與火神博弈：高階野火模擬與混合實境 (MR) 消防訓練技術探討

隨著全球氣候變遷，超大規模野火（Megafires）的發生頻率與強度逐年攀升，對於空中消防單位而言，駕駛滅火飛機或直升機在濃煙密布、亂流肆虐的火場上空執行任務，被公認為世界上最危險的飛行任務之一；如何在不危及機組人員生命的前提下，重現「能見度零」、「高溫氣流擾動」以及「多光譜熱點偵測」的極端環境？這考驗著模擬技術中兩個最困難的領域：複雜粒子系統的即時運算與混合實境（Mixed Reality, MR）的座艙整合，本文將深入解構現代災害模擬系統的技術核心，探討工程師如何將物理數學模型轉化為保命的訓練場景。

Quantum3D 混合實境（MR）消防模擬系統，提供 360° 高擬真火災模擬、熱點偵測、煙霧穿透視覺及航空器滅火訓練，支援 VR/MR/AR 技術，提高滅火應變能力

為什麼我們需要數位化的「地獄」？

傳統的飛行訓練可以模擬機械故障或惡劣天氣，但「野火」是一個具有生物特性的動態敵人，它會隨風向改變蔓延路徑，會因植被乾燥程度改變燃燒速度，產生的濃煙會瞬間遮蔽視線；實機訓練成本極高且風險巨大，且無法模擬向火源投擲昂貴化學阻燃劑（Retardant）的物理過程。新一代的模擬技術將可解決三大痛點：

1. 視覺穿透訓練： 訓練飛行員利用紅外線感測器「看穿」濃煙。
2. 物理投擲手感： 模擬數噸重的水或阻燃劑瞬間釋放後，飛機重心的劇烈變化。
3. 情境感知（SA）： 讓飛行員在虛擬與現實結合的座艙中，與地面指揮官協同作戰。

新一代森林滅火模擬技術核心解析
 

混合實境消防模擬系統 - MR Firefighting 提供 360° 高擬真火災模擬、熱點偵測、煙霧穿透視覺及航空器滅火訓練，支援 VR/MR/AR 技術，提高滅火應變能力。

核心原理深入解析：從粒子特效到熱流體力學

要打造一個逼真的虛擬火場，不能只靠動畫貼圖，必須依賴物理引擎的即時運算：

體積雲與粒子渲染技術 (Volumetric & Particle Rendering)

火災現場的標誌是濃煙。高階模擬器利用體積雲技術（Volumetric Clouds）來產生具備「厚度」與「密度」的煙霧，而非扁平的圖像。

• 動態遮蔽： 煙霧必須能真實地遮蔽陽光與視線。
• 多層次細節： 系統需同時運算底層的烈焰粒子、中層的濃煙與高層的擴散霧氣。這需要強大的 GPU 平行運算能力來處理數百萬個微小粒子的生滅與流動。

多光譜感測器物理 (Multispectral Sensor Physics)

現代空中消防極度依賴前視紅外線（FLIR）系統。模擬器必須具備ViXsen這類的感測器渲染引擎，它不只是改變畫面顏色，而是計算材質的熱輻射。

• 熱點偵測（Hot Spot Detection）： 即使在濃煙覆蓋下，感測器視角（Sensor View）必須能呈現出火源中心的高溫熱點。
• 穿透力模擬： 模擬不同波長的紅外線對煙霧的穿透能力，訓練飛行員分辨「煙」與「火」。

熱點偵測技術，利用先進的 FLIR（Forward Looking Infrared）感測器

空氣動力學與投擲物理 (Aerodynamics & Drop Physics)

當滅火飛機投下數千加侖的水或泡沫時，飛機重量瞬間減輕，會產生劇烈的升力突波，模擬器必須即時計算這種重量與平衡（Weight and Balance）的劇烈變化，以及水/阻燃劑在空中受風力影響的飄散軌跡。

