四维世界(十):旋转动力学

太空中的贾尼别科夫效应

/// 注:本文虽然大篇幅讨论的虚构四维世界中的虚构的物理规律,但也对纯数学的单位四维2-向量的均匀随机分布规律进行了讨论。

内容概要

  • 四维贾尼别科夫效应
  • 有能量交换的多体旋转系统
  • 角动量的随机分布律
  • 四维刚体的的主轴定理

贾尼别科夫效应

一个前苏联的宇航员在太空中把弄一个T字形零件,他偶然发现让零件漂浮着快速旋转起来,零件的旋转方向却突然时不时在空中翻转,后来就以他的名字(Джанибеков)命名了这个贾尼别科夫效应(Dzhanibekov Effect)。

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四维计算机图形学:旋转篇

这次来看看如何实现最基础的坐标变换——旋转,它是渲染建模动画等一切技术的基石。这篇文章相当于一篇关于旋转的算法综述,虽然不需要读者熟悉计算机图形学,但会对数学水平要求稍微高一些,本文主要是罗列陈述算法,因此内容略显枯燥,若读者仅想学习使用这些工具构建四维交互场景,请关注后续的Tesserxel4D场景开发教程。

一般使用旋量表示N维空间中的旋转。特别地,3维与4维的旋量代数可以用四元数表示

特色内容

  • 三维四元数旋转相关算法
  • “几何代数”与“四元数”版四维旋量算法对比
  • 各种“lookAt”旋转生成算法
  • 四维相机的常见交互控制方式

前置知识

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四维计算机图形学:渲染篇

之前的文章中几乎都覆盖了目前常见的可视化四维方法:截面法、球极投影、等高面或颜色标注第四维、3D照片等,其中3D照片又分线框与体素云等展示法。这些方法想必多数读者也能理解,但如何利用计算机程序去展示它们却是一个不小的挑战。这里先介绍一些最基本的计算机图形学原理,然后深入讲解各种绘制复杂四维物体的方法。读者可以根据自己的知识水平选读。或许我后面可以开一个系列专题,专门讲解怎样一步步自己搭建一个四维图形引擎。

立体照片中的线框渲染与截面渲染,且线框用颜色标注深度,左右画面为裸眼3D

特色内容

  • 三维计算机图形学基础
  • 体素/截面四维图形渲染
    • Shadertoy在线四维路径追踪演示
    • 四面体法/胞腔复形法
    • 体素云渲染方法
  • 线框渲染遮挡剔除算法

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玩Tesserxel(三):火车、飞行模拟器教程


Tesserxel中的四维飞机与四维火车

这篇文章将介绍Tesserxel中的四维一维轨道火车(传统铁路+火车)、二维轨道火车(也叫汽火/火汽车)、无人机四维客机四个示例场景的操控玩耍教程。之前几期介绍的场景都是静止的,我们只是主动操作摄像机换着四维角度以及三维角度观察场景本身或三维照片。这篇文章侧重于怎样驾驶操纵这些四维的交通工具,特别是如何操纵四维客机起降。这几个场景对应的交通工具的设计细节与运行原理已经在之前文章中均有一些介绍,感兴趣的话可以看看:

提示:如果在玩耍过程中觉得左边的示例场景侧栏很碍事可以点击顶部的隐藏侧栏,再设置浏览器进入全屏模式来获得最佳体验。

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四维世界(九):飞行器设计

无人机设计方案迭代
四维客机尾翼设计方案

四维世界中的飞行器结构会是什么样的呢?这篇文章我们将来看看一些关于从四维风扇到无人机再到大型客机的可能设计思路。

重点内容

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神奇的双曲世界

二维双曲空间中行星轨道(庞加莱圆盘模型)

在我多年前的旧文《双曲空间——数学艺术》中介绍了双曲空间这一数学几何概念,不久前《闵氏空间与常曲率空间》也再次提到了它。类似四维空间系列与四维世界系列,本文将讨论双曲空间世界中的一些有意思的物理现象。在这个blog上我花了大量笔墨介绍了一个想象之中的四维世界,同时也介绍了通过非欧几何构造出来的双曲空间的世界p范数世界等,甚至还有反演地球氧化剂还原剂星球等纯脑洞的世界……从这篇文章起专门开一个“奇特世界”系列来介绍一些除四维世界之外的脑洞想象。

由于前面第一篇文章主要在给读者形象展示双曲空间,后一篇文章又着重于将在闵氏空间中的构造方法,都没有系统认识双曲几何,因此我们先补充介绍一些之前没提到的几何性质,然后我们将基于此描述一个想象中的双曲宇宙,探讨里面的力学、天文学……

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玩Tesserxel(二):场景交互介绍

第一次看玩Tesserxel系列的话请先阅读上一篇文章了解Tesserxel四维场景的基本操作方法哦。这篇文章我们将挑几个场景来介绍,本文将依次介绍复杂旋转体、直积形以及四维高速公路场景。超球、球环、环球等基本几何体之前已经介绍很多了,理解了本文更复杂的场景后,那些简单几何体就留给读者去自由探索吧。
四维高速公路场景中的车道划分展示俯视图

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