如何用下一代游戏引擎打造数字长城？

导语：现阶段，游戏技术也正被越来越广泛地应用于数字文保、数字孪生、工业生产和社会公益等领域。今年的 GDC 上，由腾讯游戏 CROS 自研引擎打造的高精度“数字长城”惊艳登场。这是去年 6 月发布的“数字长城”的最新版本。“数字长城”是全球首次通过多种前沿游戏技术，实现大规模文化遗产的高精度、沉浸交互式的数字还原。

在 GDC2023 会议中，腾讯游戏 CROS 引擎团队基础研究组组长张颖鹏，向外界分享展示了数字长城的技术成果，也揭晓了在一年内建造数字版中国长城的过程中，全新下一代游戏引擎起到了怎样的关键作用。

汇集先进技术，实现云游长城

“数字长城”是全球首次运用数字技术实现的大规模文化遗产的高精度、沉浸交互式的数字还原。其核心技术囊括了高精度扫描建模技术、PCG 自动生成技术，以及由引擎技术支持的实时动态全局光照等。

在建造数字长城的过程中，首先利用了高精度图像扫描和三维重建技术，对长城模型进行数字孪生重建。为了支撑具有大纹理超精细模型的实时渲染，开发团队花费半年时间开发了基于照片扫描的几何以及物理材质重建技术。借助近 5 万张高清照片，重建出了 10 亿面的精细长城，仔细还原了喜峰口长城潘家口段的每一个细节，甚至可以看到长城墙上刻着的字。

接下来，在重建森林植被的环节。利用当地县志上的图片和植物插图，重新创造了精心安排的植被景观。数字长城项目使用自研的 PCG 工具集，成功地种植了 25 万棵树。

最后，在效果呈现上，借助先进的游戏引擎技术，如 GPU 驱动的植被渲染，混合动态阴影，物理天空光照，物理大气效应，实时全局光照和其他尖端解决方案，不仅创造一个令人叹为观止的数字长城，更基于云渲染和编解码技术通过云游戏降低用户的体验门槛，从而在移动平台上提供 3A品质的体验。

数字长城脚下，下一代游戏引擎是基石

探究“建造”长城背后的秘密——实现数字长城的下一代游戏引擎，其底层由 ECS 系统和 JOB 系统组成，具有高性能的 ECS 数据组织格式和高效的并发事件架构，配合高度灵活的 JOB 系统用于并行渲染、资源串流以及仿真计算。ECS 结构与 Job 系统的结合，可以很好地利用 CPU 的并行能力来处理大量复杂且相互依赖的计算任务，并能很好的支持从 PC 到移动平台的全平台。

首先，在大规模渲染层面，在渲染森林的过程中，一个屏幕可能包含多达25 万树木。为了解决这个问题，自研引擎使用 GPU-Driven 渲染技术，首先实现了 CPU 和 GPU 分层可见性剔除技术，大幅减少绘制数量。同时使GPU Scene 大大减少了 CPU 与 GPU 之间的交互。最后，使用 GPU-Driven的间接绘制和 LOD 优化技术，来将森林渲染成本降低了一个数量级。

其次，在高清渲染层面，CROS 游戏引擎管理了近 2000 套 8K 纹理，为数字长城提供了 370G 的高质量物理材质素材。CROS 游戏引擎利用虚拟纹理技术来支持一个包含所有的 Mipmap 的无限大的虚拟 UV 空间，在有限的显存下能够访问到所有的 370G 纹理，并高效进行换入换出的串流处理。同时，通过将 UDIM 技术与虚拟纹理技术相结合，有效地打通了与大型图像扫描模型的工业化纹理格式的管理、显示和串流。

第三，值得一提的是，在全局光照部分，数字长城项目的 GI 解决方案是一种混合 GI 解决方案，我们称它为 Smart GI。它由屏幕空间 GI、表面GI 和体素 GI 三部分组成。还支持各种光线跟踪方法，如 HiZ 光线跟踪、硬件光线跟踪、SDF 光线跟踪和圆锥跟踪等不同的光追模式。

结语：

凭借轻量级、模块化的特性，腾讯游戏 CROS 新一代游戏引擎成功实现了大规模、全动态、超高清、超真实的自然环境，逼真呈现出数字长城渲染效果。

而在未来超级数字场景、元宇宙、虚拟现实、数字孪生等应用场景下，大规模、全动态、超真实的渲染效果会成为引擎技术面临的主要挑战和瓶颈，也就意味着腾讯游戏 CROS 的游戏引擎有着更多潜力和广泛的应用前景。