穿透黑暗的物理運算：多光譜感測器模擬與紅外線 (IR) 成像技術解密

在現代軍事與航太領域，「看見」的定義早已超越了人類肉眼的極限，從攻擊直升機的 FLIR（前視紅外線）系統、無人機的熱顯像儀，到飛行員頭盔上的 NVG（夜視鏡），超過 70% 的現代作戰與特種飛行任務發生在夜間或視距外。

然而，在模擬訓練領域，重現這些「看不見的光」遠比渲染絢麗的日落更具挑戰性，許多入門級模擬器僅僅是在一般畫面上疊加一層「綠色濾鏡」或「黑白反轉」來充當夜視效果，這對於專業訓練來說是致命的錯誤，真正的多光譜感測器模擬（Multispectral Sensor Simulation）是一場物理學與計算機圖學的深度整合，它必須計算材質的熱慣性、大氣的穿透率以及感測器本身的電子雜訊，本文將深入解構這項讓虛擬戰場「熱」起來的關鍵技術。

為什麼「綠色濾鏡」不足以訓練飛行員？

在真實世界中，物體在紅外線感測器下的亮度（Radiance），取決於其溫度與發射率（Emissivity），而非其顏色。

• 熱交叉（Thermal Crossover）現象：
  白天時，金屬製的坦克吸熱快，比周圍的泥土更「亮」（熱）；但在日落後，金屬散熱極快，泥土散熱慢，某個時間點兩者溫度會相同，導致坦克在熱像儀中「消失」，隨後泥土反而比坦克更亮。
• 材質差異：
  一輛塗有偽裝漆的卡車，在可見光下可能與森林融為一體，但在紅外線波段下，金屬引擎蓋的熱訊號與周圍植被截然不同。

若模擬器只使用濾鏡（Post-process Filter），無法呈現上述物理現象，學員若習慣了「坦克永遠是亮的」這種錯誤認知，在實戰中遭遇熱交叉現象時，將無法識別目標。

核心原理深入解析：從幾何模型到輻射運算

高階感測器模擬的核心在於「材質分類（Material Classification）」與「輻射傳輸方程式」的即時解算，其運作流程可拆解為三個階段：

1. 資料庫層：賦予物體物理屬性

在建立 3D 模型與地形資料庫（如 CDB 格式）時，不能只貼上彩色貼圖（RGB Texture），每個多邊形（Polygon）或紋理像素（Texel）都必須標記材質代碼（Material Code）。

• 屬性定義： 系統需知道哪個部分是「鋼鐵」、哪個是「橡膠」、哪個是「水」。
• 熱點（Hot Spots）定義： 針對車輛模型，需定義引擎排氣口、砲管、履帶摩擦部位等熱源位置，並設定其在運作時的溫度變化曲線。

2. 環境層：動態熱場計算

影像產生軟體（IG）會依據當前的模擬時間、季節與天氣，計算環境對物體的影響。

• 日夜週期（Diurnal Cycle）： 系統依據太陽角度計算地表接收的熱能。
• 氣象影響： 雨水會冷卻物體表面，風會加速散熱，例如，Mantis 軟體中的海洋插件允許分別設定「內陸水域」與「海洋」的溫度與混濁度，這直接影響其在紅外線下的呈現。

3. 感測器層：電子光學效應模擬

最後一步是模擬感測器本身的物理限制。

• 光子計數與雜訊： 模擬低光度下的光子散粒雜訊（Shot Noise）與電子熱雜訊。
• 自動增益控制（AGC）： 模擬真實感測器在面對強光（如爆炸或閃光彈）時的動態光圈調整與畫面暫時過曝（Blooming）。

關鍵技術細節與規格探討

要實現上述運算，現代影像產生系統（IG）採用了多項專用技術：

1. 16-bit 高動態範圍渲染 (HDR)

傳統的 8-bit 色彩（0-255）不足以表現紅外線感測器的溫度範圍。高階系統（如 Quantum3D 的架構）在感測器通道上採用 16-bit 浮點數渲染，確保能精確區分 0.1 度的溫差，這對於識別遠距離的微弱熱訊號至關重要。

2. 物理級大氣模型 (Physics-Based Atmosphere)

