GARGANTUA 超大质量黑洞光线追踪可视化工具 — 在线实时史瓦西黑洞吸积盘渲染器

GARGANTUA 是一个基于 WebGL 的史瓦西度规（Schwarzschild metric）零测地线光线追踪（null-geodesic raytracing）可视化工具。它模拟了超大质量黑洞周围的光线弯曲效应、引力透镜（gravitational lensing）、相对论性吸积盘辐射，以及多普勒频移和引力红移等物理现象。所有渲染在浏览器端通过 GPU 并行计算完成，无需上传数据到服务器。

核心物理模型

本工具采用几何单位制（c = G = 1），以史瓦西半径 RS = 1.0 为基准长度单位。每像素发射一条光子，沿 Schwarzschild 时空中积分零测地线方程，步长根据距中心距离自适应调整：靠近黑洞事件视界处使用更小的积分步长以确保精度。

零测地线数值积分：最多 600 步/像素，支持三档质量等级（Standard 200 / High 320 / Cinematic 460 步）
Novikov-Thorne 吸积盘通量模型：基于 ISCO（最内稳定圆轨道，3 RS）的薄盘辐射分布
黑体谱温度映射 + 相对论多普勒增亮 + 引力红移修正
FBM 噪声驱动的湍流纹理，含切向条纹和暗带结构
程序化银河系背景 + 四层哈希星空分布

交互功能

相机控制

拖拽 — 轨道旋转视角
滚轮/捏合 — 缩放距离
自动轨道 — 持续环绕旋转
电影序列 — Catmull-Rom 样条插值的 8 关键帧闭环飞行路径

预设视角

POSTER 38° — 海报级经典视角
EDGE-ON — 盘面边缘对齐视角，展现最大引力透镜弧
POLAR — 极区俯视，观察吸积盘完整环状结构
CLOSE PASS — 近距离掠过，体验强引力场畸变

可调参数

点击界面右下角的 PARAMS 按钮打开参数面板，可实时调整以下物理和渲染参数：

参数	说明	范围
GEODESIC STEPS	光线追踪积分步数	60–600
DISK INNER EDGE	吸积盘内边缘半径	2.0–4.0 RS
DISK OUTER EDGE	吸积盘外边缘半径	10–80 RS
DOPPLER BOOST	多普勒增亮上限	1.0–3.0
BLOOM STRENGTH/RADIUS/THRESHOLD	辉光后处理参数	0–1.5
VIGNETTE / GRAIN / CA	晕影 / 胶片颗粒 / 色差	0–0.15 / 0–0.01
DEBUG VIEW (0–9)	调试可视化模式	0–9

技术实现

渲染管线采用全屏四边形（fullscreen quad）+ 片元着色器架构，而非传统 Three.js 几何体渲染。主射线着色器执行逐像素的零测地线积分；结果经 UnrealBloomPass 辉光处理后再由合成着色器施加手动 ACES 色调映射、径向色散、晕影和胶片颗粒效果。整个管线运行在 Half Float HDR 渲染目标上以获得最佳动态范围。

Rendering Pipeline:
  [Ray Fragment Shader] → Geodesic Integration → Disk Emission & Background
       ↓
  [RenderPass] → Fullscreen Quad
       ↓
  [UnrealBloomPass] → Bloom (strength/radius/threshold)
       ↓
  [Composite ShaderPass] → ACES ToneMap + CA + Vignette + Grain
       ↓
  Screen Output (HalfFloat HDR RT)

快捷键

1-4预设视角C电影序列R自动轨道P参数面板HHUD 显示

适用场景

天文学教育和科普演示 — 直观理解广义相对论的时空弯曲效应
科幻视觉参考 — 电影《星际穿越》中 GARGANTUA 黑洞的视觉效果复现
WebGL / 着色器编程学习 — 实时光线追踪和后处理管线的完整示例
科学可视化研究 — 探索不同参数下黑洞外观的变化规律