6月20日，2023珠海飛行安全研討會暨“南航—騰訊”航空安全與仿真研究實驗室成立掛牌儀式在南航翔翼公司舉行。本次大會發(fā)布了基于騰訊自研游戲引擎技術(shù)和南航虛像顯示技術(shù)共同打造的全新一代視景系統(tǒng)，這一成果實現(xiàn)了國產(chǎn)自研視景系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)突破，完成飛行模擬機(jī)視景系統(tǒng)的代際升級，為超過8萬民航飛行員提供更高效、更安全的飛行訓(xùn)練。
作為民航飛行員駕駛飛機(jī)進(jìn)入天空前的重要訓(xùn)練手段，基于全動飛行模擬機(jī)開展的培訓(xùn)任務(wù)至關(guān)重要。對于這一架運(yùn)行于室內(nèi)環(huán)境、沒有翅膀的“飛機(jī)”，則是依靠其內(nèi)部高度擬真的視景系統(tǒng)，虛擬重現(xiàn)飛行員駕駛飛機(jī)時的眼前景象。
視景系統(tǒng)模擬出的大氣與城市
(資料圖片)
要開發(fā)一個優(yōu)秀的視景系統(tǒng)，能夠通過虛擬畫面模擬機(jī)場、城市、山川河流等具體場景物體還不足夠，在我國首個完全自研超寫實高等級視景系統(tǒng)中，騰訊游戲開發(fā)團(tuán)隊基于先進(jìn)游戲科技，在大氣系統(tǒng)和光照渲染上繼續(xù)實現(xiàn)技術(shù)突破，讓虛擬的場景進(jìn)一步呈現(xiàn)在逼近真實的自然環(huán)境和氣候之中。
視景系統(tǒng)中飛行員視角的自然環(huán)境渲染畫面
在模擬飛行中重現(xiàn)日月變化和季節(jié)效果
在電子游戲?qū)σ曈X質(zhì)量要求越來越高的今天，具備開放世界特性的大型游戲中，已經(jīng)需要大量的動態(tài)元素來塑造高沉浸感的虛擬場景。與之相應(yīng)的是，在全動飛行模擬機(jī)所搭載的視景系統(tǒng)中，飛行員的視角位于虛擬的天空環(huán)境自上而下觀察，那么能否做出符合當(dāng)前時間的光照情況和實時變化的天氣環(huán)境，就將直接影響視景系統(tǒng)所渲染畫面的真實感。只不過，這些動態(tài)、全球性的因素，往往難以被實時模擬和渲染。
面對環(huán)境中日夜交替、24小時連續(xù)時間變化引發(fā)的不同光照情況，以及不同季節(jié)下帶來的不同自然環(huán)境效果，要解決這類問題，物理大氣系統(tǒng)和動態(tài)全局光照方案既是必要的，也是最適合的。
在此次騰訊游戲團(tuán)隊基于自研游戲引擎搭建的視景系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)動態(tài)的時間變化和天氣變化，加入了高度模擬自然環(huán)境的大氣系統(tǒng)，并對環(huán)境中不同類型的光照渲染努力做到真實呈現(xiàn)，在技術(shù)層面，對天空、大氣和云三類大氣系統(tǒng)中的主要元素，實現(xiàn)了高度還原。
為了還原真實的天空、大氣、云、光照等元素，視景系統(tǒng)中采用了物理大氣系統(tǒng)和全局光照方案
而對晝夜變化帶來的環(huán)境視覺影響，視景系統(tǒng)中的TODSystem基于月相原理（月相的產(chǎn)生是地球、月球、太陽三者在不同位置下產(chǎn)生的結(jié)果），通過年月日和時區(qū)進(jìn)行位置計算，再將相關(guān)信息輸入大氣散射系統(tǒng)中，對整體環(huán)境進(jìn)行精確渲染。
物理大氣系統(tǒng)
在開放場景中，首要問題是處理天空的光照效果，即確定天空的外觀以及它對場景的光照影響。過去，游戲中通常采用繪制天空球的方法，然而隨著動態(tài)時間變化的需求，傳統(tǒng)的“純貼圖天空盒”方法無法滿足這些需求。因此，視景系統(tǒng)需要尋找一種方法來動態(tài)計算天空的視覺效果和光照貢獻(xiàn)。
為了解決這個問題，視景系統(tǒng)采用了一種基于物理的天空模型（Physically Based Sky Model），它可以動態(tài)地計算出天空的視覺貢獻(xiàn)和光照貢獻(xiàn)，用以更好地模擬真實世界中的天空現(xiàn)象，如日出、日落、云層變化等，從而提高游戲場景的真實感。
