只是給飛行員做個(gè) " 裝備 "，竟然突破了國內(nèi)民用航空領(lǐng)域的一大技術(shù)難題？！
(相關(guān)資料圖)
這是一群游戲技術(shù)開發(fā)者的真實(shí)經(jīng)歷。
他們用自研游戲引擎開發(fā)了一個(gè)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(shí)段的操作場景，隨時(shí)隨地提升飛行 " 段位 "。
結(jié)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(guān)技術(shù)在國內(nèi)起步較晚，此前這類軟件主要靠進(jìn)口采購，一套價(jià)格動(dòng)輒600-800 萬，加上維護(hù)成本，光是訓(xùn)練一個(gè)飛行員，平均一小時(shí)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(shè)計(jì)專門的工業(yè)級(jí)功能，對(duì)于刷新率、傳輸延遲等性能標(biāo)準(zhǔn)要求也更高。
所以，這套軟件在航天航空領(lǐng)域有多重要，這群 " 技術(shù)玩家 " 又如何解決其中的技術(shù)難題？
進(jìn)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(shù) " 難關(guān) "
這套工業(yè)飛行模擬軟件，叫全動(dòng)飛行模擬機(jī)視景系統(tǒng)。
全動(dòng)飛行模擬機(jī)（FFS，F(xiàn)ull Flight Simulator），是臺(tái) 1:1 還原飛機(jī)駕駛艙的仿真設(shè)備，由模擬座艙、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及教員控制臺(tái)等五大部分組成。
它相當(dāng)于一架 " 在地面飛行的飛機(jī) "，飛行員即使無法上天，在其中也能訓(xùn)練開飛機(jī)的技巧：
顯然，全動(dòng)飛行模擬機(jī)提供的環(huán)境越逼真，訓(xùn)練效果越好，模擬機(jī)等級(jí)也就越高。要想做高等級(jí)的模擬機(jī)，最關(guān)鍵的技術(shù)之一就是視景系統(tǒng)。作為全動(dòng)飛行模擬機(jī)的 " 眼睛 "，它專門用于模擬飛機(jī)行駛時(shí)，飛行員透過駕駛艙風(fēng)擋看見的真實(shí)地形和天氣狀況。
對(duì)于飛行員來說，復(fù)雜的地形和變幻莫測的天氣，是最考驗(yàn)飛行技術(shù)的兩大環(huán)境因素，視景系統(tǒng)能通過對(duì)地形和光影的高精度，盡可能模擬還原真實(shí)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(jí)全動(dòng)飛行模擬機(jī)的最大瓶頸之一。要想自研類似技術(shù)，主要面臨兩大技術(shù)難題：
一方面，高等級(jí)全動(dòng)飛行模擬機(jī)的視景系統(tǒng)，對(duì) " 畫質(zhì) " 真實(shí)度要求極嚴(yán)格。
這里的真實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)又分為兩方面：畫面分辨率和環(huán)境數(shù)據(jù)真實(shí)度。
以現(xiàn)實(shí)世界中的地形為例，大部分機(jī)場并非建在平坦開闊地上，尤其是周圍有大量建筑和險(xiǎn)峻山地的機(jī)場，更是只有經(jīng)驗(yàn)豐富的飛行員才允許降落。
因此，數(shù)字重建技術(shù)質(zhì)量越高，模擬出的現(xiàn)實(shí)世界建筑、道路、山體等幾何信息就越真實(shí)，飛行員基于模擬機(jī)的練習(xí)才更有實(shí)際效果。
以視景系統(tǒng)對(duì)生成幾何圖形的質(zhì)量要求為例，即使是最低等級(jí)的模擬機(jī)，相鄰正方形角間距也不能超過 1.5 °：
△來源于民航局《飛機(jī)飛行模擬機(jī)鑒定性能標(biāo)準(zhǔn)》更別提高等級(jí)模擬機(jī)對(duì) " 面分辨率 " 等容差指標(biāo)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(dá)到 " 工業(yè)級(jí)性能 " 標(biāo)準(zhǔn)。
模擬機(jī)對(duì)于視景系統(tǒng)的刷新率和信號(hào)傳輸延遲，往往有著嚴(yán)格的規(guī)定。
無論是操作模擬機(jī)后畫面變化的速率，還是兩個(gè)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(yīng)指標(biāo)。
這是因?yàn)椋诂F(xiàn)實(shí)世界中開飛機(jī)，對(duì)于環(huán)境的反應(yīng)速度要求極高。
以天氣為例，一旦風(fēng)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(jī)的起飛和降落，甚至需要復(fù)飛，直到天氣恢復(fù)正常。
