撰 文 |郭陳韻 中山大學管理學院碩士研究生
朱沆 中山大學管理學院教授
2024年4月26日，南方航空首次正式對外發布中國高等級民航模擬機，由騰訊共同研發的全自研高等級視景系統隨之亮相。這套視景系統是國內首套透過民航局CCAR-60最高等級D級鑑定的、基於遊戲科技和自研虛像研發的全自研視景系統，標誌著它完全符合中國民用航空規章的最高等級要求，已具備正式應用於飛行員訓練，並邁向商業化應用的條件。這套新研發出的視景系統能夠緊密結合我國的地形地質、氣象等實際情況，賦予國內民航更大的自由度去定義和開展訓練科目，極大地提升訓練的針對性和實效性。同時，該系統基於數十個專利開發形成，也由此開啟了廣泛的民航應用空間，包括直升機低空訓練、無人機操控、eVTOL飛行體驗、飛行汽車模擬、無人機快遞模擬、通航飛行模擬訓練等多個領域，可為我國發展民航新質生產力注入新活力。
全動飛行模擬機是民航飛行員訓練的核心裝備，視景系統是其中最為重要且難度最高的技術單元之一，它需要在座艙的超過200°視角的虛像上透過多個投影儀精準呈現飛行員飛行過程中眼睛所見的景象。由於視覺資訊佔據了飛行員獲取資訊的70%，是其飛行決策的主要依據，視景系統的擬真度和效果對於飛行訓練非常關鍵。然而，視景系統的技術門檻極高，涉及航空科技、資訊科技、計算機軟體、虛擬現實和自動控制等核心技術，其研發生產長期以來一直由歐美企業主導，然而即便這些歐美企業，面對技術進步和民航業發展越來越高的要求，也開始向外尋求技術合作。
要精準模擬飛行過程中在駕駛艙內可見的機場、城市建築、周邊地形地貌和氣象條件等要素，視景系統需要兼顧多重因素，有著較為複雜的技術要求。首先，民航飛行模擬機對視景系統的穩定性、多螢幕同步性、訊號傳輸延遲等有著極高的要求。視景系統的畫面需要保持穩定和流暢，每秒更新至少60幀；為了模擬真實的飛行環境，視景系統需要藉助複雜的光路系統，透過三臺投影機將影像投射到220°的曲面幕布上，為保證駕駛艙內飛行員能夠同步獲取資訊做出判斷，多屏呈像的時間誤差需要控制在毫秒級，否則會影響飛行員的視覺體驗，還可能干擾兩位飛行員的飛行訓練效果。
其次，為幫助飛行員準確獲取資訊，及時調整飛行操作，視景系統需要精確呈現物體的位置。由於飛行器速度快，飛行距離遠，需要在準確刻畫地球自然曲面的立體空間上標示物體的精確座標。對此傳統遊戲引擎的平面座標系統已無能為力，必須採用更為精細的曲面座標系統（如國際WGS-84和國內GCJ-02標準），由此又導致計算複雜性急劇增加。如果還要有更接近真實的呈現、對景物做更細緻的渲染，對軟硬體都會有很高的效能要求。早在幾十年前，視景系統的行業領軍企業CAE就基於開源的OpenGL開發了自己的技術引擎，時至今日發現沒有辦法運用新顯示卡的特性。另一家企業柯林斯選擇自己開發顯示卡和引擎，雙線作戰更是舉步維艱。這種狀況導致現有的視景系統呈現機場建築時只能顯示其輪廓的幾何形狀，擬真性低。儘管CAE已透過PC平臺的遊戲圖形顯示卡實現標準化、自動化地生成模擬場景，依然不具備快速自動化構建機場和城市建築群的能力。在視景系統中建立一個真實機場的精確模型需要依賴人工操作，花費兩到三個月的時間，模型的更新需要花費高額的成本，更不用說建立周邊城市建築群的擬真場景。2024年3月，CAE宣佈與遊戲公司Epic Games合作，將虛幻引擎整合到其全動飛行模擬機視景系統中並獲得D級資質認證。