關鍵技術細節：混合實境 (MR) 的突破

傳統模擬器使用巨大的圓頂投影幕，佔地廣大且昂貴，混合實境（Mixed Reality, MR）技術的導入徹底改變了這一點。

真實座艙與虛擬世界的融合

與全虛擬的 VR 不同，MR 允許飛行員透過頭戴裝置上的攝影機或透視技術，看到真實的手部動作與實體儀表板。

• 技術優勢：
  飛行員可以操作真實的旋鈕、油門與操縱桿，同時在窗外看到虛擬的火場。這對於需要頻繁操作儀表的滅火任務至關重要。
• 低延遲要求：
  為了避免暈眩，系統必須維持 90fps 的高幀率，並將動作到光子（Motion-to-Photon）的延遲降至最低。

獨立眼球渲染 (Stereoscopic Rendering)

高階 MR 系統（如 Quantum3D 的方案）支援雙 GPU 架構，為左眼與右眼分別進行獨立渲染，確保 3D 景深的精確性，這對於判斷投水高度與距離至關重要。

技術挑戰與解決方案

應用場景與未來潛力

固定翼與旋翼機滅火訓練

適用於各類機種（如 C-130 改裝機、S-70i 直升機），學員可練習在狹窄山谷中的低空飛行技巧，以及如何修正側風對投水的影響。

災害應變中心協同演習

模擬器可透過網路連線，讓空中的飛行員與地面的前進指揮官（使用平板或另一個模擬器）處於同一個虛擬火場中，演練空地通訊與導引投水。

夜間滅火行動

隨著夜視鏡（NVG）技術進步，夜間滅火成為可能。模擬器能精確呈現 NVG 下的火光暈（Halo）效應與微光環境，進行高風險的夜間任務預演。

Q3D 解決方案介紹

災害模擬技術的價值，在於它能以數位形式儲存經驗，透過高擬真的視覺與物理模擬，新進飛行員得以在虛擬的烈焰中累積數百小時的「實戰」經驗，而無需承擔真實世界的致命風險，隨著混合實境（MR）技術的成熟與運算成本的降低，這種軍規級的訓練系統正逐漸普及至各國民防與消防單位，成為守護森林與生命的數位防線；針對空中消防與災害應變的高階訓練需求，Quantum3D 提供了領先業界的整合方案：

混合實境消防模擬系統

這是一款整合式（Turnkey）解決方案，結合了高解析度 MR 頭盔與 Independence® IDX 影像產生電腦，它免除了昂貴的圓頂投影系統，讓學員能在真實座艙中看到 360 度的虛擬火場與煙霧，並支援 90fps 的高流暢度體驗。

Quantum3D Independence IDX 90，精巧高效能視覺運算系統，適用於飛行、軍事、汽車、VR 模擬，支援 4-8 顯示通道，整合 MANTIS 軟體與全球地形資料庫。

Quantum3D 混合實境（MR）消防模擬系統，提供 360° 高擬真火災模擬、熱點偵測、煙霧穿透視覺及航空器滅火訓練，支援 VR/MR/AR 技術，提高滅火應變能力。

MANTIS 即時場景視覺模擬顯示引擎 (with Wildfire Plug-in)

作為核心軟體引擎，MANTIS 透過專用的 Wildfire Plug-in 提供物理級的火勢蔓延模擬，它能與 ViXsen 感測器模組結合，產生精確的 FLIR 熱顯像畫面，讓飛行員練習透過煙霧尋找熱點。

MANTIS 為 Quantum3D 研發的即時影像產生軟體，支援 CDB、感測器模擬、環境特效、飛行與車輛模擬等應用，提供高擬真 3D 圖形，適用於訓練與模擬市場。

Facets 即時高擬真3D 模型庫

提供完整的 3D 模型庫，包含各類滅火飛機、直升機（如 S-70, CH-47）及地面消防車輛，支援紅外線特徵模擬，確保聯合演習的真實性； Facets 即時 3D 模型庫，內含 900+ 獨特模型，涵蓋 51 種類別，支援多種細節層級（LOD）與業界標準格式。適用於視覺/模擬應用，兼顧擬真效果與即時效能。

Quantum3D Facets 即時 3D 模型庫可根據任何即時系統進行優化，確保高效能與低延遲渲染，適用於多種視覺模擬與影像產生應用，模型類別涵蓋 空中、地面、海上、太空、飛彈與其他武器，支援多層級細節（LOD）、感測器模擬、受損狀態與即時動畫，可靈活整合至各類訓練與模擬環境，提供卓越的擬真體驗