數位雙生與合成環境：構建由數據驅動的高擬真虛擬世界

在模擬訓練、任務演練以及戰術規劃的領域中，「真實感」往往被誤解為單純的高解析度貼圖或光影特效，然而對於國防與航太等級的應用而言，真實感的定義遠比視覺更深層——它關乎「合成環境（Synthetic Environment, SE）」的數據精度、地理座標的正確性，以及物理屬性的可預測性。

當一架虛擬的 F-16 戰機在夜間飛越一片城市時，飛行員透過夜視鏡看到的景象，不應僅是變綠的畫面，而是取決於建築物材質的比熱容、當下的氣溫以及大氣中的濕度，如何從龐大的地理資訊系統（GIS）數據、衛星影像與高程資料中，自動化產生這樣一個既符合物理法則又具備地理精確性的虛擬世界，是現代模擬技術最核心的挑戰之一。
 

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合成環境（SE）是什麼？為何它是模擬的基石？

合成環境是指利用電腦模擬技術，將真實世界的地形（Terrain）、地物（Features，如建築、植被）以及環境效應（Atmosphere/Ocean）進行數位化重現的過程，這項技術的重要性在於「關聯性（Correlation）」與「互通性（Interoperability）」，在聯合兵種演習中，飛行模擬器中的駕駛員、地面的戰車模擬器操作員，以及指揮所中的戰術圖台，必須在同一個時間點看到同一棵樹、同一座橋樑，如果資料庫產生過程中出現座標偏移或版本不一致，將導致「空中看到目標在橋上，地面看到目標在河裡」的嚴重誤差，使訓練失去意義。

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。

核心原理深入解析：從原始數據到 Runtime 渲染

構建一個高階合成環境，通常涉及以下技術流程的深度整合：

1. 地理空間資料的攝取與融合

資料庫產生系統（DBGS）的首要任務是處理異質來源數據。

• 高程資料（DTM/DEM）： 決定地形的起伏。
• 衛星影像（Imagery）： 提供地表的視覺紋理。
• 向量資料（Vector Data）： 定義道路、河流、建築輪廓。 技術難點在於如何將不同解析度、不同座標系（如 WGS84 vs. UTM）的數據無縫融合，並修補原始資料中的破洞或雲層遮擋。

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。

2. 物理材質分類（Material Classification）

這是區分「遊戲」與「專業模擬」的關鍵，在視覺上水泥地和沙地可能只是顏色的不同；但在紅外線（IR）或雷達（SAR）感測器中，它們的表現截然不同，高階產生技術會將影像中的每個像素或多邊形賦予材質代碼（Material Code），例如，系統需區分水體與陸地，甚至細分海洋與內陸水域，以便 Runtime 引擎能根據當前風速計算浪高，或根據日夜溫差計算熱輻射（Radiance）。

Quest2 與 ViXsen 提供即時感測器模擬，支援電光（EO）、紅外線（IR）、夜視（NVG）影像處理與物理模擬，MANTIS 方案助您實現精確的感測器影像與後處理效果。

3. 程序化產生與 3D 模型庫的調用

對於廣域地形（如整個地球），無法手動放置每一棵樹，現代技術大量依賴程序化產生（Procedural Generation），依據植被密度圖自動種植樹木模型，或依據建築底圖自動拉伸產生城市建築。這需要龐大的 3D 模型庫支援，涵蓋各類軍用載具、基礎設施與植被。

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。

關鍵技術細節與規格探討

在實作層面，數據的格式與傳輸標準決定了模擬系統的效能上限。

1. CDB (Common Database) 標準的革命

傳統模擬器使用封閉格式（如 OpenFlight），每次更新地形都需要漫長的「編譯（Compilation）」過程，將原始數據燒錄成 Runtime 格式，這導致了資料更新的延遲。

技術突破： CDB (Common Database) 格式的出現改變了規則，CDB 是一種開放標準，允許模擬器直接讀取未經編譯的原始數據結構，這表示：

• 即時更新： 可以在幾分鐘內更新戰場上的彈坑或新建築，無需重新編譯整個地球。
• 版本統一： 所有模擬器共用同一份 CDB 儲存，消除了版本不一致的風險。

2. 多光譜感測器渲染 (Sensor Rendering)

合成環境必須支援「人眼不可見」的波段。

• 紅外線 (IR) 模擬： 系統需計算物體的熱負載。例如，坦克引擎運轉後排氣口的溫度上升，或飛機蒙皮在高速飛行下的氣動加熱，這需要資料庫中包含精確的熱點（Hot Spots）定義。
• 夜視鏡 (NVG) 模擬： 模擬星光、月光的增益效果，以及光暈（Halo）效應。高品質的模擬甚至會計算雲層對星光的遮蔽，進而影響 NVG 的成像清晰度。

