黑洞是什么颜色的，如果忧郁是蓝色的

torry

黑的，废话。全文完。
就这么完了吗？当然不是。虽然如何渲染黑洞原先在MSRA的时候是个段子，但我现在就来一步步把它模拟出来，看看如何在图形程序中嵌入一个效果“真实”并且能达到实时性能的黑洞。本文大量参考了Shadertoy上Harha的代码 https://www.shadertoy.com/view/llSGRG。模拟的目标效果是《星际穿越》里的效果http://www.wired.com/2014/10/astrophysics-interstellar-black-hole/。

场景

首先看看没有黑洞的时候，我们的场景设置。今天我们要拿来折腾的就是一个environment map，和一个金属骨头龙。

我们打算做的，就是在骨头龙前面放一个微型黑洞。这里我们不用模型，而是通过一次post process，在GPU上用signed distance field（SDF） + ray marching的方式，把黑洞构造出来。

把它变黑

最简单的，就是在前面放一个黑球。

这样的结果显然不对。生硬而粗糙。球的SDF是

1. [/code] 其中p是中心到测试点的向量，r是半径。所以，黑球可以通过
2. [code]

复制代码

构造出来。其中pos是测试点位置，bh_center是黑洞中心位置，bh_r是黑洞半径。（这里的黑洞半径是预设的常量，没有用史瓦西半径）
空间扭曲

黑洞的强大引力会造成明显的引力透镜效果。看看艺术家画的黑洞，长这个样子：

利用ray marching，我们可以模拟一个从眼睛出发，以固定步长一步步往前走的“射线”。而在每一次往前走的过程中，我们都需要对前进方向做一定的修正，让它像被黑洞吸引一样。这里只用到中学都学过的牛顿引力定律。假设一个“光子”的质量和黑洞的质量，通过
就能计算出黑洞对那个射线的引力。
经过修正后的ray marching后，我们的场景看起来像那么回事了。

黑洞周围的光线被扭曲，就好像经过一个透镜一样看到后面的物体。
吸积盘

白矮星、中子星的周围都有吸积盘，黑洞也得有。这里模拟的是一个以黑洞为中心的圆环结构。这个结构仍然可以用SDF来表示：
[code][/code]对每个点用这个函数算distance，就可以知道该点是否落在吸积盘上。如果是的话，就叠加一个亮点。最后的效果不在只有个球。

需要注意的是，虽然这个圆环是在黑洞”赤道”平面上，但因为光线受到扭曲，看起来就好像黑洞边缘也有一圈。在制作《星际穿越》的时候，这个效果一开始被以为是个bug，但负责物理支持的人算了以后发现，那是正确的。

发光

目前这个效果看起来有点意思了，但还没有电影里的来的突出。主要就是对比度还不够。所以很简单，加上glow就行了。Glow的强度随着离黑洞中心的距离变大而二次方衰减。

有点像了吧。但这个吸积盘显得太光滑了。
加入噪声

给吸积盘加上一个噪声纹理，能更像电影里的效果。噪声纹理的坐标可以根据时间变化，以得到绕黑洞旋转的效果。

对比一下题图里来自《星际穿越》的ray tracing离线渲染。那可是要超过40分钟才能达到的，而我们这里可以超过60FPS。
总结

我们用ray marching代替ray tracing，在实时的情况下模拟出了“基于物理”的黑洞特效。这个特效只是个post process，可以很容易地移植到任何图形程序中。完整代码可以在https://github.com/gongminmin/KlayGE/blob/develop/KlayGE/Samples/media/PostProcessing/BlackHolePP.fxml 找到。
但现在还有个问题。因为黑洞特效是通过全屏post process实现的，不考虑遮挡。所以如果黑洞在物体后面，就会出现错误的效果。

在正在开发的KlayGE 4.10里，将会加入volumatric post process的支持。那时候，post process就不一定是个全屏特效了，可以帮在某个具体物体上，只需要处理局部，并保持场景原有的遮挡效果。这样可以避免出现这个问题，并能大幅度提高性能。

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被题目吸引进来

shichg123

羽泉 叶子

dallor

GTX 960 瞩目

liciying

证明我真的是用GTX 960