過程中，極小的操作延誤都可能造成事故，對(duì)于模擬機(jī)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(gè)數(shù)據(jù)限制在毫秒級(jí)。
△來源于民航局《飛機(jī)飛行模擬機(jī)鑒定性能標(biāo)準(zhǔn)》然而，此前在工業(yè)級(jí)全動(dòng)飛行模擬機(jī)視景系統(tǒng)上，國內(nèi)自研技術(shù)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(hù)成本更是不低。
視景系統(tǒng)本質(zhì)上是一項(xiàng)模擬飛行環(huán)境的數(shù)字技術(shù)，而這恰恰是游戲技術(shù)所擅長的。因此，面對(duì)這一現(xiàn)狀，來自騰訊游戲的 CROS 團(tuán)隊(duì)與南航翔翼去年宣布聯(lián)合研發(fā)國產(chǎn)全動(dòng)飛行模擬機(jī)視景系統(tǒng)。
在這套系統(tǒng)中，兩大類游戲技術(shù)派上了大用場。
一類是生成游戲場景必不可少的渲染技術(shù)，而且與游戲級(jí)渲染不同，視景系統(tǒng)要求地球級(jí)的渲染能力——
除了要在更廣空間、更復(fù)雜緯度上實(shí)現(xiàn)曲面渲染，還得與真實(shí)地球坐標(biāo)系保持一致，包括星體、大氣、天氣和曲率校準(zhǔn)等；這樣才能重建超高精度、超寫實(shí)的數(shù)字場景。
要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，至少需要三大能力：真實(shí)圖像等數(shù)據(jù)處理 +AI 幾何信息提取、PCG 技術(shù) " 移山填海 "、以及通過照掃技術(shù)和生成式 AI 打造高質(zhì)量建筑貼圖材質(zhì)信息。
首先需要用AI 算法，對(duì)衛(wèi)星圖中的噪音、云層和影子進(jìn)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(shí)度；
然后，就需要用到大場景的速成 " 秘籍 "PCG 技術(shù)，也就是過程化內(nèi)容生成。通過將工業(yè)建模知識(shí)編碼成一個(gè)個(gè) 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(shí)機(jī)場和城市、地景等相關(guān)資產(chǎn)也能高效重建。
這之中，騰訊游戲 CROS 團(tuán)隊(duì)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(gè)機(jī)場需要接近一個(gè)月的時(shí)間，現(xiàn)在只需 3 天就能搞定。
最后，通過照片掃描技術(shù)生成精細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)場景，再基于生成式 AI 算法 " 想象 " 出建筑貼圖材質(zhì)信息，重建出一個(gè)逼真的數(shù)字世界。事實(shí)上，基于這一套游戲技術(shù) " 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(xì)度在貼圖精度上提升了 1 個(gè)數(shù)量級(jí)，更是在幾何精度上提升了 2 個(gè)數(shù)量級(jí)。
另一類，是體驗(yàn)游戲必不可少的性能優(yōu)化技術(shù)，用來提升視景渲染的速度和效果，達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。硬件上，為了提升多核 CPU 和 GPU 的利用效率，團(tuán)隊(duì)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(biāo)系統(tǒng)，降低并發(fā)時(shí) " 出 bug" 的概率。
基于這一 GPU 和 CPU 加速技術(shù)，CROS 團(tuán)隊(duì)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(duì)模擬機(jī)視景系統(tǒng)硬件多屏幕的情況，自研了多屏校準(zhǔn)技術(shù)，不僅畫面幾何精度達(dá)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(shí)間同步、數(shù)據(jù)同步算法，在優(yōu)化分布式渲染管線基礎(chǔ)上，成功實(shí)現(xiàn)了 0.1ms 級(jí)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(shù)上，騰訊游戲和南航翔翼合作打造的全動(dòng)飛行模擬機(jī)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(dāng)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(shù)難題的同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還將 CROS 自研引擎用在了更多 " 跨領(lǐng)域 " 的項(xiàng)目上。
