用游戲技術(shù)快速生成，如今“建設(shè)”一座機(jī)場只需三天時(shí)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(huì)暨“南航-騰訊”航空安全與仿真研究實(shí)驗(yàn)室成立掛牌儀式在南航翔翼公司舉辦。本次大會(huì)發(fā)布了基于騰訊自研游戲引擎技術(shù)和南航虛像顯示技術(shù)共同打造的全新一代視景系統(tǒng)，該成果實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)自研視景系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)突破，完成飛行模擬機(jī)視景系統(tǒng)的代際升級(jí)，為超過8萬民航飛行員提供更高效、更安全的飛行訓(xùn)練。

作為民航飛行員訓(xùn)練的主要設(shè)備，全動(dòng)飛行模擬機(jī)以及其所搭載的視景系統(tǒng)能夠模擬飛行時(shí)所見景象，是影響飛行訓(xùn)練成效的最關(guān)鍵部分之一。而此次新發(fā)布的視景系統(tǒng)用騰訊自研游戲引擎技術(shù)，為民航飛行員提供1:1的真飛機(jī)模擬仿真駕駛體驗(yàn)和第一視角的世界場景圖像渲染，首次將游戲開發(fā)領(lǐng)域積累的資產(chǎn)制作流程和PCG技術(shù)用于航空領(lǐng)域的數(shù)據(jù)資產(chǎn)生成，為游戲科技“跨界”邁出重要一步。

創(chuàng)造大世界，離不開制作高效率

游戲產(chǎn)業(yè)發(fā)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(huán)境中構(gòu)建開放且場景復(fù)雜多樣的大世界，如何提升樓宇、樹木、道路等同類型數(shù)字資產(chǎn)的制作效率，影響著整個(gè)游戲項(xiàng)目的開發(fā)進(jìn)度，而提升開放世界的資產(chǎn)制作效率，往往離不開內(nèi)容生成技術(shù)。

事實(shí)上，PCG內(nèi)容生成技術(shù)在游戲行業(yè)已經(jīng)有5年以上的廣泛應(yīng)用，游戲開發(fā)者通過輸入需求，并利用工具運(yùn)算生成輸出數(shù)字資產(chǎn)，虛擬世界中的城市等場景就能自動(dòng)復(fù)現(xiàn)，并按照規(guī)則分布出來。

在此次的南航視景系統(tǒng)中，民航飛行員第一視角下的世界場景圖像都經(jīng)過真實(shí)模擬，包括機(jī)場、城市等大量場景需要構(gòu)建，而有了PCG技術(shù)的加持，機(jī)場跑道的滑行道、聯(lián)絡(luò)道、標(biāo)志、標(biāo)線等元素，都可以程序化生成，制作做城市時(shí)，也只用提前預(yù)定規(guī)則選定范圍，就能快速生成擴(kuò)大，告別傳統(tǒng)方式對(duì)場景細(xì)節(jié)逐個(gè)建模、手動(dòng)畫圖的緩慢操作，做到快速迭代。

上千平方公里城市資產(chǎn)重建，一天之內(nèi)完成

為了讓南航視景系統(tǒng)中，飛行員視野內(nèi)的景觀場景更加接近真實(shí)，開發(fā)團(tuán)隊(duì)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(chǎn)附件，同時(shí)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(gè)城市的資產(chǎn)格局。

面對(duì)如此大規(guī)模的資產(chǎn)，PCG程序化生成技術(shù)成為了在效率和效果上達(dá)到較好平衡的一種方式，通過輸入數(shù)據(jù)生成相應(yīng)資產(chǎn)，開發(fā)團(tuán)隊(duì)僅需大概0.5 – 1天時(shí)間，就能完成上述所有資產(chǎn)重建。

