用游戲技術快速生成，如今“建設”一座機場只需三天時間

量子位的朋友們 2023-06-25 16:41:19 來源：量子位

6月20日，2023珠海飛行安全研討會暨“南航-騰訊”航空安全與仿真研究實驗室成立掛牌儀式在南航翔翼公司舉辦。本次大會發布了基于騰訊自研游戲引擎技術和南航虛像顯示技術共同打造的全新一代視景系統，該成果實現了國產自研視景系統關鍵技術突破，完成飛行模擬機視景系統的代際升級，為超過8萬民航飛行員提供更高效、更安全的飛行訓練。

作為民航飛行員訓練的主要設備，全動飛行模擬機以及其所搭載的視景系統能夠模擬飛行時所見景象，是影響飛行訓練成效的最關鍵部分之一。而此次新發布的視景系統用騰訊自研游戲引擎技術，為民航飛行員提供1:1的真飛機模擬仿真駕駛體驗和第一視角的世界場景圖像渲染，首次將游戲開發領域積累的資產制作流程和PCG技術用于航空領域的數據資產生成，為游戲科技“跨界”邁出重要一步。

創造大世界，離不開制作高效率

游戲產業發展至今，開放世界正在成為越來越多3A游戲的必備元素，在虛擬環境中構建開放且場景復雜多樣的大世界，如何提升樓宇、樹木、道路等同類型數字資產的制作效率，影響著整個游戲項目的開發進度，而提升開放世界的資產制作效率，往往離不開內容生成技術。

事實上，PCG內容生成技術在游戲行業已經有5年以上的廣泛應用，游戲開發者通過輸入需求，并利用工具運算生成輸出數字資產，虛擬世界中的城市等場景就能自動復現，并按照規則分布出來。

在此次的南航視景系統中，民航飛行員第一視角下的世界場景圖像都經過真實模擬，包括機場、城市等大量場景需要構建，而有了PCG技術的加持，機場跑道的滑行道、聯絡道、標志、標線等元素，都可以程序化生成，制作做城市時，也只用提前預定規則選定范圍，就能快速生成擴大，告別傳統方式對場景細節逐個建模、手動畫圖的緩慢操作，做到快速迭代。

上千平方公里城市資產重建，一天之內完成

為了讓南航視景系統中，飛行員視野內的景觀場景更加接近真實，開發團隊重建了深圳市大概35*35公里，超過1000平方公里范圍的深圳市地景，包括了15萬+棟建筑，25萬件樓頂資產附件，同時配合約65萬棵樹木，以及各種的地景貼圖、山川、河流、道路立交橋等，形成了整個城市的資產格局。

面對如此大規模的資產，PCG程序化生成技術成為了在效率和效果上達到較好平衡的一種方式，通過輸入數據生成相應資產，開發團隊僅需大概0.5 – 1天時間，就能完成上述所有資產重建。

在城市資產生成的流程上，所輸入的高程數據還原地形地貌；地標性的Hero建筑則通過手工制作增強城市的真實感；最重要的SHP數據則包括建筑信息、道路信息、水體信息等，作為還原整個城市的主要依據。

通過對SHP數據的解析，PCG技術可依照對應信息，程序化生成建筑群、道路及周圍植被、河流湖泊等城市內場景，最終把所有這些生成的數據整合到一起，就能完成了整個城市資產的重建。

值得一提的是，因為南航視景系統中主要為飛行視角以俯視的角度來觀看城市，因此，樓頂資產的擺放顯得尤為重要，對此，開發團隊預制了幾十種不同的屋頂資產，并通過對這些預置模型的隨機分布來表現出不同建筑的不同屋頂，使俯視視角下的場景更加真實。

此外，在根據繪制區域隨機生成PCG建筑群時，開發團隊也通過參考城市地圖數據，提煉出5種布局模式，憑借5種不同類型的建筑群分布，再配合單體建筑的多樣性方案，促成了較好的還原效果。

定制機場環境生成規則，實現高效精細化重建

另一方面，為了讓視景系統能夠盡可能有效的輔助飛行員進行模擬訓練，最大程度上真實準確的還原真實機場情況顯得尤為重要，但要做到對機場的精細化重建，就對資產制作的效果提出了很高要求。

根據規則來生成場景的PCG技術雖然提高了數字資產的制作效率，可真正機場在建設的時候，卻又并不會完完全全遵照特定的規則來搭建，在利用PCG技術的基礎上想要做到真實準確的還原，成為了南航視景系統制作團隊面臨的一大挑戰。

對此，制作團隊根據對多個機場衛星圖進行分析并總結規律，自研了一套PCG的流程工具，基本覆蓋了當今主流機場環境的生成規則，包括大型機場的多條跑道布局情況，滑行道、聯絡道、停機坪、地面標線標志及3D標識等資產相互關聯關系等，提高資產生成的準確度，也從另一方面縮減了資產的調整及修改時間，提升效率。

原本手動的方式來制作一個大型復雜的機場可能要1-2個月時間，在熟練使用自研PCG工具的情況下，只需要3天即可完成資產的重建，快速實現效果迭代。

這個就是我們大概的流程圖，通過輸入相應的數據，配合參數和手工調整，就能快速生成對應的資產。

結合上面的流程圖，即可以深圳寶安機場為例，來看看是如何通過使用我們自研的PCG工具，快速重建整個深圳機場資產。

深圳機場資產包括有：兩條飛機跑道、滑行道、停機坪、各類標線標識等。

跑道，滑行道，停機坪重建：

想要精確還原重建整個資產，首先需要一個比例正確的參考圖，這里開發團隊開發了背景圖生成工具，根據經緯度信息，將準備好的geotiff圖片還原成正確的比例，并將其設置為參考底圖。使得接下來重建的所有資產，都可以以這個參考圖尺寸比例為標準來生成，保證資產準確性和一致性。

