游戲科技的跨界探索和應(yīng)用，正在為未來(lái)更多前沿領(lǐng)域的技術(shù)難題提供解決方案。
6月20日，2023珠海飛行安全研討會(huì)暨“南航—騰訊”航空安全與仿真研究實(shí)驗(yàn)室成立掛牌儀式在南航翔翼公司舉行。本次大會(huì)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(shí)現(xiàn)了國(guó)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(jí)，為超過(guò)8萬(wàn)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(dòng)飛行模擬機(jī)開(kāi)展的培訓(xùn)任務(wù)至關(guān)重要。對(duì)于這一架運(yùn)行于室內(nèi)環(huán)境、沒(méi)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(shí)的眼前景象。
要開(kāi)發(fā)一個(gè)優(yōu)秀的視景系統(tǒng)，能夠通過(guò)虛擬畫面模擬機(jī)場(chǎng)、城市、山川河流等具體場(chǎng)景物體還不足夠，在我國(guó)首個(gè)完全自研超寫實(shí)高等級(jí)視景系統(tǒng)中，騰訊游戲開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，讓虛擬的場(chǎng)景進(jìn)一步呈現(xiàn)在逼近真實(shí)的自然環(huán)境和氣候之中。
在電子游戲?qū)σ曈X(jué)質(zhì)量要求越來(lái)越高的今天，具備開(kāi)放世界特性的大型游戲中，已經(jīng)需要大量的動(dòng)態(tài)元素來(lái)塑造高沉浸感的虛擬場(chǎng)景。與之相應(yīng)的是，在全動(dòng)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(shí)間的光照情況和實(shí)時(shí)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(shí)感。只不過(guò)，這些動(dòng)態(tài)、全球性的因素，往往難以被實(shí)時(shí)模擬和渲染。
面對(duì)環(huán)境中日夜交替、24小時(shí)連續(xù)時(shí)間變化引發(fā)的不同光照情況，以及不同季節(jié)下帶來(lái)的不同自然環(huán)境效果，要解決這類問(wèn)題，物理大氣系統(tǒng)和動(dòng)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(duì)基于自研游戲引擎搭建的視景系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的時(shí)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(duì)環(huán)境中不同類型的光照渲染努力做到真實(shí)呈現(xiàn)，在技術(shù)層面，對(duì)天空、大氣和云三類大氣系統(tǒng)中的主要元素，實(shí)現(xiàn)了高度還原。
而對(duì)晝夜變化帶來(lái)的環(huán)境視覺(jué)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(yáng)三者在不同位置下產(chǎn)生的結(jié)果），通過(guò)年月日和時(shí)區(qū)進(jìn)行位置計(jì)算，再將相關(guān)信息輸入大氣散射系統(tǒng)中，對(duì)整體環(huán)境進(jìn)行精確渲染。
在開(kāi)放場(chǎng)景中，首要問(wèn)題是處理天空的光照效果，即確定天空的外觀以及它對(duì)場(chǎng)景的光照影響。過(guò)去，游戲中通常采用繪制天空球的方法，然而隨著動(dòng)態(tài)時(shí)間變化的需求，傳統(tǒng)的“純貼圖天空盒”方法無(wú)法滿足這些需求。因此，視景系統(tǒng)需要尋找一種方法來(lái)動(dòng)態(tài)計(jì)算天空的視覺(jué)效果和光照貢獻(xiàn)。
為了解決這個(gè)問(wèn)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(dòng)態(tài)地計(jì)算出天空的視覺(jué)貢獻(xiàn)和光照貢獻(xiàn)，用以更好地模擬真實(shí)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(chǎng)景的真實(shí)感。
基于物理的天空模型通常包括幾個(gè)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(duì)光線的散射作用。這可以通過(guò)使用雷利散射（Rayleigh Scattering）和米氏散射（Mie Scattering）等模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2. 太陽(yáng)光源：模擬太陽(yáng)在不同時(shí)間和位置時(shí)的光照強(qiáng)度。這可以通過(guò)使用基于太陽(yáng)位置的光照模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如CIE標(biāo)準(zhǔn)的太陽(yáng)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(guò)使用基于體積渲染的云層模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如使用噪聲函數(shù)生成的云層形狀和密度。
4. 動(dòng)態(tài)時(shí)間變化：根據(jù)游戲中的時(shí)間變化，實(shí)時(shí)更新天空的狀態(tài)。這可以通過(guò)使用時(shí)間參數(shù)來(lái)控制太陽(yáng)位置、云層變化等因素來(lái)實(shí)現(xiàn)。
5. 光照貢獻(xiàn)：將天空的光照信息傳遞給場(chǎng)景中的物體，使它們受到天空光照的影響。這可以通過(guò)使用下面提到全局光照技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
通過(guò)將這些技術(shù)整合到游戲引擎中，視景系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)計(jì)算出天空的視覺(jué)貢獻(xiàn)和光照貢獻(xiàn)，從而提高游戲場(chǎng)景的真實(shí)感和沉浸感。
值得注意的是，開(kāi)發(fā)全動(dòng)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(shí)準(zhǔn)確，制作大范圍、多類型的復(fù)雜場(chǎng)景，也對(duì)騰訊游戲開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)在效率上提出了極高的要求。
面對(duì)地球級(jí)渲染的高標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景規(guī)模和渲染性能要求，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)需要一種高性能、低存儲(chǔ)、可以快速響應(yīng)美術(shù)制作需求的GI方案。與此同時(shí)，考慮到光照方案需要支持全動(dòng)態(tài)的特性，無(wú)法使用傳統(tǒng)技術(shù)，這使得開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)更創(chuàng)新性地在視景系統(tǒng)中選擇了全動(dòng)態(tài)光照解決方案——SmartGI。
作為一類融合性的全動(dòng)態(tài)光照解決方案，SmartGI綜合了多種光照方案特性，做到“取長(zhǎng)補(bǔ)短”，還針對(duì)飛行場(chǎng)景做了重點(diǎn)區(qū)域優(yōu)化，使整體GI時(shí)間達(dá)到2至3ms的性能表現(xiàn)。
與此同時(shí)，SmartGI的高度可擴(kuò)展特性，讓它可以擴(kuò)展到較低端的平臺(tái)，同時(shí)支持硬件追蹤，并針對(duì)飛行過(guò)程和機(jī)場(chǎng)等重點(diǎn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)大幅提升。
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(shí)的太陽(yáng)方位、月相變化， 并保證地日系統(tǒng)達(dá)到毫米級(jí)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(duì)24小時(shí)連續(xù)時(shí)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(guó)民航飛行員訓(xùn)練提供更真實(shí)、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(shí)場(chǎng)景渲染能力，它能夠高精度還原地球轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的24小時(shí)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(chǎng)，為飛行員提供超寫實(shí)、高沉浸且充滿細(xì)節(jié)變化的訓(xùn)練場(chǎng)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(jí)數(shù)字場(chǎng)景”的一大源動(dòng)力，也為未來(lái)更多前沿領(lǐng)域的技術(shù)難題，提供可行、創(chuàng)新、高價(jià)值的解決方案。
