2021/09/15 | 電子報No.0186期 | Ed 張志誠

微軟模擬飛行於2020年新版推出時就讓各界驚訝不已，筆者則是最近等到了Xbox版本上市後才得以親自體驗，從2000年就開始接觸這遊戲，這期間職涯剛好踏入地理資訊領域，因此最吸引我的則是遊戲號稱的全球擬真3D場景，微軟整合了傾斜攝影場景(Photogrammetry cities)、擬真建物模型和精緻建物模型。在這對應世界的虛擬場景裡，您可以尋找到著名的城市或地標，優美的地貌，甚至鄉下老家的房子，連學校裡的大樹也都呈現在遊戲裡！

這全球3D場景多來自近年來測量與遙測技術的精進發展成果，再搭配遊戲中的即時天氣系統與飛航起降資訊，可謂是數位孿生(Digital Twin)概念的最佳應用展現。同時這不禁讓我也聯想到目前正在蓬勃發展的3D GIS，以及全世界都在發展的3D底圖，究竟這套虛擬軟體遊戲的地球跟真實世界的差異還很大，還是已經很接近了呢？又是否有3D GIS發展可以學習之處呢？筆者就一一來跟各位說明，至於飛行遊戲真實感就不在本文章探討了。

註：數位孿生(Digital Twin)是指透過存在於虛擬世界的「雙胞胎」，整合各項感知器的回饋，來顯示現實世界中各式物體可能的反應、呈現的狀態或是效能等。數位孿生並非定義一個全新的技術，而是泛指整合多項科技與多重領域的應用。

微軟模擬飛行這次為了擬真出全球的場景，開發出了全新可整合前述多元化3D資料的軟體核心如下表統計，此外也特別與blackshark.ai公司合作，藉由其對衛星影像的判釋與AI技術，製作出了全球土地99.8%的3D擬真場景(剩餘的場景為傾斜攝影成果)，並且產製了約15億個3D擬真建物，另外還包含了灌木、森林、電塔、風力發電塔等，著實讓這款遊戲的可玩度大幅提升，這也使讓玩家驚呼不已的地方，網路上甚至還有人專門做了真實和遊戲場景的對比圖！如果你覺得Google Earth已經讓你逛遍了全世界，那模擬飛行則是真正讓你走入鄉村踏入極地，享受真實感受的體驗，以下筆者就針對遊戲的特別處做說明：

一、場景資料的分析：

1. 傾斜攝影場景

   多位於著名都會地區，例如美國、歐洲及日本等重要都市(很可惜台灣目前沒有)，透過傾斜攝影所產製的大範圍3D場景，影像解析度約10公分以內，如同各位於Google Earth或Apple Map上所看到的一般，微軟應該花費不少費用取得這些資料的授權(363個，每季持續新增城市中)。可能是為了減少數據上的容量，整體而言的細緻度並沒有像前述兩個圖台來的好，因為遊戲的本體就是飛行(也不會刻意去很靠近建物)，資料的展示效能最佳化才是重點，因此就捨去其精細度。可能有不少遊戲玩家不曉得這類資料產製所需要花費的大量費用與時間，所以當他們深入街道去探索實景的建物時，會評論著這建物近看時簡直糊成一片等等….，試想整個遊戲將近363個傾斜攝影的城市，竟可以儲存在不到200GB的硬碟裡供你隨時存取，幾乎是把一台飛行的模擬機搬回家了，其實已經物超所值了。
   

   ▲ 哥本哈根傾斜攝影場景
   ▲ 巴塞隆納傾斜攝影場景
   ▲ 東京傾斜攝影場景

    

