擺脫「孤島式」硬體束縛：飛行模擬器的開放架構與現代化工程

在航空訓練產業中，存在著一個價值數十億美元的難題：許多於 90 年代或 2000 年代初期投入使用的全光飛行模擬器（Full Flight Simulator, FFS），其機械運動平台（Motion Platform）與駕駛艙儀表仍然運作良好，但負責產生視覺畫面的「影像產生系統（Image Generator, IG）」卻已嚴重過時。

這些被稱為「鐵塊（Big Iron）」的舊式模擬器，往往依賴專用且封閉的硬體架構（如早期的 SGI 或專用光柵化硬體），一旦繪圖晶片停產，維護成本便會呈指數級上升，如何將現代 GPU 的強大算力「移植」到這些舊有的主機系統上，並實現軟體定義的視覺渲染，是目前模擬工程領域最關鍵的技術挑戰——這就是模擬器現代化（Simulator Modernization）的核心命題。
 

模擬器現代化架構轉型：本圖展示了 Quantum3D 模擬器現代化計畫 (Simulator Modernization Program) 的核心概念——即在保留高價值的機械資產同時，針對視覺系統進行「算力移植」。

Quantum3D 雷澤空中救護模擬

為什麼模擬器需要「換心」而非「整機汰換」？

飛行模擬器的核心由三大塊組成：

1. 主機（Host）： 負責飛行氣動力學模型（Flight Model）與邏輯運算。
2. 運動與儀表系統： 提供體感與操作介面。
3. 影像產生系統（IG）： 負責窗外視野（Out-the-Window, OTW）與感測器畫面的渲染。

在摩爾定律的推動下，IG 的技術迭代速度遠快於機械結構，當視覺系統解析度不足、無法支援夜視鏡（NVG）訓練，或單純因為零件斷料而無法運作時，整機報廢顯然不符合經濟效益；透過異質系統整合（Heterogeneous System Integration），僅更換 IG 子系統，能以不到新機 1/10 的成本，讓模擬器達到最新的 FAA/EASA Level D 認證標準。

核心原理深入解析：從 CIGI 到並行運算

要將一台 2024 年的超級電腦連接到 1990 年代的飛行電腦上，需要解決通訊協定與同步邏輯的根本差異。

介面標準化：CIGI 的關鍵角色

舊式系統多採用廠商自定義的 API，現代化改造的第一步，通常是導入通用影像產生介面（CIGI, Common Image Generator Interface），CIGI（目前主流為 3.x 或 4.0 版本）是一種標準化的通訊協定，它將「主機」與「IG」解耦，主機只需發送「位置向量」、「天氣狀態」或「特效觸發」等封包，IG 則負責所有的圖形運算，這使得未來的硬體升級不再受限於特定供應商。

CIGI 標準化協定：本圖解闡述了現代化模擬器如何透過 CIGI (Common Image Generator Interface) 協定解決舊式系統硬體綁定的問題。

多通道同步與 Genlock 技術

高階模擬器通常擁有多個視窗通道（Channels），涵蓋 180 度甚至 360 度的視野，新一代的 PC 架構 IG 必須利用 Genlock（Generator Lock）技術，強制所有 GPU 的訊號掃描線與外部同步訊號源（Sync Source）對齊，若缺乏此技術，高速轉向時不同螢幕間會出現畫面撕裂（Tearing）或不同步，導致飛行員產生空間迷向。

多通道同步技術：Genlock 原理與畫面撕裂防制 (上方：地平線斷裂或畫面撕裂)

多執行緒任務處理 (Multithread Mission Processing)

現代 IG 軟體不再只是繪圖引擎，它還需分擔部分運算任務，透過多執行緒任務功能處理（MFP），系統利用多核心 CPU 處理視線檢測（Line-of-Sight, LOS）、地形高度查詢（Height-Above-Terrain, HAT）以及碰撞偵測，這些計算在背景執行，不佔用渲染迴圈的時間，確保畫面幀率（FPS）的絕對穩定，這對於軍事級訓練至關重要。

多執行緒任務功能處理 (MFP) 架構：確保軍事級幀率穩定

關鍵技術細節：軟體定義的視覺效果

隨著硬體轉向商用現貨（COTS）的 PC 與 NVIDIA 顯卡，競爭的焦點轉移到了「軟體架構」與「著色器（Shader）」的編寫上。

插件式架構 (Plug-in Architecture)

