數位戰場的「實體」靈魂：模擬級 3D 模型與物理材質編碼技術解密

在虛擬模擬與數位雙生（Digital Twin）的領域中，一個常見的誤區是認為「看起來像」就足夠了，對於電玩遊戲而言，一輛 T-90 坦克的 3D 模型只要外觀逼真、貼圖精細，就能滿足玩家的需求，然而在國防訓練與感測器開發的場景下，視覺上的真實僅是冰山一角。

當一架攻擊直升機的射控電腦掃描地面時，它看到的不是顏色，而是熱輻射（Thermal Radiation）與雷達截面積（RCS），如果虛擬戰場中的坦克模型缺乏物理屬性定義，它在紅外線感測器（FLIR）中將會是一片死寂的黑塊，這對於目標識別訓練（Target Acquisition）是完全無效的，本文將深入解構「模擬級（Simulation-Grade）」3D 內容資產的技術核心，探討如何透過材質分類（Material Classification）與物理編碼，賦予數位模型真實的物理靈魂。

幾何之外：為什麼模擬模型需要「物理數據」？

模擬級模型與遊戲模型最大的差異在於「光譜響應（Spectral Response）」，現代戰場充滿了多光譜感測器（EO/IR/NVG/Radar），為了讓模擬系統（Image Generator, IG）能夠即時計算出正確的感測器影像，3D 模型必須包含幾何形狀以外的元數據（Metadata），這涉及兩個關鍵技術維度：

1. 材質屬性（Materiality）：
   模型表面的每一個像素，都必須標記其物理材質（如鋼鐵、橡膠、玻璃、植被），IG 軟體會依據這些標記，結合環境溫度與比熱容，計算出該部位在紅外線下的亮度。
2. 功能性部件（Functional Parts）：
   模型的部件需被邏輯化分割，例如坦克的「砲塔」必須是獨立節點，以便接受方位角（Azimuth）旋轉指令；「履帶」必須隨速度動態滾動；「排氣口」必須定義為熱源（Hot Spot）。

核心原理深入解析：從紋理貼圖到物理代碼

構建一個具備多光譜特徵的 3D 模型，需要經過嚴謹的工程流程。

材質分類編碼 (Material Classification)

在製作紋理（Texture）時，工程師不僅繪製 RGB 顏色層，還需繪製「材質編碼層」。

• 技術實作： 透過專用工具（如 Olson 方法或特定編輯器），將紋理中的特定區域指定為特定的材質代碼（Material Code），例如代碼 3 代表「金屬」，代碼 5 代表「橡膠」。
• 物理運算： 當影像生成軟體載入模型時，它會讀取這些代碼，在夜間模擬中，系統知道金屬冷卻得比橡膠快，因此會自動渲染出正確的熱對比，這就是所謂的「熱交叉（Thermal Crossover）」模擬。

熱點與紅外線特徵 (Hot Spots & IR Signatures)

為了模擬熱顯像儀（FLIR）看到的畫面，模型必須定義熱點（Hot Spots）。

• 動態熱源： 靜態的熱圖是不夠的，模型需定義引擎排氣口、砲管、輪胎摩擦面等熱源位置，系統會依據載具的運作狀態（如引擎轉速、射擊頻率）動態調整這些區域的溫度值。
• 對比度估算： 軟體需即時計算熱點與背景環境的對比度，支援自動增益控制（AGC）與熱點偵測演算法的訓練。

多層次細節管理 (LOD & Optimization)

為了在複雜戰場中維持 90fps 的高幀率（特別是在 VR/MR 應用中），模型必須具備多個細節層次（Levels of Detail, LOD）。

• 自動切換： 當目標距離觀察者 5 公里時，系統切換至低多邊形（Low-poly）版本；當距離縮短至 500 公尺時，自動載入高細節版本。這確保了在不犧牲視覺品質的前提下，優化 GPU 的幾何運算負載。