長久以來，國內民航企業以採購國外的視景產品為主。且不論成本，其功能亦難以滿足國內民航業發展速度與個性化需求。現有視景系統在建立飛行模擬場景時，主要依據國外的飛行條件進行建模，但由於我國的地形和氣象存在獨特性，國際通用的視景系統標準並不能完美適配中國的飛行任務。比如，中國是世界上擁有最多高高原機場（海拔2483米以上）的國家，全球海拔最高的6個高高原機場均在中國境內。在低海拔機場，雲層通常漂浮在機場上方，但在高高原機場，雲層卻可能處在機場下方，機場處在雲霧中。針對中國特殊地形、氣象條件以及不同機場遭遇的自然挑戰進行個性化修改，不僅成本高昂，而且技術難度極大。考慮到當前我國民用機場等基礎建設的迅速發展，視景系統中模擬地圖的更新速度明顯跟不上我國機場和城市建設的速度，飛行員的訓練就容易與現實情況產生較多的脫節。
視景系統技術的開發受技術引擎的限制，而引擎的開發與投入的資源量並非直接的線性關係，需要長時間、多專案地打磨才能逐漸形成一個初步可靠的模型。考慮到引擎的開發投入大、耗時長、產出不確定，即便是實力強大的企業也難以在零基礎的情況下，單獨為自主研發飛行模擬機及其視景系統開發技術引擎。
意料之外的跨界友軍
早在2019年，騰訊遊戲便踏上了自主研發遊戲引擎的征程。一次偶然的機會下，團隊發現了飛行模擬機視景系統對自研引擎的潛在需求。遊戲引擎團隊於2021年12月17日親赴海口參加飛行模擬機交流會，介紹了遊戲引擎在飛行模擬機視景系統的潛在應用機會，並與南航翔翼達成初步合作意向。
在正式啟動研發工作之前，遊戲自研引擎團隊花了近半年的時間，學習飛行模擬機相關的專業知識。正在攻關全動飛行模擬機視景系統的南航翔翼也積極配合，幫助合作伙伴儘可能熟悉這一系統。經過半年時間對視景技術的瞭解，遊戲引擎團隊開啟了攀登的旅程。
騰訊跨界進入視景系統開發令人意外，但深入瞭解其行動邏輯，卻又感覺到在情理之中。視景系統的技術難題在於如何提高“畫質”的真實度以及如何降低傳輸延遲，關鍵的技術瓶頸在於缺乏合適且自主可控的引擎。
與傳統工業領域相比，遊戲引擎在超寫實場景建構、大規模資產建模等維度有更為豐富的技術積累。隨著遊戲市場的持續擴張和玩家基數的迅猛增長，巨大的市場需求驅動遊戲開發者緊跟市場脈搏，催生了以GPU為代表的硬體突飛猛進，並刺激了虛擬現實（VR）和增強現實（AR）、人工智慧（AI）等前沿技術的突破，以提高遊戲品質，滿足玩家對畫面、互動性和真實感的期待。廣闊的商業應用場景也吸引了大量頂尖人才投身遊戲開發領域，形成了技術發展的正迴圈。因此，遊戲、電子數碼、消費領域孕育著更為豐富的新興技術。相比之下，工業市場容量較小，相關產品高昂的售價使得技術進展緩慢。同時，工業技術需要完成大量的資格認證，先發式技術壟斷使得行業難以迸發更多新的活力，因此工業中技術更新迭代速度遠遠慢於遊戲等消費級行業。
自研引擎需要長期大量的投入，且存在著較大的不確定性。正如騰訊自研遊戲引擎技術負責人吳羽在訪談中所說：“現在國內投入去做自研遊戲引擎的企業比較少，因為這是一個偏基礎型的研究。自研面臨的是不僅是投錢、投人，還有時間不確定的問題。”正是由於騰訊在遊戲領域有強大的產品開發和商業應用能力，騰訊遊戲業務做出了開發自研遊戲引擎的決定，並持續多年投入。據吳羽回憶，當時開始開發視景系統的時候，騰訊的自研遊戲引擎已經打磨三四年，而且在這前面已經做過非常複雜的專案，如數字長城等。
騰訊自研遊戲引擎在當時已能夠較為精準還原真實的環境資料，並擁有較強的渲染能力，在打磨技術的過程中積累了“Smart GI全域性光照”“物理真實的材質PBR渲染技術”等一系列技術能力，幫助塑造高精度、具備真實立體表面質感、顏色光影與真實世界高度貼近的畫面。基於上述技術，團隊可以模擬不同的地形、光照和氣象條件下的真實動態場景，並呈現惡劣天氣，鳥擊、火山灰等突發事件，從而極大增強飛行員模擬訓練時的真實感。遊戲引擎蘊藏著虛擬現實、數字孿生等新興領域的巨大潛力。在飛行模擬機專案中，騰訊團隊在南航翔翼的協助下巧妙地將遊戲引擎技術能力與民航訓練相結合，並藉助遊戲中常用的PCG程式化內容生成技術以及AIGC技術有效提升視景系統中地圖開發的效率。在技術加持下，視景系統能夠實現80%的場景自動化生成，一個機場的高精度建模時間縮短到3人天。
