只是給飛行員做個“裝備”，竟然突破了國內(nèi)民用航空領域的一大技術難題？！

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這是一群游戲技術開發(fā)者的真實經(jīng)歷。

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他們用自研游戲引擎開發(fā)了一個飛行模擬軟件，能夠第一視角模擬飛行員起飛、著陸、巡航等不同時段的操作場景，隨時隨地提升飛行“段位”。

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結果發(fā)現(xiàn)，不僅性能得到提升，生產(chǎn)成本還降低了50%！

由于相關技術在國內(nèi)起步較晚，此前這類軟件主要靠進口采購，一套價格動輒600-800萬，加上維護成本，光是訓練一個飛行員，平均一小時就要燒掉幾千甚至上萬元。

雖然市面上已經(jīng)有像《微軟飛行模擬》（Microsoft Flight Simulator）這樣的游戲，但相比工業(yè)軟件還是有一定差距：

后者不僅需要設計專門的工業(yè)級功能，對于刷新率、傳輸延遲等性能標準要求也更高。

所以，這套軟件在航天航空領域有多重要，這群“技術玩家”又如何解決其中的技術難題？

進一步地，研發(fā)這套軟件用到的國產(chǎn)游戲引擎，背后又究竟是什么來頭？

自研游戲引擎，打通航空技術“難關”

這套工業(yè)飛行模擬軟件，叫全動飛行模擬機視景系統(tǒng)。

全動飛行模擬機（FFS，F(xiàn)ull Flight Simulator），是臺1:1還原飛機駕駛艙的仿真設備，由模擬座艙、運動系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)及教員控制臺等五大部分組成。

它相當于一架“在地面飛行的飛機”，飛行員即使無法上天，在其中也能訓練開飛機的技巧：

顯然，全動飛行模擬機提供的環(huán)境越逼真，訓練效果越好，模擬機等級也就越高。要想做高等級的模擬機，最關鍵的技術之一就是視景系統(tǒng)。

作為全動飛行模擬機的“眼睛”，它專門用于模擬飛機行駛時，飛行員透過駕駛艙風擋看見的真實地形和天氣狀況。

對于飛行員來說，復雜的地形和變幻莫測的天氣，是最考驗飛行技術的兩大環(huán)境因素，視景系統(tǒng)能通過對地形和光影的高精度，盡可能模擬還原真實世界的飛行情況。