在城市資產(chǎn)生成的流程上，所輸入的高程數(shù)據(jù)還原地形地貌；地標(biāo)性的Hero建筑則通過手工制作增強(qiáng)城市的真實(shí)感；最重要的SHP數(shù)據(jù)則包括建筑信息、道路信息、水體信息等，作為還原整個(gè)城市的主要依據(jù)。

通過對(duì)SHP數(shù)據(jù)的解析，PCG技術(shù)可依照對(duì)應(yīng)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(nèi)場景，最終把所有這些生成的數(shù)據(jù)整合到一起，就能完成了整個(gè)城市資產(chǎn)的重建。

值得一提的是，因?yàn)槟虾揭暰跋到y(tǒng)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(chǎn)的擺放顯得尤為重要，對(duì)此，開發(fā)團(tuán)隊(duì)預(yù)制了幾十種不同的屋頂資產(chǎn)，并通過對(duì)這些預(yù)置模型的隨機(jī)分布來表現(xiàn)出不同建筑的不同屋頂，使俯視視角下的場景更加真實(shí)。

此外，在根據(jù)繪制區(qū)域隨機(jī)生成PCG建筑群時(shí)，開發(fā)團(tuán)隊(duì)也通過參考城市地圖數(shù)據(jù)，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(jī)場環(huán)境生成規(guī)則，實(shí)現(xiàn)高效精細(xì)化重建

另一方面，為了讓視景系統(tǒng)能夠盡可能有效的輔助飛行員進(jìn)行模擬訓(xùn)練，最大程度上真實(shí)準(zhǔn)確的還原真實(shí)機(jī)場情況顯得尤為重要，但要做到對(duì)機(jī)場的精細(xì)化重建，就對(duì)資產(chǎn)制作的效果提出了很高要求。

根據(jù)規(guī)則來生成場景的PCG技術(shù)雖然提高了數(shù)字資產(chǎn)的制作效率，可真正機(jī)場在建設(shè)的時(shí)候，卻又并不會(huì)完完全全遵照特定的規(guī)則來搭建，在利用PCG技術(shù)的基礎(chǔ)上想要做到真實(shí)準(zhǔn)確的還原，成為了南航視景系統(tǒng)制作團(tuán)隊(duì)面臨的一大挑戰(zhàn)。

對(duì)此，制作團(tuán)隊(duì)根據(jù)對(duì)多個(gè)機(jī)場衛(wèi)星圖進(jìn)行分析并總結(jié)規(guī)律，自研了一套PCG的流程工具，基本覆蓋了當(dāng)今主流機(jī)場環(huán)境的生成規(guī)則，包括大型機(jī)場的多條跑道布局情況，滑行道、聯(lián)絡(luò)道、停機(jī)坪、地面標(biāo)線標(biāo)志及3D標(biāo)識(shí)等資產(chǎn)相互關(guān)聯(lián)關(guān)系等，提高資產(chǎn)生成的準(zhǔn)確度，也從另一方面縮減了資產(chǎn)的調(diào)整及修改時(shí)間，提升效率。

原本手動(dòng)的方式來制作一個(gè)大型復(fù)雜的機(jī)場可能要1-2個(gè)月時(shí)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(chǎn)的重建，快速實(shí)現(xiàn)效果迭代。

這個(gè)就是我們大概的流程圖，通過輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，配合參數(shù)和手工調(diào)整，就能快速生成對(duì)應(yīng)的資產(chǎn)。

結(jié)合上面的流程圖，即可以深圳寶安機(jī)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(gè)深圳機(jī)場資產(chǎn)。

深圳機(jī)場資產(chǎn)包括有：兩條飛機(jī)跑道、滑行道、停機(jī)坪、各類標(biāo)線標(biāo)識(shí)等。

跑道，滑行道，停機(jī)坪重建：

想要精確還原重建整個(gè)資產(chǎn)，首先需要一個(gè)比例正確的參考圖，這里開發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了背景圖生成工具，根據(jù)經(jīng)緯度信息，將準(zhǔn)備好的geotiff圖片還原成正確的比例，并將其設(shè)置為參考底圖。使得接下來重建的所有資產(chǎn)，都可以以這個(gè)參考圖尺寸比例為標(biāo)準(zhǔn)來生成，保證資產(chǎn)準(zhǔn)確性和一致性。