遊戲技術的一次外溢
要讓自研引擎真正“活”起來，需要在應用專案中持續地打磨它。吳羽談到：“遊戲引擎是非常複雜的系統，只有透過不同的專案去打磨，才能更快地找到較優解讓它收斂。同時試煉專案的執行週期要足夠長，把大部分共性問題解決後，再去做下一個問題。”實現共性問題收斂後，團隊才能找到了適用於大部分遊戲和渲染的最優解，並形成模型應用於更多的專案中。因此，自研遊戲引擎團隊除了面向公司內的遊戲產品，也同時將目光聚焦公司之外，希望抓住自研遊戲引擎在工業領域的巨大潛力，一方面透過不同場景下的應用不斷打磨引擎，另一方面藉助飛行模擬機等應用專案，助力實體產業實現迭代和革新。
與此同時，騰訊也鼓勵團隊將遊戲科技應用到生活中的更多領域。騰訊公司高階副總裁馬曉軼在公開演講中表示：“遊戲本就不是一個孤立發展的產業，自誕生以來，就始終與前沿科技相互驅動、共生髮展，並積累了一系列獨特的技術能力。伴隨著技術的不斷進步和我們認識的升級，遊戲一定會融入更多經濟發展與社會生活之中，釋放更大的科技力量和更為豐富的價值。”在這一戰略理念的引領下，騰訊自研遊戲引擎團隊頻頻涉足不同行業的交流，積極參與各類研討會與論壇，在數字文保、工業製造、科學研究等諸多應用領域開啟了應用合作。如雲遊長城專案，團隊透過多種遊戲技術，對長城進行數字化重建，讓公眾在線上也能“爬長城”和“修長城”，沉浸式地感受長城背後的歷史底蘊和文化魅力。
對騰訊自研遊戲引擎而言，參與民航模擬機視景系統專案是不可多得的磨礪機會。面對南航自研視景系統的堅定決心，團隊亦深受觸動：“很多領域不是必須要做的，他們如果碰到阻力，可能尋找商業級的解決方案了，不一定能堅持得下去，但南航選擇自研。”這也給了團隊很強的信心。他們著眼於長遠，希望攜手南航共同將這一技術推向成熟的商業應用，來證明對這一專案持續投入的價值：“我們覺得這個事情有可能商業化，雖然很難。但我們肯定希望這個事情能夠以自我持續的方式運轉下去。”
跨越遊戲到工業的險阻
然而跨界亦非坦途，在視景系統研發的征途上，騰訊團隊遭遇了一系列跨界所帶來的嚴峻挑戰。“遊戲技術畢竟還是服務娛樂為主的技術，而工業是非常嚴謹的，我們介入到工業領域會遇到很多問題。在遊戲裡，一切以使用者體驗為先，對場景的準確性、精確性要求不算特別高。進入工業領域之後，我們遇到了十來個比較嚴重的技術問題，是現有自研遊戲引擎支援不了的。”回顧開發的歷程，吳羽談到。騰訊自研遊戲引擎團隊需要不斷適應飛行模擬機的行業標準和需求，審視與調整思路，研究新技術方案，以跨越視景系統的技術門檻。
面對一系列的挑戰，騰訊技術團隊積極學習，深入研究了視景系統行業的領軍企業的發展動態，並透過閱讀前人論文和五代模擬機系統的核心資料，廣泛汲取業界的先進經驗，融匯多種解決思路，採用了一系列創新性的解決方案，將遊戲引擎技術與視景系統中出現的具體問題緊密結合，逐一克服難題。
在虛擬世界中構建座標。如前所述，為精確表達地球曲面上的標誌物，民航行業普遍採用極座標系或球面座標系來描述物體的位置。而在遊戲行業中，開發者習慣於利用歐幾里德平面座標系進行定位。因此，為了滿足高精度需求並確保與工業軟體的數值相容，團隊著手將整個引擎中的座標進行改造，以適應地球的空間結構。然而，團隊將座標改成曲面座標後，編輯器又出現了越走越歪的情況。對此，團隊再次調整，讓編輯器橫向緊貼地球移動，以此更精準地映射出地球的真實座標。