然而，正是這套視景系統(tǒng)，成為了國內(nèi)研發(fā)高等級全動飛行模擬機的最大瓶頸之一。要想自研類似技術，主要面臨兩大技術難題：

一方面，高等級全動飛行模擬機的視景系統(tǒng)，對“畫質”真實度要求極嚴格。

這里的真實度標準又分為兩方面：畫面分辨率和環(huán)境數(shù)據(jù)真實度。

以現(xiàn)實世界中的地形為例，大部分機場并非建在平坦開闊地上，尤其是周圍有大量建筑和險峻山地的機場，更是只有經(jīng)驗豐富的飛行員才允許降落。

因此，數(shù)字重建技術質量越高，模擬出的現(xiàn)實世界建筑、道路、山體等幾何信息就越真實，飛行員基于模擬機的練習才更有實際效果。

以視景系統(tǒng)對生成幾何圖形的質量要求為例，即使是最低等級的模擬機，相鄰正方形角間距也不能超過1.5°：

△來源于民航局《飛機飛行模擬機鑒定性能標準》

更別提高等級模擬機對“面分辨率”等容差指標的要求。

另一方面，視景系統(tǒng)還得與其他FFS系統(tǒng)一樣，在傳輸延遲等數(shù)據(jù)上達到“工業(yè)級性能”標準。

模擬機對于視景系統(tǒng)的刷新率和信號傳輸延遲，往往有著嚴格的規(guī)定。

無論是操作模擬機后畫面變化的速率，還是兩個駕駛員座位上不同屏幕的畫面色彩亮度偏差，都必須滿足相應指標。

這是因為，在現(xiàn)實世界中開飛機，對于環(huán)境的反應速度要求極高。

以天氣為例，一旦風向發(fā)生變化或是遇上惡劣天氣可見度降低，往往直接影響飛機的起飛和降落，甚至需要復飛，直到天氣恢復正常。

過程中，極小的操作延誤都可能造成事故，對于模擬機視景系統(tǒng)而言，至少要確保延遲不在人感知范圍內(nèi)，而這個數(shù)據(jù)限制在毫秒級。

△來源于民航局《飛機飛行模擬機鑒定性能標準》

然而，此前在工業(yè)級全動飛行模擬機視景系統(tǒng)上，國內(nèi)自研技術起步較晚。

國內(nèi)民航企業(yè)，往往只能通過購買較昂貴的視景系統(tǒng)來作為“替代方案”，維護成本更是不低。

視景系統(tǒng)本質上是一項模擬飛行環(huán)境的數(shù)字技術，而這恰恰是游戲技術所擅長的。因此，面對這一現(xiàn)狀，來自騰訊游戲的CROS團隊與南航翔翼去年宣布聯(lián)合研發(fā)國產(chǎn)全動飛行模擬機視景系統(tǒng)。

在這套系統(tǒng)中，兩大類游戲技術派上了大用場。

一類是生成游戲場景必不可少的渲染技術，而且與游戲級渲染不同，視景系統(tǒng)要求地球級的渲染能力——

除了要在更廣空間、更復雜緯度上實現(xiàn)曲面渲染，還得與真實地球坐標系保持一致，包括星體、大氣、天氣和曲率校準等；這樣才能重建超高精度、超寫實的數(shù)字場景。

要實現(xiàn)這一點，至少需要三大能力：真實圖像等數(shù)據(jù)處理+AI幾何信息提取、PCG技術“移山填?！薄⒁约巴ㄟ^照掃技術和生成式AI打造高質量建筑貼圖材質信息。

首先需要用AI算法，對衛(wèi)星圖中的噪音、云層和影子進行處理和圖像校正，并提取建筑、道路、水域、植被和山體的幾何信息，以確保重建數(shù)據(jù)的真實度；

然后，就需要用到大場景的速成“秘籍”PCG技術，也就是過程化內(nèi)容生成。

通過將工業(yè)建模知識編碼成一個個PCG算法模塊，就能快速將高精度數(shù)字孿生建筑、道路和植被重建到場景中，同時機場和城市、地景等相關資產(chǎn)也能高效重建。

這之中，騰訊游戲CROS團隊還基于AI算法開發(fā)了快速圖形生成工具，將建模效率提升了10倍以上——

原本3D建模、渲染一個機場需要接近一個月的時間，現(xiàn)在只需3天就能搞定。

最后，通過照片掃描技術生成精細的幾何結構場景，再基于生成式AI算法“想象”出建筑貼圖材質信息，重建出一個逼真的數(shù)字世界。

事實上，基于這一套游戲技術“組合拳”打造的視景系統(tǒng)，比現(xiàn)有工業(yè)軟件效果還要好：

不僅將視景渲染的精細度在貼圖精度上提升了1個數(shù)量級，更是在幾何精度上提升了2個數(shù)量級。

另一類，是體驗游戲必不可少的性能優(yōu)化技術，用來提升視景渲染的速度和效果，達到工業(yè)標準。

硬件上，為了提升多核CPU和GPU的利用效率，團隊研發(fā)了基于可見性緩存的可變著色率繪制管線和超大世界坐標系統(tǒng)，降低并發(fā)時“出bug”的概率。

基于這一GPU和CPU加速技術，CROS團隊將渲染大規(guī)模視景場景的性能提升了10倍以上；

軟件上，他們先是針對模擬機視景系統(tǒng)硬件多屏幕的情況，自研了多屏校準技術，不僅畫面幾何精度達到0.5°以內(nèi)，不同屏幕的色彩、亮度偏差也從10%降低到5%以內(nèi)，符合工業(yè)要求。

隨后，他們還自研了時間同步、數(shù)據(jù)同步算法，在優(yōu)化分布式渲染管線基礎上，成功實現(xiàn)了0.1ms級的同步渲染速度，以及12K分辨率的高清60FPS渲染效果。

在這兩大類游戲技術上，騰訊游戲和南航翔翼合作打造的全動飛行模擬機視景系統(tǒng)，不僅性能優(yōu)于目前國內(nèi)市場上工業(yè)軟件，生產(chǎn)成本還降低了50%。