關鍵技術細節：數位戰場的「物種多樣性」

模擬訓練的有效性取決於內容的豐富度，一個完整的模型庫（Digital Order of Battle）必須涵蓋海、陸、空、太空等各領域的實體。

廣泛的載具覆蓋率

高階模型庫需包含全球主流武器系統。

• 地面單位：
  從美系的 M1A2、M-109 自走砲，到俄系的 T-72/T-80/T-90 主戰坦克、SA-20/SA-10 防空飛彈車。
• 空中單位：
  涵蓋 F-16、F-35、蘇愷系列戰機，以及各類軍用直升機（UH-60, AH-64）與無人機（UAV）。
• 海上單位：
  包含航空母艦（CVN-68 Nimitz）、驅逐艦、潛艦與氣墊船（LCAC）。

特殊效果與破壞模型

戰場是動態的，模型需支援：

• 毀傷狀態（Damage States）：
  當目標被擊中時，不能只是消失，而應切換至「燃燒」或「被摧毀」的模型狀態，供飛行員進行戰損評估（BDA）。
• 動態部件：
  雷達天線的旋轉、飛彈發射架的仰角調整、起落架的收放，這些都需透過標準化的介面（如 CIGI）由主機即時控制。

技術比較：遊戲資產 vs. 模擬資產

應用場景與市場價值

異質感測器融合訓練

在無人機（UAV）或攻擊直升機訓練中，操作員需頻繁切換可見光（EO）與紅外線（IR）鏡頭，擁有正確物理編碼的模型，確保了在切換視角時，目標的特徵（如發熱的引擎）能被正確呈現，這是訓練識別偽裝目標的關鍵。

AI 演算法訓練數據 (Synthetic Data)

隨著 AI 自動目標識別（ATR）技術的發展，需要海量的標註數據來訓練神經網路。透過這些具備精確分類的 3D 模型，可以在虛擬環境中自動生成數萬張不同角度、天候下的目標影像，作為 AI 的合成訓練資料。

聯合兵種互通性

在 LVC（Live-Virtual-Constructive）聯合演習中，飛行模擬器與地面戰車模擬器必須看到相同的目標，標準化的模型庫確保了「你看到的 T-72 和我看到的 T-72 是同一種規格」，避免因模型差異導致的戰術誤判。

在現代模擬技術中，「模型」已不再只是視覺的裝飾，它是數據的載體，是物理法則的體現，一個優秀的 3D 模型庫，能夠將真實世界的物理屬性——熱、光、電磁反射——精確地映射到虛擬世界中，這不僅提升了訓練的沉浸感，更決定了感測器模擬與戰術決策訓練的有效性。

Q3D 解決方案介紹

若您的模擬專案需要高品質、經優化且具備完整物理屬性的 3D 內容，Quantum3D 提供了業界最全面的模型庫與相關工具：

• Facets® 即時高擬真3D 模型庫
  這是一個龐大的實時 3D 模型庫，專為 Quantum3D Independence 系統與 MANTIS 軟體優化。
  • 內容豐富： 涵蓋數千種空中、地面、海上、太空及飛彈實體，包括各國現役主力裝備（如 F-35, T-90, SA-20 等）。
  • 感測器就緒： 模型皆已包含材質分類（Material Classification）與紅外線特徵，可直接支援 ViXsen 感測器模組的熱成像模擬。
  • 即插即用： 經過 LOD 優化，確保在複雜場景下仍能維持高幀率運行。

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。

• MANTIS® 即時場景視覺模擬顯示引擎
  搭配 Facets 模型庫的核心渲染引擎。它能讀取模型中的物理代碼，即時渲染出逼真的煙霧、尾流（Rotorwash）與破壞效果。

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 客製化視覺資料庫
  若現有庫中缺乏特定載具或建築，Quantum3D 提供客製化建模服務，協助您建立符合特定訓練需求的高精度數位資產。

Quantum3D 提供業界領先的客製化視覺資料庫服務，涵蓋 Level D 機場開發、3D 地形建模與城市戰術場景建置，適用於軍事模擬、飛行訓練與沉浸式虛擬環境。