首先，對照參考圖，將兩條跑道的曲線繪制出來，或者也可以輸入跑道兩端的經緯度信息生成曲線，跑道資產主要包括主體跑道、延長跑道、吹坪、掉頭坪、中線、邊線、跑道號、各類輔助標識、以及燈光系統等。雖然元素很多，但基本都是按照特定的規則來建造的，因此跑道的生成會相對來說簡單一些，將曲線數據輸入工具并配合參數調整，就可以快速完成深圳寶安機場兩條跑道的重建。

接下來，將停機坪的區域對照參考底圖繪制出來，

再通過開發團隊開發的滑行道生成工具，將停機坪和跑道進行連接，這里的生成規則會復雜一些，為了能夠和參考底圖完美匹配，需要大量的手動編輯操作，因此，這里在工具的設計上，提供了一套非常方便交互編輯模式，再配合工具中的生成算法，就可以完美的還原真實的機場情況了。

標線標識生成：

在機場設計和建造中，標線和指示標識是非常重要的資產，它們可以幫助飛行員和地面人員準確地識別機場的各種設施和區域，確保機場運營的安全和高效。

然而，整個機場范圍內有大量的標線及指示標識等資產，標線之間相互交錯，結構復雜，再加上標識種類、數量繁多，因此，想要即快速又精確地還原是一個比較大的挑戰，

對于標線的生成，開發團隊通過繪制簡單的曲線輸入，根據曲線相交的類型，比如十字、T字相交等，自動生成相交部分結構，并根據參考底圖進行交互編輯，快速對齊。

對于標識的生成，開發團隊根據標識的類型，預制了20多種常見的標識，這些標識都是根據國際標準和機場設計規范進行設計和制作的，并根據他們的分布規律，進行了分類，配合標識的分布工具，就可以快速地將對應的標識分布到想要的位置。

機場范圍內還存在大量的滑行道指示牌，用來指示飛機在地面上滑行時的方向和路線。它們通常包括箭頭、數字、字母和符號，以幫助飛行員正確地導航飛機。它們對于確保飛機在地面上安全地移動非常重要。

使用上面的這張貼圖，每個字符我們都設置一個對應的代碼，通過uv偏移等處理，只需要輸入不同的代碼組合，就能拼出相應的指示牌資產，最后，再將他們擺放到正確的位置。

為了引導機場內車輛安全行駛，會建設大量的車輛引導線，通常用于機場內的主要道路，如連接航站樓和停機位的道路、連接不同航站樓的道路等。一般以兩車道和四車道為主，用來幫助駕駛員遵循正確的路線，確保車輛在機場內安全地行駛。

slope生成與資產處理：

上面重建的所有資產，都是基于高度為0的平面重建的，除此之外，還需要根據機場所處的地理位置，將這些資產適配到地形上，這里存在的問題是地形是根據高程數據來重建的，高程數據因為精度等原因并不是完全準確的，對于像城市等區域，地形高度有些偏差是可以接受的，但對于機場區域，則需要絕對準確。

因此，這里通過手動編輯的方式來精確地生成一個slope平面，用來適配資產，同時將地形的高度也和slope平面進行匹配，通過這樣的處理，就把上面重建的所有資產放到了正確的海拔高度上。

而關于slope平面的生成，首先，開發團隊設置了一些關鍵點，這些點位于機場資產的邊緣或者重要位置，例如跑道、滑行道、停機位等位置，并根據真實的海拔，手動為每個點設置高度值，然后根據這些點的位置和高度，通過工具自動連接生成一個slope平面，再根據生成的slope平面的布線，將資產切分并映射到slope平面上。

FBX資產導出:

最后，開發團隊將生成的全部資產進行導出，根據預先定義的資產生成規范，主要分為燈光、2D、3D幾個部分進行導出，隨后在每個HDA內部，對生成的資產都設置好標簽進行分類，每個類別下再根據材質、優先級等屬性將其拆分為多個FBX node，方便在引擎中對燈光及材質等進一步的控制和調整，同時也能更好地進行資產管理。

至此，深圳寶安機場就已經重建完畢，當然，這里做的是一套通用的資產生成工具，對于其他城市的機場資產，用戶只需要更換輸入數據，就能快速實現重建了。

以下為南航項目開發團隊使用PCG工具實現的其他城市機場的一些效果圖：

相比原本手動方式來制作一個大型復雜機場場景，可能要1-2個月的制作耗時，在熟練使用PCG工具的情況下，南航視景系統制作團隊只需要3天即可完成資產的重建，并且符合真實機場的建設規則快速迭代效果，在效率和效果上達到一個很好的平衡。

結語

騰訊游戲與南航翔翼聯手打造全動飛行模擬機視景系統，為民航飛行員訓練提供了更真實、更靈活、更安全高效的訓練場景，同時也能節省約50%的生產成本，進一步提升培訓效率和品質。

而在游戲科技的助力下，借助PCG技術也將資產制作速度及質量大幅提升，讓所有可以抽象出規則的場景或物品，都能做成工具快速生成數字資產，打造制作數字資產的“自動化流水線”，面對未來元宇宙等場景構建時，也帶來了更多技術覆蓋的可能性。

— 完 —