不止航天航空領(lǐng)域
除了航空領(lǐng)域，騰訊游戲 CROS 自研引擎還讓我國的萬里長城 " 走進(jìn) " 微信小程序中，在超擬真畫面渲染的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擁有了跨時(shí)空的技術(shù)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(shù)實(shí)現(xiàn)最大規(guī)模人類文化遺產(chǎn)毫米級(jí)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(huì)上更進(jìn)一步推出了【時(shí)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模、全動(dòng)態(tài)、超高清、超真實(shí)的自然環(huán)境以外：
這一次還重建了長城的時(shí)空數(shù)據(jù)，是會(huì)讓季節(jié)、時(shí)間和天氣與長城實(shí)地氣象進(jìn)行映射的那種！屆時(shí)，只需要一個(gè)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(dá) 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(dòng)化生成技術(shù)等從而實(shí)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(shù)，是游戲引擎在游戲以外領(lǐng)域的殺手锏。
游戲引擎當(dāng)前的實(shí)時(shí)渲染能力在很多情況下，已經(jīng)能做到相當(dāng)接近真實(shí)世界和電影的效果。這也為游戲引擎的破圈提供了一個(gè)非常強(qiáng)大的動(dòng)力。
而除了高精度渲染（虛擬幾何體、多象限貼圖）、PCG 生成技術(shù) + 大規(guī)模植被渲染以外，打造【時(shí)空版】中用到的物理大氣系統(tǒng)、實(shí)時(shí)全局光照（SmartGI）等技術(shù)，也同樣是 CROS 自研引擎具備的能力。但將游戲引擎 " 跨領(lǐng)域 " 應(yīng)用到這些場景中，除了核心的渲染、動(dòng)畫等技術(shù)，必然也還需要反復(fù)迭代、不斷吸收其他的新能力。
以 " 云游長城【時(shí)空版】" 為例，這個(gè)項(xiàng)目的一大特點(diǎn)就是輕量級(jí)，在手機(jī)小程序上就能運(yùn)行，往往需要借助云游戲的能力。
為了實(shí)現(xiàn) " 云游 " 這一特性，團(tuán)隊(duì)為 CROS 游戲引擎開發(fā)了多種即時(shí)調(diào)試和 profile 工具，并且完善了引擎的守護(hù)進(jìn)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(yùn)行。
最終通過優(yōu)化迭代一系列游戲引擎新功能，團(tuán)隊(duì)成功提升了數(shù)字長城資產(chǎn)在云環(huán)境下運(yùn)行的穩(wěn)定性。
而在其團(tuán)隊(duì)自身不斷迭代優(yōu)化、和各種跨領(lǐng)域項(xiàng)目 " 反向 push" 的過程中，CROS 游戲引擎如今也已經(jīng)以核心技術(shù)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(shù)，主要由 9 大能力系統(tǒng)構(gòu)成，包括 3D 渲染、動(dòng)畫系統(tǒng)、物理系統(tǒng)、音視頻系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)學(xué)計(jì)算、腳本系統(tǒng)、場景資源管理和任務(wù)系統(tǒng)等；工具鏈，則是配套引擎提供服務(wù)的能力，包括打通主流 DCC 工具、對(duì)各領(lǐng)域多種資源格式的支持工具、相關(guān)的服務(wù)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(zhì) Lookdev 能力、PCG 技術(shù)、光照和烘培技術(shù)等，再結(jié)合 AI 算法、數(shù)字孿生掃描、動(dòng)捕技術(shù)，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(lǐng)域解決了不少 " 硬核 " 需求，初步完成了一輪游戲技術(shù)的 " 跨圈 " 應(yīng)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(dá) GTC 線上大會(huì)發(fā)起了一場特別活動(dòng)——英偉達(dá) CEO 黃仁勛與 OpenAI 聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席科學(xué)家 Ilya Sutskever 進(jìn)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(xué)習(xí)模式從 " 強(qiáng)化學(xué)習(xí) " 轉(zhuǎn)變?yōu)榱?" 