在一架没有翅膀的“飞机”里，飞行员如何感知昼夜和四季变化？

6月20日，2023珠海飞行安全研讨会暨“南航—腾讯”航空安全与仿真研究实验室成立挂牌仪式在南航翔翼公司举行。本次大会发布了基于腾讯自研游戏引擎技术和南航虚像显示技术共同打造的全新一代视景系统，这一成果实现了国产自研视景系统关键技术突破，完成飞行模拟机视景系统的代际升级，为超过8万民航飞行员提供更高效、更安全的飞行训练。

作为民航飞行员驾驶飞机进入天空前的重要训练手段，基于全动飞行模拟机开展的培训任务至关重要。对于这一架运行于室内环境、没有翅膀的“飞机”，则是依靠其内部高度拟真的视景系统，虚拟重现飞行员驾驶飞机时的眼前景象。

视景系统模拟出的大气与城市

要开发一个优秀的视景系统，能够通过虚拟画面模拟机场、城市、山川河流等具体场景物体还不足够，在我国首个完全自研超写实高等级视景系统中，腾讯游戏开发团队基于先进游戏科技，在大气系统和光照渲染上继续实现技术突破，让虚拟的场景进一步呈现在逼近真实的自然环境和气候之中。

视景系统中飞行员视角的自然环境渲染画面

■ 在模拟飞行中重现日月变化和季节效果

在电子游戏对视觉质量要求越来越高的今天，具备开放世界特性的大型游戏中，已经需要大量的动态元素来塑造高沉浸感的虚拟场景。与之相应的是，在全动飞行模拟机所搭载的视景系统中，飞行员的视角位于虚拟的天空环境自上而下观察，那么能否做出符合当前时间的光照情况和实时变化的天气环境，就将直接影响视景系统所渲染画面的真实感。只不过，这些动态、全球性的因素，往往难以被实时模拟和渲染。

面对环境中日夜交替、24小时连续时间变化引发的不同光照情况，以及不同季节下带来的不同自然环境效果，要解决这类问题，物理大气系统和动态全局光照方案既是必要的，也是最适合的。

在此次腾讯游戏团队基于自研游戏引擎搭建的视景系统中，为了实现动态的时间变化和天气变化，加入了高度模拟自然环境的大气系统，并对环境中不同类型的光照渲染努力做到真实呈现，在技术层面，对天空、大气和云三类大气系统中的主要元素，实现了高度还原。

为了还原真实的天空、大气、云、光照等元素，视景系统中采用了物理大气系统和全局光照方案

而对昼夜变化带来的环境视觉影响，视景系统中的TODSystem基于月相原理（月相的产生是地球、月球、太阳三者在不同位置下产生的结果），通过年月日和时区进行位置计算，再将相关信息输入大气散射系统中，对整体环境进行精确渲染。

■ 物理大气系统

在开放场景中，首要问题是处理天空的光照效果，即确定天空的外观以及它对场景的光照影响。过去，游戏中通常采用绘制天空球的方法，然而随着动态时间变化的需求，传统的“纯贴图天空盒”方法无法满足这些需求。因此，视景系统需要寻找一种方法来动态计算天空的视觉效果和光照贡献。

为了解决这个问题，视景系统采用了一种基于物理的天空模型（Physically Based Sky Model），它可以动态地计算出天空的视觉贡献和光照贡献，用以更好地模拟真实世界中的天空现象，如日出、日落、云层变化等，从而提高游戏场景的真实感。

基于物理的天空模型通常包括几个关键部分：

1. 大气散射：模拟大气中气体分子和气溶胶粒子对光线的散射作用。这可以通过使用雷利散射（Rayleigh Scattering）和米氏散射（Mie Scattering）等模型来实现。

2. 太阳光源：模拟太阳在不同时间和位置时的光照强度。这可以通过使用基于太阳位置的光照模型来实现，例如CIE标准的太阳光谱模型。

3. 云层模拟：模拟云层的形状、密度和光照变化。这可以通过使用基于体积渲染的云层模型来实现，例如使用噪声函数生成的云层形状和密度。

4. 动态时间变化：根据游戏中的时间变化，实时更新天空的状态。这可以通过使用时间参数来控制太阳位置、云层变化等因素来实现。

5. 光照贡献：将天空的光照信息传递给场景中的物体，使它们受到天空光照的影响。这可以通过使用下面提到全局光照技术来实现。

通过将这些技术整合到游戏引擎中，视景系统可以动态计算出天空的视觉贡献和光照贡献，从而提高游戏场景的真实感和沉浸感。

视景系统中的动态光照效果

■ 全动态光照解决方案，为地球级渲染提效

值得注意的是，开发全动飞行模拟机中的视景系统，不光需要其所渲染的画面真实准确，制作大范围、多类型的复杂场景，也对腾讯游戏开发团队在效率上提出了极高的要求。

面对地球级渲染的高标准场景规模和渲染性能要求，开发团队需要一种高性能、低存储、可以快速响应美术制作需求的GI方案。与此同时，考虑到光照方案需要支持全动态的特性，无法使用传统技术，这使得开发团队更创新性地在视景系统中选择了全动态光照解决方案——SmartGI。

SmartGI可以满足视景系统对高标准场景规模和渲染性能的要求

作为一类融合性的全动态光照解决方案，SmartGI综合了多种光照方案特性，做到“取长补短”，还针对飞行场景做了重点区域优化，使整体GI时间达到2至3ms的性能表现。

与此同时，SmartGI的高度可扩展特性，让它可以扩展到较低端的平台，同时支持硬件追踪，并针对飞行过程和机场等重点场景使用GI volume控制体素化区域，在光照渲染的综合效率上实现大幅提升。

■ 结语

在突破性游戏技术的加持下，新一代视景系统可以模拟真实的太阳方位、月相变化， 并保证地日系统达到毫米级精度；准确重建世界自然地理环境，以及不同纬度下的气候效果。凭借对24小时连续时间、四季转化、风雨云等多种气象环境的仿真模拟，为我国民航飞行员训练提供更真实、更灵活、更安全高效的“飞行大世界”。

全新一代视景系统是结合腾讯游戏自研引擎和南航虚像显示技术打造的，依托超写实场景渲染能力，它能够高精度还原地球转动带来的24小时连续光照和环境变化效果，模拟冰雹、风暴等复杂气象变幻，积雪、结冰等复杂跑道效果和爆炸、失火等突发事故现场，为飞行员提供超写实、高沉浸且充满细节变化的训练场景。

随着游戏科技在航空工业领域的跨界探索与深入应用，游戏技术正在成为搭建“超级数字场景”的一大源动力，也为未来更多前沿领域的技术难题，提供可行、创新、高价值的解决方案。

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