為了適應不同機種（定翼機 vs. 直升機）的需求，現代 IG 軟體採用模組化設計。

• 旋翼氣流（Rotorwash）：
  透過插件，系統能即時計算直升機旋翼下洗氣流對水面或沙地的物理影響，產生動態粒子效果，而非預先錄製的動畫。
• 感測器模擬：
  透過外掛模組，IG 可以將原本的可見光畫面即時轉譯為紅外線（IR）或夜視鏡（NVG）畫面，模擬光暈（Halo）、雜訊（Noise）與增益（Gain）控制。

Quantum3D 即時直升機模擬 - 猶他州

資料庫的相容性與串流

舊系統往往擁有昂貴且專有的地形資料庫，現代化方案必須具備「向下相容」與「即時串流」的能力。

• 多格式支援：
  優秀的 IG 軟體能原生讀取 OpenFlight、CTDB 等傳統格式，同時支援最新的 CDB (Common Database) 開放標準。
• 動態載入：
  利用高頻寬記憶體，系統可直接從硬碟串流載入全球地形，無需像舊系統那樣進行漫長的預先編譯（Compilation）。

GeoScapeSE WWDB 全球資料庫 — 業界首創無縫銜接全球資料庫

技術比較：傳統封閉式 IG vs. 現代開放式 IG

實作挑戰與研究突破

延遲（Latency）的控制

挑戰： 從主機發出指令到螢幕畫素改變的「傳輸延遲（Transport Delay）」必須低於特定毫秒數（通常 <100ms），否則會造成飛行員誘導震盪（PIO）。
突破： 現代架構透過優化的 UDP 封包傳輸與 GPU 直接記憶體存取（Direct Memory Access），大幅縮短了管線延遲。同時，軟體支援預測演算法（Extrapolation），在封包遺失時平滑補間。

光學校正與邊緣融合

挑戰： 當更換更高解析度的投影機時，原本曲面螢幕的幾何校正參數會失效。
突破： 整合自動化校正插件（如 Scalable Display 或 domeprojection.com），利用攝像頭自動分析螢幕曲率與重疊區域，即時產生變形遮罩（Warp & Blend Mask），將校正時間從數天縮短至數分鐘。

應用場景與未來展望

• F-16/F-35 任務訓練器升級：
  透過換裝 COTS IG，讓舊型模擬器具備最新的感測器模擬與高解析度地景，延長服役壽命。
• 民用航空 Level D 認證：
  透過物理級的天氣渲染（如體積雲、霧氣分層），滿足嚴苛的民航法規要求。
• 無人機與 eVTOL 模擬：
  利用開放架構快速整合新型態飛行器的氣動模型與視覺特徵。

未來，隨著 Unreal Engine 等遊戲引擎技術與專業模擬軟體的融合，以及 AI 產生內容（AIGC） 在地形製作上的應用，模擬器現代化的門檻將進一步降低，真實度則將無限逼近現實。

Q3D 解決方案介紹

針對模擬系統的現代化與升級需求，Quantum3D 提供了經過實戰驗證的完整產品線：

Independence® IDX 8000/9000 系列

採用 COTS 架構的旗艦級影像產生器，搭載 NVIDIA 高階繪圖卡，支援 CIGI 3.x/4.0 標準，並具備 Genlock 同步功能，是取代舊式「鐵塊」硬體的理想選擇。

Independence IDX 8000 提供極致擬真與卓越效能，適用於軍事模擬、飛行訓練及虛擬實境；支援 NVIDIA Quadro GPU，全球資料庫（WWDB），並相容 FAA Level D 模擬標準。

MANTIS® 即時場景視覺模擬顯示引擎

這是 Quantum3D 的核心軟體引擎，它原生支援 OpenFlight 與 CDB 格式，無需轉檔即可直接使用現有資料庫，其強大的插件架構（Plugin Architecture）支援紅外線感測器（ViXsen）、人群模擬（Di-Guy）及旋翼氣流特效，確保訓練的物理真實性。

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。


Quantum3D MANTIS 直升機影片展示