戰術模擬的極致進化：混合實境 (MR) 與即時影像產生 (IG) 技術

在現代國防與航空訓練領域，如何以最低的成本換取最高擬真度的訓練效果，一直是產業追求的聖杯，從傳統巨大的圓頂投影系統到如今輕便的混合實境（Mixed Reality, MR）頭戴裝置，背後的驅動力來自於「影像產生（Image Generation, IG）」技術的飛躍性突破，本文將深入解構 Quantum3D 等大廠採用的核心技術，探討如何透過 COTS 硬體與先進演算法，在虛擬戰場中實現視網膜級的視覺體驗。

 

混合實境戰術模擬是什麼？為何重要？

混合實境（MR）戰術模擬是一種結合了虛擬實境（VR）的沉浸感與擴增實境（AR）的現實互動性的技術，與傳統僅能看到虛擬畫面的 VR 不同，MR 允許操作者在看見高解析度虛擬戰場的同時，也能看到真實世界中的手部動作與實體座艙儀表。

這項技術之所以至關重要，是因為它解決了傳統飛行與戰術模擬器的兩大痛點：巨大的佔地空間與高昂的維護成本，傳統的模擬器需要昂貴的圓頂投影系統（Dome Projection）來提供廣視野，而新一代的 MR 模擬器透過頭戴顯示器即可提供 360 度視角與 90fps 的高流暢度畫面，不僅大幅降低硬體成本，還能作為「一站式（Turnkey）」系統快速部署，這對於 eVTOL（電動垂直起降飛行器）、無人機（UAV）操作員以及單兵防空飛彈（如刺針飛彈）的訓練至關重要，因為它能以低成本實現「高風險、高價值」環境下的安全訓練。

核心原理深入解析：從合成環境到物理渲染

即時影像產生（Real-time Image Generation）是所有模擬器的核心大腦，其運作邏輯可以拆解為以下幾個關鍵步驟，這些步驟在 Quantum3D 的 MANTIS 軟體與 Independence IDX 硬體架構中得到了具體體現：

 

1. 地理空間資料處理（Geospatial Processing）：
   系統首先載入地形資料庫，不同於許多僅使用「典型地形（Geo-typical）」的模擬器，高階 IG 系統利用衛星影像產生「特定地理環境（Geo-specific）」的合成環境（Synthetic Environments），這表示模擬中的每一棟建築、每一條跑道都與真實世界精確對應，甚至包含全球超過 30,000 個機場的自動化模型產生。
2. 物理基礎渲染（Physically Based Rendering, PBR）：
   為了達到 FAA Level D 等級的認證標準，影像產生器必須模擬極其複雜的環境效應，這包括 3D 體積雲（Volumetric Clouds）、多層霧氣效果、閃電照明，以及海洋的波浪反射，系統需即時計算光線如何與不同材質（如水面、混凝土、沙地）互動，例如直升機旋翼產生的下洗氣流（Rotorwash）在水面和沙地上會產生完全不同的粒子特效。
3. 感測器模擬（Sensor Simulation）：
   現代戰場不僅依賴肉眼，高階 IG 必須同步產生紅外線（IR）、夜視鏡（NVG）與光電感測器的畫面，這涉及到對材質物理屬性的分類（Material Classification），確保物體在紅外線熱成像下呈現正確的熱訊號。

關鍵技術細節與規格探討

要支撐上述的運算需求，硬體架構與軟體優化缺一不可。

1. 硬體架構：COTS 與平行運算

以 Quantum3D 的 Independence IDX 系列為例，它摒棄了過去封閉式的專用硬體，轉而採用商用現貨（COTS, Commercial Off-The-Shelf）技術。

IDX 9000 提供最強大的即時圖像產生技術，具備4U 高密度計算架構，支援4 張 NVIDIA RTX GPU、Intel Xeon 可擴充處理器，並相容CIGI 4.0、OpenFlight、CDB 等標準；內建 15m 全球範圍地形資料庫，可插入高解析度影像資料，支援夜視、紅外線、電光模擬
 

• GPU 加速： 利用 NVIDIA Quadro RTX 系列（如 A6000/6000）的高算力，支援光線追蹤與 AI 運算。
• 可擴展性： 系統從桌上型塔式（IDX 80）到伺服器機櫃（IDX 9000）皆有。高階機型可串聯多個運算單元（IGU），支援超過 30 個視訊通道，滿足廣視野需求。
• 同步技術： 透過精密同步模組（Precision Sync Modules）與 Genlock 技術，確保多個顯示通道（Channel）之間畫面完全同步，避免撕裂感。

2. 軟體核心：MANTIS 與 CIGI 標準

軟體層面，MANTIS 影像產生軟體扮演關鍵角色：

MANTIS Commander 提供高效的多通道影像產生（Image Generator, IG） 解決方案，支援 NVIDIA Quadro Sync，適用於 Windows 及 Linux，可管理 64+ 通道，提升影像系統的靈活性與穩定性。
 

• 多通道原生支援： 64 位元架構，原生支援多 GPU 與多通道輸出。
• CIGI 介面： 採用通用影像產生介面（CIGI 3.x/4.0）標準，確保與主機電腦（Host）的高效通訊。
• 外掛模組化： 支援如 Di-Guy（人物動畫）、Rotorwash（旋翼氣流）等外掛，增強特定任務的擬真度。

技術比較與優劣勢分析

下表對比了新一代 MR/IG 技術與傳統模擬方案的差異：

製造或實作挑戰與研究突破

儘管技術已大幅躍進，但在實作高階戰術模擬時仍面臨挑戰：

 

1. 延遲與暈眩（Latency & Motion Sickness）

在 MR 環境中，若影像產生速度跟不上頭部轉動速度，使用者極易產生暈眩，突破解法：當前系統已能達到穩定 90fps 的畫面更新率，並針對 MR 頭盔進行軟體優化，將「動作到光子（Motion-to-Photon）」的延遲降至人體可接受範圍內。