基于物理的天空模型通常包括幾個關(guān)鍵部分：
1. 大氣散射：模擬大氣中氣體分子和氣溶膠粒子對光線的散射作用。這可以通過使用雷利散射（Rayleigh Scattering）和米氏散射（Mie Scattering）等模型來實現(xiàn)。
2. 太陽光源：模擬太陽在不同時間和位置時的光照強(qiáng)度。這可以通過使用基于太陽位置的光照模型來實現(xiàn)，例如CIE標(biāo)準(zhǔn)的太陽光譜模型。
3. 云層模擬：模擬云層的形狀、密度和光照變化。這可以通過使用基于體積渲染的云層模型來實現(xiàn)，例如使用噪聲函數(shù)生成的云層形狀和密度。
4. 動態(tài)時間變化：根據(jù)游戲中的時間變化，實時更新天空的狀態(tài)。這可以通過使用時間參數(shù)來控制太陽位置、云層變化等因素來實現(xiàn)。
5. 光照貢獻(xiàn)：將天空的光照信息傳遞給場景中的物體，使它們受到天空光照的影響。這可以通過使用下面提到全局光照技術(shù)來實現(xiàn)。
通過將這些技術(shù)整合到游戲引擎中，視景系統(tǒng)可以動態(tài)計算出天空的視覺貢獻(xiàn)和光照貢獻(xiàn)，從而提高游戲場景的真實感和沉浸感。
視景系統(tǒng)中的動態(tài)光照效果
全動態(tài)光照解決方案，為地球級渲染提效
值得注意的是，開發(fā)全動飛行模擬機(jī)中的視景系統(tǒng)，不光需要其所渲染的畫面真實準(zhǔn)確，制作大范圍、多類型的復(fù)雜場景，也對騰訊游戲開發(fā)團(tuán)隊在效率上提出了極高的要求。
面對地球級渲染的高標(biāo)準(zhǔn)場景規(guī)模和渲染性能要求，開發(fā)團(tuán)隊需要一種高性能、低存儲、可以快速響應(yīng)美術(shù)制作需求的GI方案。與此同時，考慮到光照方案需要支持全動態(tài)的特性，無法使用傳統(tǒng)技術(shù)，這使得開發(fā)團(tuán)隊更創(chuàng)新性地在視景系統(tǒng)中選擇了全動態(tài)光照解決方案——SmartGI。
SmartGI可以滿足視景系統(tǒng)對高標(biāo)準(zhǔn)場景規(guī)模和渲染性能的要求
作為一類融合性的全動態(tài)光照解決方案，SmartGI綜合了多種光照方案特性，做到“取長補(bǔ)短”，還針對飛行場景做了重點區(qū)域優(yōu)化，使整體GI時間達(dá)到2至3ms的性能表現(xiàn)。
與此同時，SmartGI的高度可擴(kuò)展特性，讓它可以擴(kuò)展到較低端的平臺，同時支持硬件追蹤，并針對飛行過程和機(jī)場等重點場景使用GI volume控制體素化區(qū)域，在光照渲染的綜合效率上實現(xiàn)大幅提升。
結(jié)語
在突破性游戲技術(shù)的加持下，新一代視景系統(tǒng)可以模擬真實的太陽方位、月相變化， 并保證地日系統(tǒng)達(dá)到毫米級精度；準(zhǔn)確重建世界自然地理環(huán)境，以及不同緯度下的氣候效果。憑借對24小時連續(xù)時間、四季轉(zhuǎn)化、風(fēng)雨云等多種氣象環(huán)境的仿真模擬，為我國民航飛行員訓(xùn)練提供更真實、更靈活、更安全高效的“飛行大世界”。
全新一代視景系統(tǒng)是結(jié)合騰訊游戲自研引擎和南航虛像顯示技術(shù)打造的，依托超寫實場景渲染能力，它能夠高精度還原地球轉(zhuǎn)動帶來的24小時連續(xù)光照和環(huán)境變化效果，模擬冰雹、風(fēng)暴等復(fù)雜氣象變幻，積雪、結(jié)冰等復(fù)雜跑道效果和爆炸、失火等突發(fā)事故現(xiàn)場，為飛行員提供超寫實、高沉浸且充滿細(xì)節(jié)變化的訓(xùn)練場景。
隨著游戲科技在航空工業(yè)領(lǐng)域的跨界探索與深入應(yīng)用，游戲技術(shù)正在成為搭建“超級數(shù)字場景”的一大源動力，也為未來更多前沿領(lǐng)域的技術(shù)難題，提供可行、創(chuàng)新、高價值的解決方案。
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