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。


圖片中展示了Quest2 & ViXsen 高精度感測器模擬整合方案夜視模擬技術，模擬夜視鏡（NVG）環境中的視覺效果，畫面中的發光點代表熱源或光源，提供增強夜間識別與戰場感知能力，該技術可應用於軍事訓練、航空航太、無人機操作與感測器測試，提升在低光或全暗環境下的目標識別與戰術規劃能力。

3. 動態環境效應

靜態的地形是不夠的，高階環境需包含：

• 3D 體積雲（Volumetric Clouds）： 具備物理厚度，能遮擋視線與感測器，並支援飛入雲層後的能見度變化與閃電效果。
• 海洋特效： 根據蒲福風級（Beaufort Scale）改變波浪大小，並呈現船艦的尾流（Wake）與白浪花（Whitecaps），這些特徵在熱顯像儀中具有獨特的溫度訊號。

Quantum3D Mantis 海上救援影片展示

技術比較：傳統 DBGS vs. 現代串流架構

製造或實作挑戰與研究突破

 

1. 海量數據的載入延遲 (Paging Latency)

• 挑戰： 當高速戰機以 2 馬赫飛行時，地形數據的載入速度若跟不上，會出現畫面空白或模糊。
• 突破： 採用多執行緒（Multithread）與背景任務處理（Background Mission Function Processing），現代 IG 軟體能利用多核心 CPU 預先計算視線（Line-of-Sight）與地形高度，確保渲染引擎專注於圖形輸出，消除卡頓。

Quantum3D 快速噴射機影片展示

2. 異質地形的邊緣融合

• 挑戰： 將高解析度的機場插入低解析度的衛星底圖時，接縫處常出現裂縫或高度落差。
• 突破： 使用先進的混合演算法與 Alpha Masking 技術，並在資料庫產生階段利用自動化工具（如 Smart Insets）處理邊緣平滑化，確保視覺上的無縫過渡。

Quantum3D Mantis 因斯布魯克機場降落影片展示

應用場景與市場潛力

1. 任務預演 (Mission Rehearsal)

特種部隊在執行突襲任務前，需要針對目標建築進行沙盤推演，透過快速產生的合成環境，部隊可以在虛擬的目標建築中熟悉路線、視角與潛在掩體。

2. 無人機 (UAV) 與 AI 訓練

訓練 AI 識別目標需要大量的標註數據，合成環境可以自動產生數萬種不同天候、光照下的戰場影像，用來訓練電腦視覺演算法，這被稱為「合成資料（Synthetic Data）」訓練。

3. 城市空中交通 (UAM/eVTOL)

隨著 eVTOL 興起，針對複雜城市環境（摩天大樓、微氣候風場）的模擬需求大增。高精度的城市 3D 模型與氣流模擬是確保飛安的關鍵。

未來發展趨勢與技術展望

1. AI 驅動的內容產生 (AIGC)： 利用 AI 從 2D 衛星照片自動推算出 3D 建築結構與材質，將大幅縮短資料庫建置時間。
2. 全球單一地形 (One World)： 隨著串流技術與雲端運算的進步，未來的模擬將不再切割區域，而是直接串流整個地球的數位雙生資料（Digital Twin of Earth）。
3. 語意增強 (Semantic Enhancement)： 資料庫不僅是幾何模型，還將包含語意資訊（如「這是一面牆，材質是磚，可被 7.62mm 子彈穿透」），提升物理互動的真實性。

合成環境技術是連接物理世界與數位訓練的橋樑，隨著 CDB 標準的普及與運算硬體的飛躍，我們正從「模擬近似的世界」邁向「複製真實的世界」，這不僅提升了訓練的有效性，更為戰術決策提供了可靠的數據支撐，在未來，誰能擁有更精確、更新更快的合成環境資料，誰就能在虛擬與現實的戰場上掌握先機。

Q3D 解決方案介紹

針對合成環境的建立與管理，Quantum3D 提供了從資料產生到即時渲染的完整生態系：

• CatalystSE™ DBGS
  這是 Quantum3D 的旗艦級資料庫產生系統，它能將原始的 GIS 數據、衛星影像與 3D 模型整合，快速產生高品質的合成環境，其特色在於高度自動化與對標準格式的支援。
• GeoScapeSE® WWDB
  提供覆蓋全球的基礎地形資料庫，並支援 CDB 格式，包含高解析度的特定區域（Insets）與材質分類圖層，讓使用者無需從零開始建置地球。
• Facets® Models
  一個龐大的 3D 模型庫，包含經優化的飛機、車輛、船艦與建築模型，這些模型不僅外觀精細，還包含紅外線特徵與破壞效果，可直接用於 MANTIS 軟體中。
• MANTIS® Image Generator
  當資料庫建置完成後，MANTIS 軟體負責將其即時渲染。它原生支援 CDB 串流、多光譜感測器模擬（ViXsen）以及複雜的天候特效，是呈現合成環境的最佳載體。