2. 手工打造的場景與建築物

   為了讓玩家能夠完整體驗從登機口後推到起飛的過程，因此微軟手工打造了67個真實的機場，所有的材質都是真實拍攝的相片或者重繪，並建立模型再貼上材質，就像是業界所說的”精緻建模(Handcrafted model)”的手工打造方式，同樣的方式也應用在全球171個精緻建物地標。如果玩家仔細地觀看會發現，走進這些機場或者地標建物內部會發現其實是存在結構的，應該是有參考了BIM(建築資訊模型)的結構資訊，讓建物不僅只有單存的積木外觀；臺灣手工打造的精緻建築物有圓山飯店、中正紀念堂及故宮(沒有台北101和南山廣場等)，這類精緻建物在歐美地區相當的多，也都非常的真實。
   

   ▲ 精緻建物中正紀念堂
   ▲ 精緻建物中正紀念堂內部觀看國家戲劇院視角

    

   比較讓筆者印象深刻的是這些精緻建物不論與傾斜攝影場景或擬真建物都可以無縫的接合，如下圖的精緻建物東京晴空塔底部，與連接傾斜攝影完成的賣場幾乎看不出來差異，接合處看似有花費不少時間來特別處理，通常只能夠透過其精緻度及材質反光才能分辨出來。
   

   ▲ 精緻建物日本東京晴空塔融合於傾斜攝影場景中
   ▲ 精緻建物日本學園蟲繭大廈與傾斜攝影場景融合無差異

    

3. 擬真建物及橋梁

   這其實是讓我感到最有興趣的地方，如果一開始所提及的，除了前述兩種方式之外，全球土地約3,000萬平房公里上都採用這項技術！blackshark.ai首先透過衛星影像擷取出15億筆建物框，若沒有DSM輔助下則是透過建物的陰影來判斷建物高度，並搭配本身巨量的建物類型和材質資料庫給予最終的建物外觀，這整個過程建構於Azure雲端上並整整運算了3年才達成，而高架道路與橋樑部分應該是有參考路網資料後搭配DSM產製，其高架的上下關係正確性相當高。
   

   ▲ blackshark影片介紹如何製作擬真建物
   ▲ 臺北市內湖區擬真建物
   ▲ 臺北市敦化南路擬真建物
   ▲ 臺北市市民高架環東大道路段
   

    

   筆者也發現這些建物會依照不同地區特質而有不同樣貌，像都會區就是高樓形式，鄉村地區就會有低矮斜頂房屋，而在水岸地區還會有高架的房屋，為了讓這些建物看起來更貼合，透過搭配該區域衛星影像的色系自動微調建物配色，讓建物和衛星影像黏合更無違和感。此外建物屋頂的材質參考該地區衛星影像並優化其解析度，並且配合不同國家有不同的材質搭配(例如東南亞的吉隆坡則是南洋的紅屋瓦居多)，最後結合光影技術讓整體建物看來更加美觀。
   

   ▲ 新北市烏來地區水岸旁高架建物
   ▲ 吉隆坡紅磚屋頂建物

    

   另外還有一點值得提的是，一直以來中國及南韓等國家就非常保護地理圖資，僅國內的廠商可以取得圖資及發布，連Google等國際大廠也無法取得。但透過擬真建物的技術，現在你可以飛行在有建物天際線的北京、上海和首爾上空了，還可以盡情瀏覽紫禁城的優美景緻，也因為是擬真的關係所以這遊戲迄今還沒被要求下架這些地區場景，不過筆者也發現因為缺乏在地的圖資搭配，因此這些地區的模擬建物與真實的差異較大，但就城市鳥瞰視野來看其實表現已經相當優秀了。
   

   ▲ 北京市紫禁城擬真建物
   ▲ 南韓首爾擬真建物

    

4. 樹木、森林和電塔

   除了前述透過傾斜攝影取得的樹木之外，多半的場景是針對衛星影像上判識的植生區而給予樹木，但令人驚豔的是在森林與高山的處理。在虛擬世界裡面微軟種樹完全不手軟，也無畏懼於展示效能，鄉村地區的樹木和偶而出現的電塔就讓場景很有感，而在森林區滿滿的樹木讓整個場景更加真實，不再是光禿禿卻有森林影像皮的山頭。筆者在飛往嘉明湖的過程感受到了臺灣林貌的美景變化，當飛機到達嘉明湖時林樹轉換為草地，搭配嘉明湖微微的水波是另外一個讓我覺得這遊戲值回票價的感受！
   