首先，對(duì)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(jīng)緯度信息生成曲線，跑道資產(chǎn)主要包括主體跑道、延長跑道、吹坪、掉頭坪、中線、邊線、跑道號(hào)、各類輔助標(biāo)識(shí)、以及燈光系統(tǒng)等。雖然元素很多，但基本都是按照特定的規(guī)則來建造的，因此跑道的生成會(huì)相對(duì)來說簡單一些，將曲線數(shù)據(jù)輸入工具并配合參數(shù)調(diào)整，就可以快速完成深圳寶安機(jī)場兩條跑道的重建。

接下來，將停機(jī)坪的區(qū)域?qū)φ諈⒖嫉讏D繪制出來，

再通過開發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的滑行道生成工具，將停機(jī)坪和跑道進(jìn)行連接，這里的生成規(guī)則會(huì)復(fù)雜一些，為了能夠和參考底圖完美匹配，需要大量的手動(dòng)編輯操作，因此，這里在工具的設(shè)計(jì)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(shí)的機(jī)場情況了。

標(biāo)線標(biāo)識(shí)生成：

在機(jī)場設(shè)計(jì)和建造中，標(biāo)線和指示標(biāo)識(shí)是非常重要的資產(chǎn)，它們可以幫助飛行員和地面人員準(zhǔn)確地識(shí)別機(jī)場的各種設(shè)施和區(qū)域，確保機(jī)場運(yùn)營的安全和高效。

然而，整個(gè)機(jī)場范圍內(nèi)有大量的標(biāo)線及指示標(biāo)識(shí)等資產(chǎn)，標(biāo)線之間相互交錯(cuò)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，再加上標(biāo)識(shí)種類、數(shù)量繁多，因此，想要即快速又精確地還原是一個(gè)比較大的挑戰(zhàn)，

對(duì)于標(biāo)線的生成，開發(fā)團(tuán)隊(duì)通過繪制簡單的曲線輸入，根據(jù)曲線相交的類型，比如十字、T字相交等，自動(dòng)生成相交部分結(jié)構(gòu)，并根據(jù)參考底圖進(jìn)行交互編輯，快速對(duì)齊。

對(duì)于標(biāo)識(shí)的生成，開發(fā)團(tuán)隊(duì)根據(jù)標(biāo)識(shí)的類型，預(yù)制了20多種常見的標(biāo)識(shí)，這些標(biāo)識(shí)都是根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)場設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作的，并根據(jù)他們的分布規(guī)律，進(jìn)行了分類，配合標(biāo)識(shí)的分布工具，就可以快速地將對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)分布到想要的位置。

機(jī)場范圍內(nèi)還存在大量的滑行道指示牌，用來指示飛機(jī)在地面上滑行時(shí)的方向和路線。它們通常包括箭頭、數(shù)字、字母和符號(hào)，以幫助飛行員正確地導(dǎo)航飛機(jī)。它們對(duì)于確保飛機(jī)在地面上安全地移動(dòng)非常重要。

使用上面的這張貼圖，每個(gè)字符我們都設(shè)置一個(gè)對(duì)應(yīng)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(yīng)的指示牌資產(chǎn)，最后，再將他們擺放到正確的位置。