翻譯遊戲與航空工程的語言。在遊戲研發中，32位浮點數被視為支撐開發者創造虛擬世界的預設精度。然而，當團隊構建貼近真實世界的視景系統時，32位浮點數的侷限性逐漸顯現。在呈現畫面中心以外區域的景象時，距離越遠，位置資料的精確度和穩定性就愈發難以保障。為此，團隊需要提高整個引擎的計算精度。經過對航空業內頂尖產品的深入剖析，他們發現這些系統大多采用了40位精度的定點數來確保運算的準確與穩定。在權衡軟體與硬體的相容性後，團隊選擇了雙精度浮點數作為解決方案的核心，將浮點數的精度從32位提升至64位，以滿足對位置的精確表達。然而，雙精度浮點計算量過大又受到顯示卡結構的限制。經過反覆推敲與試驗，他們創造性地透過建立區域性座標系，在座標偏移時進行即時動態調整，確保在硬體效能的邊界內完美服務於這一高精度的運算體系。這一突破性的技術使視景系統僅透過3塊3090顯示卡就可以實現12K的解析度，並憑藉24GB的記憶體與16GB的視訊記憶體就能流暢運轉使用了接近1TB素材的數字場景。
打造精準的圖形視覺。在遊戲開發中，遊戲開發者往往較少使用以斑馬線為代表的重複性圖案。這是因為，受圖形取樣技術侷限性的影響，此類圖案在遠距離觀察時，極易陷入失真和摩爾紋干擾的困境。因此，遊戲開發往往限制使用這類圖形。然而，在航空領域這類圖案作為標線卻發揮舉足輕重的作用，為飛行員提供了不可或缺的數值參考。機場跑道上，每一條指示線、每一盞燈的座標、方向、亮度都需要嚴格且精準的呈現，不容有絲毫差錯。為了攻克這一難題，團隊採用了多種尖端技術手段，包括超取樣技術和時域和空域相結合的反走樣技術，以實現此類圖形在渲染中具備準確性和連貫性，避免任何形式的走樣。
追求精益求精的環境再現。騰訊遊戲引擎團隊還透過多種渲染技術，對物體的材質、光影等方面進行了細緻的雕琢。主流視景系統中存在的諸多不足，如山脈和雲朵的表達平面化，城市建築形狀單一和細節處理粗糙，物體表面難以呈現金屬、石頭等材質的真實質感，空間光影的呈現生硬，以及缺乏動態光影變化帶來的陰影和反射效果失真。對此，團隊巧妙地運用AI演算法技術，提取了建築、山體和水域等元素的幾何資訊，並對衛星圖中的雲層進行細緻的影像校正。更為“神奇”的是，他們基於生成式AI演算法補充出建築材質貼圖資訊，同時利用PCG程式化內容生成技術，快速在地圖中重建出一個更準確的數字世界。此外，又透過Smart GI全域性光照技術，視景系統還實現了24小時動態光影的渲染。
團隊在開發過程中，還高度重視與使用者的對接，在開發過程中與飛行員深度溝通，充分尊重並採納了他們的寶貴意見，確保每一項技術革新都能滿足實際應用的需求。
視景系統破局之後
在專案啟動兩年間，團隊一度匯聚了超過六十位在自研引擎領域有著深厚造詣的研發人員參與專案。
該視景系統將多屏成像時的時間誤差縮短至0.1毫秒以內，併成功將畫面更新率維持在每秒更新60幀，極大地提升了畫面的穩定性和連貫性，為飛行員提供更為流暢的模擬駕駛體驗。藉助一系列創新性的技術突破，該系統實現了建模效率的十倍飛躍，大幅度縮短了開發週期。更令人矚目的是，該視景系統提供1:1世界級的場景影像渲染效果，為飛行員提供更為逼真的沉浸式體驗。全新的視景系統不僅能呈現在九寨黃龍等高高原機場起降時群山撲面而來的壓迫感，還能高度擬真模擬一天24小時、不同氣象條件下起降城市的景象。
騰訊互娛研發效能部總經理李從兵歸納了新視景系統的優勢：“半天就能重建2000平方公里城市，3天‘生成’1個機場，數字資產製作效率提升10倍以上，多邊形生成與渲染能力提升380倍，大規模視景場景渲染效能提升10倍以上，配合南航研發的高光學效能虛像技術，成像更真實、建模更高效、執行更穩定。”最終，在民航局組織的鑑定中它成為國內首套一次透過CCAR-60最高等級D級鑑定的視景系統。
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