135 lines
7.6 KiB
Markdown
135 lines
7.6 KiB
Markdown
# GR 4D ray tracing
|
||
|
||
[English](README.md) | **简体中文**
|
||
|
||
一个以物理正确性为优先的离线时空渲染器。项目旨在通过沿四维时空向过去追踪光线，将双黑洞并合等随时间演化的数值相对论模拟渲染为 4K 视频。
|
||
|
||
[](assets/images/schwarzschild_galactic_center.png)
|
||
|
||
*从半径 100 M 处的相机观察 Schwarzschild 时空中的 2MASS 银心方向星场。点击图片查看完整 4K 图像；[渲染命令见下文](#示例schwarzschild-时空中的银心方向星场)。*
|
||
|
||
恒星以独立的星表点源表示，保留方向、温度和振幅。渲染器将它们映射到相机图像中，处理多像、引力透镜放大和频移，再将保留亚像素位置的点扩散函数（PSF）累积到 HDR 图像。电影中的运动相机由世界线与四标架（tetrad）轨迹描述。
|
||
|
||
单张模式在两个 backend 中都支持独立的位置、指向、坐标速度和 roll。例如
|
||
`--observer-position 1.75 0 0 --observer-velocity -0.5 0 0 --look-ra-deg 0 --look-dec-deg 0`
|
||
表示位于史瓦西视界内、向内运动且朝外看的相机，无需借用电影模式。
|
||
参数语义与完整命令见 [单张相机指南](usage.md#single-frame-camera)。
|
||
|
||
## 当前进展
|
||
|
||
当前实现支持解析 **Minkowski** 与 **Schwarzschild** 时空、单张图像、基于观测者轨迹的图像序列、自适应透镜网格，以及可复用的透镜映射文件。程序主要使用 C 编写，通过 OpenMP 实现 CPU 并行；可选的 HIP 后端用于加速 PSF 累积。
|
||
|
||
[Nmesh](https://github.com/nmeshsource/nmesh) 数值时空后端和双黑洞（BBH）渲染仍在规划中。当前范围为黑洞捕获与远处恒星背景，暂不包含局域物质辐射、吸积盘或等离子体。架构与开发路线参见[设计文档](nr_spacetime_movie_renderer_design.md)。
|
||
|
||
## 编译
|
||
|
||
默认构建需要支持 OpenMP 的 C11 编译器、GNU Make，以及 libpng 开发文件。在仓库根目录运行：
|
||
|
||
```sh
|
||
make -j
|
||
```
|
||
|
||
这会同时生成 `build/Release/minkowski_sky` 和 `build/Release/schwarzschild_sky`。单独编译某个后端、Debug 构建、可选 HDR/FITS 输出、HIP 支持及回归检查，参见 [build.md](build.md)（英文）。
|
||
|
||
## 准备星表
|
||
|
||
渲染器支持**转换为规定 CSV 格式的任意星表**：四列依次为 ICRS 赤经、赤纬（单位均为度）、温度（单位为开尔文）和振幅。使用 `--catalog PATH` 加载单个 CSV 文件。
|
||
|
||
**2MASS 是本项目推荐的巡天星表**，项目提供配套的下载与处理脚本。具体操作参见 [assets/2mass/README.md](assets/2mass/README.md)（英文）。完整下载大约需要**三到四天**，因此建议**优先联系我获取压缩包**。下方示例使用的已处理星表分块应放在 `assets/2mass/processed/all_sky/`。
|
||
|
||
仓库提供的 [assets/sky_grid_5deg.csv](assets/sky_grid_5deg.csv) 是用于几何验证与回归测试的合成恒星网格。无需下载巡天数据，即可通过 `--catalog assets/sky_grid_5deg.csv` 使用，参见下方[测试网格示例](#示例叠加网格的合成测试星表)。
|
||
|
||
## 渲染示例
|
||
|
||
以下示例展示星区、时空和相机设置的几种组合。完成编译并准备好星表后，可以按需调整命令中的视场、观测者位置和渲染参数。可用的控制选项与工作流程参见 [usage.md](usage.md)（英文）。
|
||
|
||
### 示例：平直时空中的夏季大三角
|
||
|
||
这个示例渲染夏季大三角附近的星场：
|
||
|
||
```sh
|
||
mkdir -p output/imgs
|
||
./build/Release/minkowski_sky \
|
||
--all-sky-catalog assets/2mass/processed/all_sky \
|
||
--look-ra-deg 296 --look-dec-deg 27 --fov-deg 72 \
|
||
--width 3840 --height 2160 --exposure 1e12 \
|
||
--output output/imgs/summer_triangle.png
|
||
```
|
||
|
||
[](assets/images/summer_triangle.png)
|
||
|
||
*曝光为 `1e12` 的 4K 参考图像。点击查看完整分辨率。*
|
||
|
||
角度单位为度，`--fov-deg` 表示水平视场角。曝光是可调节的显示倍率。长时间渲染时可使用 `--verbose` 查看进度。
|
||
|
||
### 示例：Schwarzschild 时空中的银心方向星场
|
||
|
||
