Prędkość Przestrzeniowa Pola Gwiazdowego

Obława punktów poruszających się w kierunku kamery

Scena za efektem prędkości przestrzennej jest prosta do opisania: kilka tysięcy punktów rozłożonych losowo przez długą 3D tunel, każdy z niezależną pozycją i stałą prędkością w kierunku przodu. W każdym ramek współrzędna głębokości każdego gwiazdka (jej odległość od kamery w kierunku widzenia) zmniejsza się o iloczyn prędkości i upłynącego czasu, dokładnie jak chodzenie w stronę ustalonej grupy latarni na mglistej drodze. Brak grawitacji, brak kolizji, między gwiazdami nie ma żadnego interakcji - cała złożoność wizualna efektu pochodzi z tego, jak te proste trójwymiarowe ruchy liniowe zostają spłaszczone na powierzchnię 2D.

demo na żywo · powiązana symulacja● LIVE

Perspektywiczna projektacja: dlaczego krawędzie ruchą się szybciej niż środek

Model pinhole-kamery przypisuje 3D punkt (x, y, z) do punktu na ekranie 2D dzieląc współrzędne bokowe przez głębokość:

screenX = długość_focowy * x / z screenY = długość_focowy * y / z Gdy z zbliża się do zera, to działanie tej operacji jest nieograniczone, więc pozycja projektowana gwiazdy przyspiesza od środka ekranu tym bliższa jest ona kamery - początkowo wolno, gdy jest daleko, a potem szybko do krawędzi ramki przed przejściem. Gwiazda, która zaczyna się prawie prosto przed ośmiami, ma małe x i y na początku, więc nawet jeśli jej z stanie się bardzo małe, pozycja projektowana praktycznie nie zmienia się; gwiazda, która zaczyna się od centrum, ma większe x i y do podzielenia przez coraz mniejsze z, a jej ścieżka jest długotrwała i szybka. To całe geometryczne wyjaśnienie efektu brzmi tak, jakby wydawał się rozprzestrzeniać się wzdłuż promienia z punktu znikania w centrum ekranu.

screenX = focalLength * x / z
screenY = focalLength * y / z

Streaki: zamiana punktu na linię

Jedna pojedyncza rzutowana kropka poruszająca się szybko między ramkami będzie wyglądać, jakby skakowała po ekranie zamiast stworzyć streak. Efekt widocznosci polega na tym, że rysujemy każdy gwiazdchenik nie jako kropkę, ale jako krótką linię od jego pozycji rzutowanej w poprzedniej ramce do jej pozycji rzutowanej w tej chwili, zastępując ją dłuższą linię tym szybciej, jak ona porusza się obecnie - co, połączone z powyższym efektem perspektywy, naturalnie sprawia, że gwiazdy blisko krawędzi rysują długie i szybkie streaki, a gwiazdy w centrum pozostają prawie punktowate, pasując do sposobu, jaką światła headlight blur przechodzą przez okno samochodu podczas jazdy.

Odzyskiwanie puli cząsteczek

Kiedy głębokość gwiazdy przekracza obszar widoczny przez kamerę lub opada poza ostre kąty widzenia (frustum), ta gwiazda musi zniknąć i na jej miejsce powinna pojawić się nowa. Zalokowanie i zwalnianie tysięcy obiektów co sekundę mogłoby naciskować zbieracz śmieci i uniemożliwić utrzymanie stałej klatek. Zamiast tego symulacja utrzymuje stałą wielkości tablicę gwiazd, a gdy jedna z nich wygasnie, po prostu powtarza się na tym samym miejscu nową gwiazdę w losowej pozycji daleko w tunelu - ta sama technika używana jest przez wszystkie systemy cząsteczkowe, od deszczu do pirotechniki i flotek boidów na tej stronie. Dlatego zarówno liczba gwiazd, jak i klatkowy rytmy pozostają stałe niezależnie od czasu, jaki trzymasz się strony.

Jaka jest to blisko relativistości?

Nie bardzo. I warto być szczerymi w tej sprawie. Realne podróżowanie z znaczną częścią prędkości światła powoduje aberrację relativistyczną, podczas której widoczne pozycje gwiazd skupiają się w jasnym pasku przed tobą, a nie rozprzestrzeniają się od środka. Dodatkowo, z silnym przesunięciem barwnym przed tobą i od tyłu wynikającym z efektu Doppla relativistycznego. Wygląd wypukłych strzałek jest metaforą pochwaloną przez lata science fiction, a nie fizycznie dokładnym obrazem tego, jak wyglądałaby podróż bliska prędkości światła - ale podstawowe matematyki projektowania widzenia trójwymiarowego są całkowicie rzeczywiste i są one tym samym, które dowolny silnik 3D używa do umieszczenia czegoś na ekranie.

Często zadawane pytania

Czy efekt pola gwiazdowej tła z wybraną prędkością jest oparty na rzeczywistej fizyce?

Tylko w miarę. Technika renderowania, perspektywna projekcja punktów poruszających się w kierunku kamery, jest dokładna z punktu widzenia optiki. Ale prawdziwe relatywistyczne podróżowanie blisko prędkości światła by skompresowało pole gwiazdowe w kierunku ruchu i przesunęło ich kolory (aberracja relatywna i przesunięcie Dopplera), a nie po prostu zasłoniło je liniami od centrum ekranu. Wygląd tych lini jest konwencją w dziedzinie nauk przytoczeniowych, niż symulacją relatywistycznej specyfiki.

Dlaczego gwiazdy blisko centra ekranu poruszają się wolniej niż gwiazdy nad krawędzią?

Każda gwiazda porusza się w kierunku kamery z taką samą prędkością w 3D, ale perspektywna projekcja mapuje pozycję 3D do punktu na ekranie dzieląc przez głębokość. Gwiazda prawie prostopadła do kierunku ruchu ma niemal nieistotne położenie boczne, więc jej projetowany punkt prawie się nie porusza, nawet gdy zbliża się do kamery, podczas gdy gwiazda na boku szybko przesuwa dużą kątową drogę w polu widzenia i jej projetowana strzałka jest długiej i szybszej.

Dlaczego gwiazda nagle zresetuje się zamiast po prostu zniknąć?

Gdy gwiazda przekroczy kamery, jej głębokość staje się zero lub ujemna i perspektywna projekcja robi się nieprawidłowa lub punkt opuszcza całe pole widzenia. Zamiast go usunąć z pamięci i alokować nowy, symulacja powtarza to samo miejsce cząsteczki przez ponowne pojawienie się w odległości daleko, z nowym losowym położeniem, co jest znacznie tańsze niż ciągła alokacja i zachowuje stałą liczbę gwiazd i szybkość ramek.

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Warp Speed Starfield i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.

▶ Otwórz symulację Warp Speed Starfield

Prędkość Przestrzeniowa Pola Gwiazdowego: Matematyka Poruszania się Gwiazd