大氣中的水氣、氣膠（Aerosols）對不同波長的紅外線（MWIR, LWIR）有不同的吸收率。

• 穿透率計算：
  模擬器需計算雲層、霧氣對可見光是不透明的，但對特定波長的雷達或紅外線可能具備部分穿透力。
• 體積效應：
  MANTIS 軟體支援 3D 體積雲與分層霧氣，感測器視線（Line-of-Sight, LOS）穿過雲層時，訊號會依據雲的密度產生衰減。

3. 特殊光效與雷射標定

• NVG 光暈（Halo）：
  在夜視鏡下，點光源（如路燈、跑道燈）周圍會產生獨特的光暈，這需要專門的著色器（Shader）來模擬光線在光像增強管中的散射，且需考慮月光與星光的環境增益。
• 雷射標定（Laser Designator）：
  模擬空中或地面部隊發出的紅外線雷射點，這個光點在肉眼不可見，但在 NVG 或目標標定吊艙中必須是清晰可見的高亮點，且需具備正確的遮蔽邏輯（被建築物擋住時不可見）。

技術比較：遊戲級夜視 vs. 專業感測器模擬

製造或實作挑戰與研究突破

1. 異質資料庫的材質統一

挑戰： 許多地形資料庫（如衛星空照圖）只有顏色資訊，缺乏材質分類。
突破： 利用 AI 影像識別技術或半自動化工具（如 CatalystSE），從衛星照片中自動分割出植被、水體、道路與建築，並批量賦予材質代碼，大幅降低製作成本。

2. 運算效能與延遲

挑戰： 同時渲染高解析度可見光（OTW）與多個感測器畫面（Sensor Views），對 GPU 負擔極大。
突破： 採用多通道架構與平行處理。現代架構允許主機透過 CIGI 介面動態控制每個通道的開啟/關閉，或在同一硬體上透過時間切片（Interleaved）技術處理不同波段。

應用場景與市場潛力

1. 無人機 (UAV) 酬載操作員訓練

這是目前需求增長最快的領域。操作員需學習操作昂貴的光電/紅外線（EO/IR）球頭，在複雜背景中利用「熱白（White Hot）」或「熱黑（Black Hot）」模式識別偽裝車輛。

2. 搜索與救援 (SAR)

訓練直升機機組員在夜間海面上，利用 FLIR 搜尋落水者的頭部熱訊號。模擬器需精確呈現海浪的溫度雜訊（Clutter）與人體頭部的微小溫差。

3. 隱形戰機與反制系統

模擬紅外線搜索追蹤系統（IRST）如何偵測敵機的引擎廢氣羽流（Plume），以及熱誘餌彈（Flares）在不同光譜下的干擾效果。

感測器模擬技術是連接虛擬訓練與現代電子戰的橋樑。它讓飛行員與操作員學會的不僅是「怎麼看」，而是「如何解讀」戰場上的電磁訊號。隨著高超音速武器與隱身技術的發展，戰場的透明度取決於感測器的效能，而模擬訓練的真實度，則決定了操作員能否在關鍵的幾秒鐘內做出正確判斷。

Q3D 解決方案介紹

針對高階感測器模擬與夜視訓練需求，Quantum3D 提供了業界領先的軟硬體整合技術：

• MANTIS®即時場景視覺模擬顯示引擎 (with ViXsen™)
  MANTIS 是核心渲染引擎，而 ViXsen 是專為感測器模擬設計的擴充模組。
  • 物理級渲染： 支援基於物理的紅外線（IR）與夜視鏡（NVG）模擬。
  • Quest2 Plug-in： 提供高階感測器後處理特效，包括增益控制（Gain）、模糊（Blur）、隨機雜訊（Random Noise）與閃爍（Scintillation）。
  • NVG Stimulation： 支援直接驅動真實夜視鏡的高階投影模式（Stimulation），而非僅在螢幕上顯示綠色畫面。

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® Models (Material Classified)
  Quantum3D 的 3D 模型庫中的車輛、飛機與建築物皆已包含材質分類（Material Classification）與紅外線特徵數據。這確保了當您在 MANTIS 中切換到紅外線視角時，坦克的引擎、履帶與裝甲會呈現正確的熱分佈，無需使用者手動重新貼圖。

Quantum3D 提供 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。

• Independence® IDX 8000/9000圖像產生系統
  搭載 NVIDIA Quadro RTX 高階顯卡的硬體平台，支援 16-bit 浮點運算與多通道同步，確保感測器畫面與窗外視野（OTW）的完美關聯與即時渲染。

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。