當然，CROS自研游戲引擎的能力并不止于此。

在助力解決民航一大技術難題的同時，團隊還將CROS自研引擎用在了更多“跨領域”的項目上。

不止航天航空領域

除了航空領域，騰訊游戲CROS自研引擎還讓我國的萬里長城“走進”微信小程序中，在超擬真畫面渲染的基礎上，進一步擁有了跨時空的技術和能力。

此前在2022年6月上線的“云游長城”，是全球首次通過游戲技術實現(xiàn)最大規(guī)模人類文化遺產(chǎn)毫米級高精度的數(shù)字還原。

而現(xiàn)如今，瀏覽量已經(jīng)突破4000萬的“云游長城”，在剛過去的騰訊游戲發(fā)布會上更進一步推出了【時空版】。

這次的版本更新，正是基于CROS自研引擎渲染加持。

除了實現(xiàn)大規(guī)模、全動態(tài)、超高清、超真實的自然環(huán)境以外：

這一次還重建了長城的時空數(shù)據(jù)，是會讓季節(jié)、時間和天氣與長城實地氣象進行映射的那種！

屆時，只需要一個小程序，大家便可以感受到晝夜不同的光照變化、積雪漫漫等效果了。

云游長城的數(shù)字資產(chǎn)光照片掃描量就多達51386張，模型面片數(shù)量更是超過10億，再加上自研引擎的渲染、PCG自動化生成技術等從而實現(xiàn)了惟妙惟肖的效果。

正如騰訊互娛研發(fā)效能部副總經(jīng)理李從兵所言：

渲染技術，是游戲引擎在游戲以外領域的殺手锏。

游戲引擎當前的實時渲染能力在很多情況下，已經(jīng)能做到相當接近真實世界和電影的效果。這也為游戲引擎的破圈提供了一個非常強大的動力。

而除了高精度渲染（虛擬幾何體、多象限貼圖）、PCG生成技術+大規(guī)模植被渲染以外，打造【時空版】中用到的物理大氣系統(tǒng)、實時全局光照（SmartGI）等技術，也同樣是CROS自研引擎具備的能力。

但將游戲引擎“跨領域”應用到這些場景中，除了核心的渲染、動畫等技術，必然也還需要反復迭代、不斷吸收其他的新能力。

以“云游長城【時空版】”為例，這個項目的一大特點就是輕量級，在手機小程序上就能運行，往往需要借助云游戲的能力。

為了實現(xiàn)“云游”這一特性，團隊為CROS游戲引擎開發(fā)了多種即時調試和profile工具，并且完善了引擎的守護進程等功能，確保游戲能在一卡多路并發(fā)的場景下穩(wěn)定運行。

最終通過優(yōu)化迭代一系列游戲引擎新功能，團隊成功提升了數(shù)字長城資產(chǎn)在云環(huán)境下運行的穩(wěn)定性。

而在其團隊自身不斷迭代優(yōu)化、和各種跨領域項目“反向push”的過程中，CROS游戲引擎如今也已經(jīng)以核心技術為基底，“開枝散葉”出工具鏈、以及游戲制作管線兩大能力。

引擎核心技術，主要由9大能力系統(tǒng)構成，包括3D渲染、動畫系統(tǒng)、物理系統(tǒng)、音視頻系統(tǒng)、網(wǎng)絡通訊、數(shù)學計算、腳本系統(tǒng)、場景資源管理和任務系統(tǒng)等；

工具鏈，則是配套引擎提供服務的能力，包括打通主流DCC工具、對各領域多種資源格式的支持工具、相關的服務器引擎能力等；

游戲制作管線能力，則包括數(shù)字孿生能力、材質Lookdev能力、PCG技術、光照和烘培技術等，再結合AI算法、數(shù)字孿生掃描、動捕技術，就能提供一條游戲“流水線”生產(chǎn)所需的工具。

基于這三大能力，CROS自研引擎如今已經(jīng)助力民用航空、數(shù)字文化等領域解決了不少“硬核”需求，初步完成了一輪游戲技術的“跨圈”應用。

問題來了，為什么手握“一線”游戲的騰訊，要做這件事？

為什么騰訊要做這件事？

前不久，英偉達GTC線上大會發(fā)起了一場特別活動——英偉達CEO黃仁勛與OpenAI聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席科學家Ilya Sutskever進行了一次“爐邊談話”。