这个示例将相机放在半径 100 M 处，渲染本页顶部展示的、受到引力透镜作用的银心方向星场：
|
||
|
||
```sh
|
||
mkdir -p output/imgs
|
||
./build/Release/schwarzschild_sky \
|
||
--all-sky-catalog assets/2mass/processed/all_sky \
|
||
--width 3840 --height 2160 \
|
||
--look-ra-deg 262.5 --look-dec-deg -30 --fov-deg 45 \
|
||
--observer-radius 100 --exposure 1e13 \
|
||
--coarse-cell-pixels 16 --refine-max-level 4 --refine-jacobian-min 0.2 \
|
||
--psf-fwhm-pixels 2.7 --psf-moffat-beta 4.5 \
|
||
--psf-relative-tail 1e-8 --psf-min-y 0 --max-cache-psf-flux 1e8 \
|
||
--catalog-load-workers 4 \
|
||
--output output/imgs/schwarzschild_galactic_center.png
|
||
```
|
||
|
||
这里使用参考图像的渲染设置，包括 `--max-cache-psf-flux 1e8` 这一预览近似：它将明亮 PSF 的翼部截断在缓存半径内。[原始 benchmark 记录](benchmarks/2mass_galactic_center_blackhole.md)保留了命令与终端输出；上述命令省略了可选的 HDR 导出。
|
||
|
||
上述 Schwarzschild 示例省略位置，因此按指向与半径推导出朝向黑洞的相机。自适应细分默认关闭，应根据所需图像精度配置。相机控制、图像序列、透镜映射复用、PSF 设置及 HDR 输出参见 [usage.md](usage.md)（英文）。两个可执行文件都可通过 `--help` 查看完整选项。
|
||
|
||
### 示例：紧贴史瓦西视界向外看
|
||
|
||
相机位于 Cartesian Kerr–Schild 坐标 `(2.1, 0, 0)`，紧贴 `r=2M` 的视界外侧
|
||
（`M=1`）。RA=0°、Dec=0° 对应沿 +X 径向向外看；坐标速度为零，表示静态观者，
|
||
而非自由落体相机。这里使用仓库自带的合成测试星表，无需下载巡天数据。
|
||
|
||
```sh
|
||
mkdir -p output/imgs
|
||
./build/Release/schwarzschild_sky \
|
||
--catalog assets/sky_grid_5deg.csv \
|
||
--observer-position 2.1 0 0 \
|
||
--observer-velocity 0 0 0 \
|
||
--look-ra-deg 0 --look-dec-deg 0 \
|
||
--camera-roll-deg 0 \
|
||
--width 3840 --height 2160 --fov-deg 90 \
|
||
--coarse-cell-pixels 16 --refine-max-level 3 \
|
||
--exposure 0.01 \
|
||
--output output/imgs/schwarzschild_near_horizon_outward_R2.1_0.01_refine3.png
|
||
```
|
||
|
||
[](assets/images/schwarzschild_near_horizon_outward_R2.1_0.01_refine3.png)
|
||
|
||
*水平视场角 90°、曝光 `0.01`、最大细分级别 3 的 4K 图像。点击查看完整分辨率。*
|
||
|
||
远方天空集中在朝外方向的有限角域中，多级成像在边缘附近密集堆叠。
|
||
强烈的引力蓝移使 3000 K 和 12000 K 的测试恒星都被推向蓝白色。
|
||
|
||
### 示例：叠加网格的合成测试星表
|
||
|
||
这个示例使用 `assets/sky_grid_5deg.csv` 检查 Schwarzschild 时空中的引力透镜效果与自适应网格细分。`--draw-mesh` 会叠加显示最终的像平面三角网格。
|
||
|
||
```sh
|
||
mkdir -p output/imgs
|
||
./build/Release/schwarzschild_sky \
|
||
--max-cache-psf-flux 1e8 \
|
||
--catalog assets/sky_grid_5deg.csv \
|
||
--refine-max-level 3 --refine-jacobian-min 0.2 \
|
||
--width 3840 --height 2160 \
|
||
--look-ra-deg 0.1 --look-dec-deg 0.1 --fov-deg 45 \
|
||
--coarse-cell-pixels 32 \
|
||
--observer-radius 100 --exposure 0.2 \
|
||
--psf-fwhm-pixels 2.7 --psf-moffat-beta 4.5 --draw-mesh \
|
||
--output output/imgs/schwarzschild_test_grid.png
|
||
```
|
||
|
||
[](assets/images/schwarzschild_test_grid.png)
|
||
|
||
*4K 测试网格参考图像。点击查看完整分辨率。*
|