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。本次大會發布了基于騰訊自研游戲引擎技術和南航虛像顯示技術共同打造的全新一代視景系統，這一成果實現了國產自研視景系統關鍵技術突破，完成飛行模擬機視景系統的代際升級，為超過8萬民航飛行員提供更高效、更安全的飛行訓練。
作為民航飛行員駕駛飛機進入天空前的重要訓練手段，基于全動飛行模擬機開展的培訓任務至關重要。對于這一架運行于室內環境、沒有翅膀的“飛機”，則是依靠其內部高度擬真的視景系統，虛擬重現飛行員駕駛飛機時的眼前景象。
【資料圖】
視景系統模擬出的大氣與城市
要開發一個優秀的視景系統，能夠通過虛擬畫面模擬機場、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中，騰訊游戲開發團隊基于先進游戲科技，在大氣系統和光照渲染上繼續實現技術突破，讓虛擬的場景進一步呈現在逼近真實的自然環境和氣候之中。
視景系統中飛行員視角的自然環境渲染畫面
在模擬飛行中重現日月變化和季節效果
在電子游戲對視覺質量要求越來越高的今天，具備開放世界特性的大型游戲中，已經需要大量的動態元素來塑造高沉浸感的虛擬場景。與之相應的是，在全動飛行模擬機所搭載的視景系統中，飛行員的視角位于虛擬的天空環境自上而下觀察，那么能否做出符合當前時間的光照情況和實時變化的天氣環境，就將直接影響視景系統所渲染畫面的真實感。只不過，這些動態、全球性的因素，往往難以被實時模擬和渲染。
面對環境中日夜交替、24小時連續時間變化引發的不同光照情況，以及不同季節下帶來的不同自然環境效果，要解決這類問題，物理大氣系統和動態全局光照方案既是必要的，也是最適合的。
在此次騰訊游戲團隊基于自研游戲引擎搭建的視景系統中，為了實現動態的時間變化和天氣變化，加入了高度模擬自然環境的大氣系統，并對環境中不同類型的光照渲染努力做到真實呈現，在技術層面，對天空、大氣和云三類大氣系統中的主要元素，實現了高度還原。
為了還原真實的天空、大氣、云、光照等元素，視景系統中采用了物理大氣系統和全局光照方案
而對晝夜變化帶來的環境視覺影響，視景系統中的TODSystem基于月相原理（月相的產生是地球、月球、太陽三者在不同位置下產生的結果），通過年月日和時區進行位置計算，再將相關信息輸入大氣散射系統中，對整體環境進行精確渲染。
物理大氣系統
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，然而隨著動態時間變化的需求，傳統的“純貼圖天空盒”方法無法滿足這些需求。因此，視景系統需要尋找一種方法來動態計算天空的視覺效果和光照貢獻。
為了解決這個問題，視景系統采用了一種基于物理的天空模型（Physically Based Sky Model），它可以動態地計算出天空的視覺貢獻和光照貢獻，用以更好地模擬真實世界中的天空現象，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。
2. 太陽光源：模擬太陽在不同時間和位置時的光照強度。這可以通過使用基于太陽位置的光照模型來實現，例如CIE標準的太陽光譜模型。
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，例如使用噪聲函數生成的云層形狀和密度。
4. 動態時間變化：根據游戲中的時間變化，實時更新天空的狀態。這可以通過使用時間參數來控制太陽位置、云層變化等因素來實現。
5. 光照貢獻：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來實現。
通過將這些技術整合到游戲引擎中，視景系統可以動態計算出天空的視覺貢獻和光照貢獻，從而提高游戲場景的真實感和沉浸感。
視景系統中的動態光照效果
全動態光照解決方案，為地球級渲染提效
值得注意的是，開發全動飛行模擬機中的視景系統，不光需要其所渲染的畫面真實準確，制作大范圍、多類型的復雜場景，也對騰訊游戲開發團隊在效率上提出了極高的要求。
面對地球級渲染的高標準場景規模和渲染性能要求，開發團隊需要一種高性能、低存儲、可以快速響應美術制作需求的GI方案。與此同時，考慮到光照方案需要支持全動態的特性，無法使用傳統技術，這使得開發團隊更創新性地在視景系統中選擇了全動態光照解決方案——SmartGI。
SmartGI可以滿足視景系統對高標準場景規模和渲染性能的要求
作為一類融合性的全動態光照解決方案，SmartGI綜合了多種光照方案特性，做到“取長補短”，還針對飛行場景做了重點區域優化，使整體GI時間達到2至3ms的性能表現。
與此同時，SmartGI的高度可擴展特性，讓它可以擴展到較低端的平臺，同時支持硬件追蹤，并針對飛行過程和機場等重點場景使用GI volume控制體素化區域，在光照渲染的綜合效率上實現大幅提升。
結語
在突破性游戲技術的加持下，新一代視景系統可以模擬真實的太陽方位、月相變化， 并保證地日系統達到毫米級精度；準確重建世界自然地理環境，以及不同緯度下的氣候效果。憑借對24小時連續時間、四季轉化、風雨云等多種氣象環境的仿真模擬，為我國民航飛行員訓練提供更真實、更靈活、更安全高效的“飛行大世界”。
全新一代視景系統是結合騰訊游戲自研引擎和南航虛像顯示技術打造的，依托超寫實場景渲染能力，它能夠高精度還原地球轉動帶來的24小時連續光照和環境變化效果，模擬冰雹、風暴等復雜氣象變幻，積雪、結冰等復雜跑道效果和爆炸、失火等突發事故現場，為飛行員提供超寫實、高沉浸且充滿細節變化的訓練場景。
隨著游戲科技在航空工業領域的跨界探索與深入應用，游戲技術正在成為搭建“超級數字場景”的一大源動力，也為未來更多前沿領域的技術難題，提供可行、創新、高價值的解決方案。
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