為了引導(dǎo)機(jī)場內(nèi)車輛安全行駛，會(huì)建設(shè)大量的車輛引導(dǎo)線，通常用于機(jī)場內(nèi)的主要道路，如連接航站樓和停機(jī)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(jī)場內(nèi)安全地行駛。

slope生成與資產(chǎn)處理：

上面重建的所有資產(chǎn)，都是基于高度為0的平面重建的，除此之外，還需要根據(jù)機(jī)場所處的地理位置，將這些資產(chǎn)適配到地形上，這里存在的問題是地形是根據(jù)高程數(shù)據(jù)來重建的，高程數(shù)據(jù)因?yàn)榫鹊仍虿⒉皇峭耆珳?zhǔn)確的，對(duì)于像城市等區(qū)域，地形高度有些偏差是可以接受的，但對(duì)于機(jī)場區(qū)域，則需要絕對(duì)準(zhǔn)確。

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

而關(guān)于slope平面的生成，首先，開發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)置了一些關(guān)鍵點(diǎn)，這些點(diǎn)位于機(jī)場資產(chǎn)的邊緣或者重要位置，例如跑道、滑行道、停機(jī)位等位置，并根據(jù)真實(shí)的海拔，手動(dòng)為每個(gè)點(diǎn)設(shè)置高度值，然后根據(jù)這些點(diǎn)的位置和高度，通過工具自動(dòng)連接生成一個(gè)slope平面，再根據(jù)生成的slope平面的布線，將資產(chǎn)切分并映射到slope平面上。

FBX資產(chǎn)導(dǎo)出:

最后，開發(fā)團(tuán)隊(duì)將生成的全部資產(chǎn)進(jìn)行導(dǎo)出，根據(jù)預(yù)先定義的資產(chǎn)生成規(guī)范，主要分為燈光、2D、3D幾個(gè)部分進(jìn)行導(dǎo)出，隨后在每個(gè)HDA內(nèi)部，對(duì)生成的資產(chǎn)都設(shè)置好標(biāo)簽進(jìn)行分類，每個(gè)類別下再根據(jù)材質(zhì)、優(yōu)先級(jí)等屬性將其拆分為多個(gè)FBX node，方便在引擎中對(duì)燈光及材質(zhì)等進(jìn)一步的控制和調(diào)整，同時(shí)也能更好地進(jìn)行資產(chǎn)管理。

至此，深圳寶安機(jī)場就已經(jīng)重建完畢，當(dāng)然，這里做的是一套通用的資產(chǎn)生成工具，對(duì)于其他城市的機(jī)場資產(chǎn)，用戶只需要更換輸入數(shù)據(jù)，就能快速實(shí)現(xiàn)重建了。

以下為南航項(xiàng)目開發(fā)團(tuán)隊(duì)使用PCG工具實(shí)現(xiàn)的其他城市機(jī)場的一些效果圖：

相比原本手動(dòng)方式來制作一個(gè)大型復(fù)雜機(jī)場場景，可能要1-2個(gè)月的制作耗時(shí)，在熟練使用PCG工具的情況下，南航視景系統(tǒng)制作團(tuán)隊(duì)只需要3天即可完成資產(chǎn)的重建，并且符合真實(shí)機(jī)場的建設(shè)規(guī)則快速迭代效果，在效率和效果上達(dá)到一個(gè)很好的平衡。

結(jié)語

騰訊游戲與南航翔翼聯(lián)手打造全動(dòng)飛行模擬機(jī)視景系統(tǒng)，為民航飛行員訓(xùn)練提供了更真實(shí)、更靈活、更安全高效的訓(xùn)練場景，同時(shí)也能節(jié)省約50%的生產(chǎn)成本，進(jìn)一步提升培訓(xùn)效率和品質(zhì)。

而在游戲科技的助力下，借助PCG技術(shù)也將資產(chǎn)制作速度及質(zhì)量大幅提升，讓所有可以抽象出規(guī)則的場景或物品，都能做成工具快速生成數(shù)字資產(chǎn)，打造制作數(shù)字資產(chǎn)的“自動(dòng)化流水線”，面對(duì)未來元宇宙等場景構(gòu)建時(shí)，也帶來了更多技術(shù)覆蓋的可能性。

— 完 —