基于人類反饋的強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RLHF）"，這為后來的 ChatGPT 技術(shù)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(shù)最佳的 " 試驗(yàn)田 "。
因?yàn)榛谟螒虻男问剑恢笔呛芏嗫茖W(xué)家探索 AI 的方式：
1944 年，馮 · 諾依曼在《博弈論與經(jīng)濟(jì)行為》一書中，首先提出了兩人對(duì)弈的 Minimax 算法；
1947 年，圖靈編寫出了第一個(gè)下棋程序；
1950 年，香農(nóng)發(fā)表《計(jì)算機(jī)下棋程序》一文，開啟計(jì)算機(jī)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(gè)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(diǎn)。
而游戲還不只是前沿科技的 " 試驗(yàn)場 "，更是普通大眾觸碰到天文、生物、醫(yī)學(xué)乃至基礎(chǔ)科學(xué)等前沿科技的一個(gè)重要通道。
比如《腫瘤醫(yī)生》，就是基于臨床真實(shí)方案開發(fā)的一款科普腫瘤知識(shí)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(bǔ)充體力和回復(fù)免疫力的方案。
在這個(gè)過程中，玩家不僅能學(xué)到手術(shù)、放療、化療、靶向治療、免疫治療等基礎(chǔ)知識(shí)，還能 get 不少防治癌癥新技能，揭開這一前沿醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的 " 神秘面紗 "。
騰訊公司高級(jí)副總裁馬曉軼在接受媒體采訪時(shí)就談到，游戲驅(qū)動(dòng)了新技術(shù)的發(fā)展，讓新技術(shù)快速大規(guī)模應(yīng)用、民用，并通過市場反哺新技術(shù)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(gè)網(wǎng)頁或短視頻，大概會(huì)再用 2W 的功耗，這些加起來都不到 5W。但你玩游戲的時(shí)候，增速要高，可能 18W 是拉滿的。
而騰訊無論是做 " 全動(dòng)飛行模擬機(jī)聯(lián)合視景系統(tǒng) " 還是 " 云游長城【時(shí)空版】"，更是凸顯了游戲技術(shù)不一樣的價(jià)值。
一個(gè)是用游戲引擎突破了航空航天核心裝備的自研技術(shù)瓶頸。
通過把游戲技術(shù)應(yīng)用于民航工業(yè)軟件領(lǐng)域，不僅降低了飛行員的訓(xùn)練成本、提升培養(yǎng)效率，更是進(jìn)一步助力實(shí)現(xiàn)核心引擎到業(yè)務(wù)場景各環(huán)節(jié)技術(shù)和軟件系統(tǒng)的國產(chǎn)化。
這樣一來，就能更好地促進(jìn)民航工業(yè)核心自研知識(shí)的發(fā)展和迭代，進(jìn)一步打造國產(chǎn)技術(shù)核心競爭力。
另一個(gè)則是在教育和文物保護(hù)上體現(xiàn)出了游戲技術(shù)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(tái)，進(jìn)入香港中小學(xué)，成為豐富課程、拓展全新教學(xué)場景的延展學(xué)習(xí)資源。
同時(shí)，" 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(jiǎng) "。
馬曉軼認(rèn)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(shí)世界、提供沉浸體驗(yàn)和具備豐富交互能力等獨(dú)特技術(shù)體系。這些能力特點(diǎn)，非常契合當(dāng)下和未來的更多社會(huì)需求。
游戲科技 " 跨界 " 項(xiàng)目越來越多地出現(xiàn)，正是游戲作為一種超級(jí)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(shù)還能給更多跨領(lǐng)域帶來怎樣的價(jià)值，值得期待。
參考鏈接：http://www.caac.gov.cn/XXGK/XXGK/GFXWJ/201910/t20191010_198923.html
— 完—
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科技前沿進(jìn)展日日相見 ~