2. 海量資料的即時串流

全球地形資料庫（WWDB）包含數 TB 的衛星影像與高程資料，即時讀取是一大瓶頸，突破解法： 導入 CDB (Common Database) 開放格式，支援從儲存設備直接串流載入地形，無需冗長的預處理或轉檔，並支援動態地形修改。

GeoScapeSE WWDB 是全球首款無縫整合的特定地理資料庫，提供 15M 或 10M 高解析度影像，支援 OTW、NVG、IR、EO 及雷達感測等應用，並針對 Quantum3D 影像產生器進行最佳化。



GeoScapeSE WWDB 影像範例
 

3. 複雜戰術邏輯的整合

單純的視覺模擬不足以訓練，還需具備敵我識別（IFF）與智慧行為，突破解法： 整合戰術環境模擬（如 FIVE 系統），賦予敵方單位 AI 規則，例如，當敵機偵測到飛彈鎖定時，會自動執行規避機動（Evasive Maneuvers）或釋放熱誘餌彈（Flares），不僅是視覺上的煙霧，更會真實干擾紅外線導引頭的追蹤邏輯。

FIVE（Forces In Virtual Environment）戰術環境模擬系統提供逼真的戰術環境模擬，適用於戰術訓練、戰爭推演、決策支援與電子戰演習。
 

應用場景與市場潛力

1. 混合實境 eVTOL 飛行模擬

隨著空中計程車與電動垂直起降飛機（eVTOL）興起，駕駛員培訓需求大增，MR 模擬器讓學員能在真實的座艙模型中操作實體按鈕，同時透過頭盔看見窗外的虛擬城市與天氣變化，是目前最具成本效益的培訓方案。

2. 單兵防空武器訓練（Stinger Simulator）

刺針飛彈等便攜式防空武器極度依賴射手的視覺判斷，Quantum3D 射手肩扛真實的發射筒模型，透過 VR/MR 頭盔進行目標搜索、敵我識別（IFF）與鎖定。系統甚至能模擬「射手」與「觀測手/隊長」的雙人小組協同作戰，這在過去單機模擬器中極難實現。

Quantum3D 刺針飛彈模擬器（Stinger Simulator）是一款 VR高擬真訓練系統，支援個人與團隊訓練，提供環境設定、敵我識別、規避動作等功能，並內建訓後回顧與教官操作站，全面提升訓練效能。
 

3. 無人機（UAV）與地面載具（UGV）操控

現代戰爭大量依賴無人系統，高階模擬器不僅模擬攝影機畫面，還能模擬訊號延遲、感測器雜訊以及自動化任務路徑規劃，讓操作員在進入戰區前先熟悉目標區的地形特徵。

 

未來發展趨勢與技術展望

1. AI 驅動的自動化內容產生：
   未來的資料庫產生系統（如 CatalystSE）將更多地利用 AI 自動從衛星照片中提取建築物與植被特徵，大幅縮短場景製作時間。
2. 雲端渲染與分散式訓練：
   隨著網路頻寬提升，運算核心可能從本地伺服器轉向雲端，實現跨國界的超大規模聯合演習。
3. 感測器融合的極致擬真：
   除了視覺，未來的模擬將更強調多光譜感測器的同步模擬（可見光 + 紅外線 + 雷達），確保學員在任何天候下都能進行全方位的戰場感知訓練。

從 Quantum3D 的技術演進可以看出，戰術模擬已從單純的「畫面像不像」進化為「物理與戰術邏輯真不真」，透過混合實境（MR）與商用現貨（COTS）硬體的結合，高階訓練不再是大國空軍的專利，而是普及到了 eVTOL 新創公司、單兵戰術小組甚至是消防救援單位。

這些技術的核心價值不僅在於節省成本，更在於「安全」與「預備（Preparedness）」，正如 Quantum3D 的座右銘所示，只要生命與安全面臨風險，這種追求極致擬真的技術競賽就永遠不會停止。

Q3D 解決方案介紹

若您的單位正在尋求高性價比且具備未來擴充性的模擬解決方案，Quantum3D 的產品線提供了完整的選擇：

若您需要升級舊有模擬器

Independence® IDX 8000/9000 系列是取代舊式 IG 的理想選擇，具備強大的 COTS 架構與 MANTIS 軟體支援，可無縫接軌現有的 CIGI 主機。

Quantum3D IDX 8000 飛行與軍事模擬即時影像產生系統 -高效能影像產生設備，適用於軍事、航空與虛擬實境模擬，支援高擬真視覺渲染與感測器模擬，確保訓練與作戰環境的真實性。
 

若您專注於新興飛行器 (eVTOL) 或單兵訓練

推薦 Mixed Reality Visual Simulation Bundle，它整合了高解析度 MR 頭盔與優化的影像產生器，免除了昂貴的投影系統建設成本。

Quantum3D 提供混合實境（MR）視覺模擬系統，適用於 電動垂直起降飛行器（eVTOL）、先進航空運輸（AAM）/城市航空運輸（UAM），支援高擬真影像生成、360° 視角、MR/AR 互動與 VR 訓練模擬，提升飛行體驗與訓練效率。
 

若您需要建立特定戰場環境

CatalystSE™ 資料庫產生系統能協助您從原始衛星影像快速建立符合 Level D 標準的 3D 合成環境。

CatalystSE DBGS 提供可自訂配置、基於 PC 的開放架構 COTS 資料庫解決方案，使客戶能開發、修改及維護大範圍、高解析度的地理特定合成環境；支援 ESRI ArcGIS、Quantum3D MANTIS、Adobe Photoshop 等專業工具。