深入了解天体物理学
介绍
你好呀。我的名字是凯特 Xagoraris。我是 Deluxe Animation 的 VFX 艺术家。我主要与 Houdini 合作为电影和电视节目制作效果。
之前，我曾参与过电影和节目的制作，例如“坏男孩终生”、“雨伞学院”和“男孩们”。我还喜欢深入研究可视化软件与科学相结合的领域，并运营一个完整的网站来研究视觉效果艺术家如何影响其他行业。如果您想查看它，可以在此处查看。
毋庸置疑，我觉得 VFX 很吸引人，而且我认为作为艺术家，我们可以做的不仅仅是用我们的创造力制作电影。所以我想谈谈我们如何才能更好地将科学融入我们在 Houdini 内部的艺术和模拟中。今天我们来谈谈如何结合天体物理学。
在本文中，我将向您介绍我创建与科学相关的教程和模拟的过程。
通过参考寻找研究对象
选择要模拟的主题或题材说起来容易做起来难。作为一个太空迷，我一直对地球大气层以外的任何事物充满热情。所以研究和阅读 NASA 的文章对我来说并不是什么新鲜事。
最近，我开始了一个教程系列，其中涵盖了宇宙中的实体以及如何在 Houdini 中模仿它们，最近的一个是构建 Cosmic Web。宇宙网是将宇宙连接在一起的暗物质细丝。没有它，宇宙中的所有物质都会飘走，相互拉开。它是宇宙的结构和粘合剂，没有它，绘制宇宙地图将是相当困难的。
这个主题很容易研究，因为有很多关于暗物质及其与光、可见物质和我们相互作用方式的文章，以及来自 NASA 和 ESA（欧洲航天局）的照片和模拟。
了解暗物质如何运作对于天体物理学家来说非常重要，因为宇宙的大小和形状取决于它。宇宙中它的数量是我们宇宙膨胀速度的一个很好的指标，或者宇宙是否正在坍缩或停止移动。更多的它会导致我们的宇宙减缓其膨胀，而更少的则意味着宇宙正在继续增长。
我真的很想看看作为一名艺术家，我是否可以创建一个程序化的网络版本。创建颜色、材料和照明会很容易，但我想知道 NASA 如何处理他们的模型以及他们使用什么作为参考。
挖掘数据集和研究论文
寻找宇宙网的数据集很困难。NASA 和 ESA 并不总是向公众发布他们的完整数据，但或多或少会提供有关他们任何发现的文章摘要。另一方面，CERN 是开源的，他们多年来一直在寻找暗物质粒子。因此，在我前两个最喜欢的网站上挖掘之后，CERN 是我寻找的下一个地方。
附注。作为一个好奇的艺术家，我强烈建议您访问 CERN 的网站，看看他们拥有的所有开源软件。他们的一些软件可以免费下载，您有机会通过编写脚本或捐赠来帮助他们的软件项目。谁知道呢，你可以帮助发现下一个神粒子……
CERN 是欧洲核研究组织。他们还经营着世界上最大的粒子物理实验室。但是经过长时间的搜索，我意识到我以错误的方式接近我的项目。有如此多的函数、方程、变量和随机数可供使用，几乎不可能在没有指导的情况下筛选所有内容。
所以我再一次对如何处理这个项目有点迷茫。然而，我随后偶然发现了两个解决所有问题的项目，它们都围绕着粘液霉菌。
建模霉菌生长和最近路径函数
今年 3 月，美国宇航局发布了一项很有前景的研究，他们的一组研究人员使用粘菌算法来寻找星系之间的最近点，并创建连接宇宙点结构的东西。在他们的模拟中，他们使用了 37,000 个星系的位置。你可以在这里阅读这篇文章。
我发现的另一个来源是一个名为宇宙网背后的网络的网站。您可以在此处查看该站点。在此站点上，您可以探索三种不同的宇宙网模型，其中一种也是依赖于在最近点之间建立连接的模型。他们所说的那种模式，也是他们最有效的一种。
所以现在我知道我必须做什么，建立一个依赖于连接最近路径的模型。
建立网络
创建起始几何体对我来说是最大的问题。这是因为没有人真正知道宇宙的确切形状。有一些不错的模型，但它们尚未得到证实。所以我决定再看看我的参考资料，大多数模拟似乎都包含在盒子里，或者是椭圆形的几何形状。所以对于我的模型，我决定从一个盒子开始。然后是连接我的观点。
幸运的是，Houdini 中有一个工具可以做到这一点。它被称为查找最短路径 SOP，它用于查找一组点之间的最短路径。所以我需要做的就是创建一系列点组，在保留点数的同时对其进行编辑，然后让 Houdini 连接它们。
这种方法效果很好，但是，最大的挑战是使路径看起来结块或分布不均匀。我决定这样做的一种方法是创建两个不同的路径部分。一种看起来会聚集在更少的点周围，更厚，并且有多个起点可以从中生成路径。另一部分将更薄，在其路径中包含更多点，并且仅从一个起点生成。
并非所有的暗物质细丝在宇宙中都相互连接，因此将一些路径彼此分开是很有意义的。
在将这些路径合并在一起后，我能够将它们转换为 VDB 并生成我满意的平滑和块状外观。
渲染、照明和材料
值得庆幸的是，那里有很多模拟和红外图像。看了几张这些图片后，我意识到我的调色板要么是灰度的，要么是紫色的，要么是橙色的，要么是明亮的充满活力的蓝色。
照明也很容易。实际上，可见光不会直接影响或使 The Cosmic Web 可见，因此在我看来，我的场景中不会有任何直射光是有道理的。然而，我们仍然需要正确地渲染图像，我放置了一个环境光。
使用材料是另一个挑战。在查看 The Cosmic Web 的所有当前图像时，它们中的大多数似乎是由基于体积的尘土飞扬的形状组成的。所以我认为最好的做法是使用 Billowy Smoke Shaders 来获得散焦、远距离的体积外观。对于“星星”或点，我使用了发光着色器来帮助它们的形状与其余结构融合。
然后塔达！网络已经制作完成，我需要做的就是渲染它。
结论
这是一个非常有趣的项目。它确实推动了我在 Houdini 中寻找资源和实施程序主义的思维和技能。如果你想建立自己的程序化科学项目，这是一个很好的创建艺术作品的清单：
- 阅读并检查您觉得有趣的主题。
- 查找可以获取数据和参考的图像和来源。
- 问问自己是否可以以更简单的方式构建项目，或者您是否有太多数据需要处理。
- 找到一种方法将您的数据或参考翻译成 Houdini，以及是否有任何 SOP 可以让您的生活更轻松。
- 制作一个凌乱的版本，然后再次通过您的构建来清理您的文件。
- 再看看你的参考资料，想想光是如何影响物体的，它有什么材料。
- 要有耐心。像这样的项目可能需要一段时间。
我希望这篇文章能帮到你，让你更深入地了解与 Houdini 的科学交流。我希望你玩得开心。