   ▲ 頭份沿海地區的風力發電塔
   ▲ 北勢溪與南勢溪交會處
   ▲ 翡翠水庫大壩
   ▲ 從劍潭山遠看圓山大飯店
   ▲ 嘉明湖上空

    

5. 衛星影像的呈現

   筆者算熟悉遙測的應用，可明顯的看出底圖的衛星影像跟平常看到的不太一樣，雖然一樣採用高解析度衛星影像如WorldView系列，但在草地和道路上看起來就是特別有立體感，尤其操場或草地有著”地毯的感受”，讓玩家在低空飛行時感受特別柔軟和舒服，探究其原因當筆者將鏡頭放到草地上才發現原來草地上真的種滿了草，因此營造了立體毛毯的感受。此外整合了路網的資料，在道路上特別加上了柏油的材質增加粗糙感，河川則是以透光水波的方式覆蓋在影像上，搭配陽光的反射就像是從高空看到水體的真實感受。
   

   ▲ 衛星影像上的操場具有地毯的觸感
   ▲ 道路上加上柏油的材質
   ▲ 衛星影像中水體區域模擬反射陽光(重翠大橋)

    

6. 場景待改善之處

   雖然前述的3D擬真建物場景很令人驚艷，但由於是AI自動化的產製，還是有不少改進的空間。像是有些地區不知為何無法偵測出建物框但可能同時參考的DSM的資料，因此就會出現小山丘的情況如臺北車站、臺北市政府和中和東帝士大樓；此外採用陰影偵測樓高的方式也可能因為影像拍攝的時間(資訊錯誤？)，造成了樓高計算的結果錯誤，像是台北101就跟實際的高度矮了不少；另外可能是為了讓場景更戲劇化，部分地區的衛星影像有被替換掉的情況，尤其是在非都會地區，如筆者發現花東縱谷的影像被替換成歐洲風格的草原風格，雖然看起來很漂亮但花東縱谷的河系與綠色走廊變成了黃色的麥穗，這真的是有點改太多了。
   

   ▲ 台北車站造成的地表隆起
   ▲ 新北中和區東帝士大樓造成的地表隆起
   ▲ 花東縱谷衛星影像美化區域差異處

    

7. 第三方合作夥伴的加持

   針對前述待改善的場景問題，微軟也開放的第三方合作夥伴合作機制，因此有不少廠商製作了著名城市的精緻建物，以補足目前沒有傾斜攝影的城市缺憾，玩家已經可以透過MarketPlace增購臺北市和香港的精緻建物，以補足原本僅擬真建物造成的錯誤。除了精緻建物之外，令筆者更意外的是第三方合作夥伴還可以提供傾斜攝影產製的地形增購，這些Mesh的地形資料解析度提升為10公尺，未來甚至會更新為以光達資料1公尺為基礎的Mesh成果！經訪談廠商之一的orbx也特別強調他們花了非常多時間整合各項資料，包含衛星影像、航照影像、DEM、DSM、BIM等等，這些增購的精緻建物與地形資料都能夠跟既有的資料相容，這也代表了使用者引用了新的資料後，原本該區的建物與地形並不是被覆蓋掉，而是整個或部分被取代掉，雖然看似簡單，但實作起來應該很不容易。
   

   
   ▲ 模擬飛行第三方公司orbx提供的臺北市精緻建物
   ▲ 模擬飛行第三方公司orbx提供的紐西蘭地形修正資料

    

更多有趣的地圖資訊都在「瑞竣科技 給您地圖新鮮事」，馬上Follow