材质渲染技术，把游戏行业资产制作流程和PCG程序化内容生成技术用于视景数据资产生成。通过公开的视频图片展示，该视景系统创造出了高精度、高真实感的飞行模拟体验。

游戏引擎与视景系统
其实，使用游戏引擎技术来促进视景仿真系统的发展并不是新鲜事物。国外的专业视景厂商一直在积极拥抱现代游戏技术，微视威也在多年前就推出了具有游戏体验的视景仿真系统，并在多种高端飞行模拟器中得到了良好应用，实现了对国外专业商用视景仿真系统的国产化替代。

三维游戏引擎与视景仿真系统本来就是计算机图形技术一棵树上开出的两朵花。游戏引擎通常最先使用计算机图形学的最新技术，同时游戏的体验需求也促进计算机图形学软硬件技术的快速发展；而视景仿真系统则更侧重于仿真的准确性和专业性，为训练人员提供稳定可靠、接近真实的训练体验。游戏引擎与视景仿真系统是计算机图形学中两个不同的应用系统。虽然很多技术是相通的，但由于应用场景不同，技术侧重点也有所区别，坐标表示、数据组织等系统架构也会有一定差异。并不是用游戏引擎简单修改就可以实现视景仿真系统，还是需要做大量开发工作。

计算机图形学在诞生之初，就被应用在了飞行模拟仿真领域。计算机图形学之父Ivan Sutherland，在20世纪60年代创立了E&S（Evans&Sutherland）公司，先后开发了SP3、ESIG等视景系统。后来E&S将视景业务卖给了Rockwell Collins，发展为专业飞行模拟领域广泛使用的Collins EP系列视景系统。

近年来，游戏领域一直引领着计算机图形技术的发展和应用。PBR（基于物理的渲染）、RT（光线追踪）、体积云、全局光照明、GPU Driven等渲染技术，几乎已成为3A游戏大作的标配。

图1 微软模拟飞行2020

而prepar3d、x-plane、微软模拟飞行、DCS等飞行仿真类游戏，也一直深受广大飞行爱好者的喜爱。随着飞行游戏仿真度、专业度的提高，游戏与仿真的领域界限也在逐渐模糊。Prepar3D、X-Plane广泛应用在简易飞行训练设备中，有的甚至可以通过飞行训练器（FTD）一定级别的鉴定。

随着CPU、显卡等硬件能力的增强，以及Unreal等游戏引擎的成熟，专业模拟器的视景仿真领域也迎来了变局。全球最大的全任务飞行模拟机生产商CAE公司，也基于Unreal引擎开发了Prodigy IG。借助Unreal引擎强大的渲染能力，Prodigy IG实现了极强的沉浸感和真实感。



图2 CAE公司基于Unreal引擎开发的Prodigy视景系统

此外，开发了Unreal引擎的Epic Games公司，也官方推出了Antoinette项目，专为创建下一代飞行模拟器提供支持。



图3 Epic Games基于Unreal引擎建立了Antoinette项目

ViSYS视景系统中使用的游戏技术
作为打造纯国产自研视景的排头兵，微视威也一直在将前沿游戏技术应用在自研视景ViSYS中。

高真实感渲染技术

PBR材质：

使用基于物理的渲染(PBR)可以实现高质量的图像渲染，更加准确地模拟真实世界中的光照和物质表面，包括光影、材质、纹理等，从而可以实现更加逼真的视景仿真效果，使得场景更加逼真。











基于物理的大气
实现基于物理的大气模型，真实表现米氏散射、瑞利散射等大气散射效果。



体积云
使用Volumetric Raymarching技术，逐步累计光照和透射率。实现单次散射光照、多重散射光照和环境光照，可实现真实的云层光照效果。







海洋渲染
基于FFT实现的三维动态海洋，可对海浪波形进行调节，可体验不同浪级的真实海洋效果。海水具有通透感与表现力，支持海面反光、折射、次表面散射等效果。







三维场景构建
地形细节纹理
支持多种路面类型以及细节纹理效果，系统可根据卫星影像自动合成草皮、沙石、土地等多种地形效果。







交互式植被
全新的可视化植被编辑系统，可在全球任意位置自由进行植被编辑，支持30万以上植被同屏渲染，并可根据季节自动切换植被资源，植被效果真实自然。







程序化场景生成
通过算法和规则来生成大量的场景元素，包括地形、植物、城市建筑等，可以高效地生成大规模的场景，提高视景仿真制作效率。













ViSYS视景系统，不止于游戏引擎



视景系统是需要满足工业应用的专业系统，微视威自研的ViSYS视景不仅限于游戏引擎，而是一个集游戏引擎、虚拟仿真、地理信息等系统特色优势于一身的专业视景系统。

支持WGS84、CGCS2000等大地坐标系，具有从太空到地表的无极缩放能力，定位精度可达厘米级，视景与航图可精确匹配。



基于真实星历的天体渲染系统，太阳方位角、月相与真实时间保持匹配，可模拟真实的太阳方位、月相变化、时间变换等自然现象。





同时支持多种灯光类型，例如papi、进近灯、fresnel等，能够实现动态城市灯光，灯光角度、衰减函数、可见距离等的精确设置。





实现了基于材质分类和物理的传感器仿真流程，支持夜视、红外、SAR雷达、气象雷达等多种传感器仿真。



适配各种显示设备：支持常见的折幕、柱幕和球幕几何校正和拼接融合，全面支持MR、VR、主动立体等头戴式设备，提供更加身临其境的视景仿真体验。







随着国内经济的快速发展和科技水平的提高，视景仿真市场也呈现出快速增长的态势。但是，制作高质量的自研视景仿真需要投入大量的技术、资源和人力，因此，我们希望能够有更多的专业团队投入到视景仿真领域，推动国产工业系统的发展。

在未来，我们相信视景仿真市场会持续增长，并且会向更加智能化、自动化和高效化的方向发展。希望我们可以共同努力，为构建一个更加先进、高效和智能的视景仿真环境做出贡献。

注：图1、2、3来源于公开画面，其他效果均由ViSYS视景引擎制作；模型均基于公开数据建模。





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