在這次談話中，Ilya Sutskever特別提到了《DOTA2》，通過《DOTA2》，OpenAI的學習模式從“強化學習”轉變?yōu)榱恕盎谌祟惙答伒膹娀瘜W習（RLHF）”，這為后來的ChatGPT技術提供了借鑒。

而縱觀AI發(fā)展至今的漫漫長路可以看到，游戲一直是前沿技術最佳的“試驗田”。

因為基于游戲的形式，一直是很多科學家探索AI的方式：

1944年，馮·諾依曼在《博弈論與經(jīng)濟行為》一書中，首先提出了兩人對弈的Minimax算法；

1947年，圖靈編寫出了第一個下棋程序；

1950年，香農(nóng)發(fā)表《計算機下棋程序》一文，開啟計算機下棋的理論研究。

1951年，圖靈的好朋友克里斯托弗·斯特拉切（Christopher Strachey）寫出了世界上第一個視覺游戲checkers。

……

再到后來名聲大噪的AlphaGo擊敗人類，無不都在印證著這一點。

而游戲還不只是前沿科技的“試驗場”，更是普通大眾觸碰到天文、生物、醫(yī)學乃至基礎科學等前沿科技的一個重要通道。

比如《腫瘤醫(yī)生》，就是基于臨床真實方案開發(fā)的一款科普腫瘤知識的游戲。

游戲中，玩家作為腫瘤醫(yī)生，需要找到能平衡治療、補充體力和回復免疫力的方案。

在這個過程中，玩家不僅能學到手術、放療、化療、靶向治療、免疫治療等基礎知識，還能get不少防治癌癥新技能，揭開這一前沿醫(yī)學研究領域的“神秘面紗”。

騰訊公司高級副總裁馬曉軼在接受媒體采訪時就談到，游戲驅動了新技術的發(fā)展，讓新技術快速大規(guī)模應用、民用，并通過市場反哺新技術研發(fā)投入：

游戲本身是普通用戶可以接受到的最吃硬件性能的數(shù)字產(chǎn)品……如果你日常刷個網(wǎng)頁或短視頻，大概會再用2W的功耗，這些加起來都不到5W。但你玩游戲的時候，增速要高，可能18W是拉滿的。

而騰訊無論是做“全動飛行模擬機聯(lián)合視景系統(tǒng)”還是“云游長城【時空版】”，更是凸顯了游戲技術不一樣的價值。

一個是用游戲引擎突破了航空航天核心裝備的自研技術瓶頸。

通過把游戲技術應用于民航工業(yè)軟件領域，不僅降低了飛行員的訓練成本、提升培養(yǎng)效率，更是進一步助力實現(xiàn)核心引擎到業(yè)務場景各環(huán)節(jié)技術和軟件系統(tǒng)的國產(chǎn)化。

這樣一來，就能更好地促進民航工業(yè)核心自研知識的發(fā)展和迭代，進一步打造國產(chǎn)技術核心競爭力。

另一個則是在教育和文物保護上體現(xiàn)出了游戲技術的優(yōu)勢。

據(jù)了解，“云游長城”（香港版）已經(jīng)通過中國文化研究院平臺，進入香港中小學，成為豐富課程、拓展全新教學場景的延展學習資源。

同時，“云游長城”還獲得了聯(lián)合國教科文組織頒發(fā)的“2022全球世界遺產(chǎn)教育創(chuàng)新案例卓越之星獎”。

馬曉軼認為，游戲科技是游戲產(chǎn)業(yè)逐步積累和沉淀了一套能模擬現(xiàn)實世界、提供沉浸體驗和具備豐富交互能力等獨特技術體系。這些能力特點，非常契合當下和未來的更多社會需求。

游戲科技“跨界”項目越來越多地出現(xiàn)，正是游戲作為一種超級數(shù)字場景，所呈現(xiàn)出來的通用性和更多可能性。

由此可見，游戲，已經(jīng)不再是“你以為的你以為”了。

那么之于未來，游戲及游戲技術還能給更多跨領域帶來怎樣的價值，值得期待。

參考鏈接：http://www.caac.gov.cn/XXGK/XXGK/GFXWJ/201910/t20191010_198923.html