重返星际穿越，国外大神用虚幻引擎打造了一个黑洞，他怎么做的？

被遗忘的人

从史蒂芬霍金《时间简史》《甲壳中的宇宙》的理性，再到《星际穿越》的宏大、浪漫，黑洞作为一种客观的存在和主观的意象，其实一直承载着一部分我们这些不会飞的人类对太空或兴奋或恐惧的情绪和思想。
对于黑洞，可能大部分人最近的印象还停留在三年前，由全球多国科研人员合作在“事件视界望远镜”项目官网发布的那张“人类史上首张黑洞照片”。虽然对于普通人而言，这张照片更多的只是社交网络上的一场狂欢，但它也的确为人们揭开了浩瀚宇宙神秘面纱的一角。

近日，前索尼圣莫妮卡工作室首席技术美术师、现任Gearbox工作室技术美术研发总监Ryan Smith在推特上公布了自己耗时一年半的项目，一个用虚幻引擎制作的“黑洞”。借助虚幻引擎里的新粒子系统Niagara，以及爱因斯坦引力场方程，Ryan Smith的这个黑洞，实现了基本的“物理正确（physically correct）”。

引力透镜效应
虽然这一黑洞形象与很多文艺作品中的黑洞并没有太大的差别，在视觉上，甚至不如Wallpaper Engine上常年占据热门榜、也就是《星际穿越》里的卡冈图雅黑洞壁纸讨喜，但即便游戏引擎更新换代、游戏画面一次次升级，这样一个物理正确地模拟黑洞却也并不算简单。
以最为知名的模拟黑洞，卡冈图雅黑洞为例，由于早年间技术限制以及IMAX大荧幕的特殊需求，负责该视觉效果的幕后团队Double Negative Visual Effects甚至在2015年还通过英国物理学会出版社IOP Publishing发表了相关的论文，记录通过利用天体物理学，处理这一黑洞场景的过程。

无论是爱因斯坦的广义相对论还是牛顿物理学都告诉我们，当光线靠近一个大质量的天体，比如黑洞时，有趣的事情就会发生，传统意义上笔直的光线会在引力的作用下发生弯曲，甚至不止一次，这就是所谓的引力透镜效应，这也是模拟黑洞中最重要的一环。
但在游戏引擎中，渲染管线中默认光线都是呈直线传播的，所有的光照效果、包括漫反射、镜面反射等，除非特殊需求，默认并不会考虑到这种大引力场带来的光线的扭曲效果。这也是为什么在很多太空游戏中，你不会观察到引力透镜效应。一方面，出于优化的原因，太空的远景往往会采用贴图，另一方面，除非演出需要，普通玩家也不会追究这方面的错误。
不过引力透镜效应其实并不难做到，通过特殊的光线追踪算法“Ray Marching”，辅以已经有大量开发者公开的粒子运动方程，就可以基本实现引力透镜效应的模拟。事实上，早在2020年10月，Ryan Smith就已经完成了这一部分，并分享了自己的成果。
但当时的成果其实还远没有达到“物理正确”地模拟黑洞的程度。对于黑洞，很多人可能更印象深刻的不是“事件视界”，而是围绕着黑洞旋转、发热的吸积盘（Accretion Disk）。而吸积盘的模拟，也并不比黑洞简单。
依然有缺憾的模拟
首先就是吸积盘上星际尘埃不规则的运动、碰撞的模拟。在虚幻引擎5上，Epic为Niagara加入了实时流体模拟的插件，但这毕竟是刚刚正式发布的引擎，在今年2月，Ryan Smith选择了自己从头开始做一个2D流体的解算器，并用烟雾作为演示。

并在演示后的十天内，将自己做的流体解算器投入到了自己的黑洞项目中。

只不过此时的吸积盘依然处于Demo阶段，在后续的研发中，Ryan Smith还对这一部分作出了各种升级，比如加入了可调节的指数级高度雾等，增添吸积盘的美感，并在将引力透视的方程从牛顿的方程改为了爱因斯坦后，将吸积盘和黑洞集成为了一个整体。
在最终成果公布时，Ryan Smith坦承地表示，吸积盘才是该项目自己最关注的一部分，“我最终学习了如何编写流体解算器，我不想要一个只是在事件视界周围扭曲的静态纹理。我想要一些充满动力、充满活力的东西。”

但即便是Ryan Smith最关注的一部分，在大佬的最终成品，也就是文章开始的第一张动图中，吸积盘也存在着一部分为了画面和艺术性，作出取舍的方面，那就是忽略了光波的多普勒效应。《星际穿越》也出现了类似为视觉效果而妥协的现象。
所谓多普勒效应，指的就是光波远离我们而去，则光的谱线就向红光方向移动，称为红移；如果光波朝向我们运动，光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移。这一效应在黑洞中最明显的反应就是黑洞的吸积盘会出现明显的一边明亮、一边相对暗淡的现象，正如黑洞照片中显示的那样。
NASA也曾用超级计算机模拟过黑洞的吸积盘，具体的长相如下动图：

改变了游戏规则
不过尽管Ryan Smith最终的“物理正确”黑洞算不上十全十美，大佬对虚幻引擎以及Niagara VFX作出了极高的评价。
“Niagara允许我使用各种时髦的方式弯曲光线”、“虚幻引擎上的Niagara改变了游戏规则。它让我可以很好地控制模拟中涉及的几乎所有内容。”
对于Ryan Smith的作品，网友也给予了相当高的评价，虚幻引擎的技术美术Asher Zhu表示，这是“科学与风格的完美平衡”。
当然也有网友表示，“这是我这一辈子看过的最可怕的东西了”，也算是从另一个角度印证了作品的优秀。
自从虚幻引擎五公布以来，凭借着惊人的演示，就已经吸引了不少游戏行业内的目光。即便在引擎公布初期，部分媒体和网友对于虚幻引擎5是否能在游戏行业大展拳脚还抱有质疑的态度，毕竟国外很多大厂都有自己的自研引擎，而国内很多游戏公司连虚幻4都难以上手，而前不久发布会上一众公司的站台，可以说是对这种质疑最好的回应。
但虚幻引擎在影视行业、视效领域的利用却并没有太多的讨论，毕竟影视行业已经相当成熟，包括Houdini等在表现上也要优于早期的Niagara以及Cascade，但如果使用门槛更低的Niagara，在效率和效果上能够满足下一代《星际穿越》IMAX版本“黑洞”的要求，对于影视行业，特别是国内技术储备有限的影视行业而言，带来的变化同样是冲击性的。
首先是在行业格局上，虽然包括迪士尼在内，很多海外的影视公司都是内容技术两手抓，但一部分没有自身技术储备、项目全靠外包的公司未来可能就会在行业中落于下风、同样地，一些特效外包出身、甚至是掌握专业技能的团队，反而有机会利用自己的实力和趁手的工具，制作出堪比专业团队的产品，这也算是专业内容制作门槛的一次降低。
其次就是人才流通，国内影视行业和游戏行业抢人也不是一天两天了，对游戏引擎最了解，技术储备最深厚的人才大部分都在游戏行业，在原本游戏公司的待遇普遍更加丰厚的基础上，影视行业想要挖人就更难了。国内影视行业中腰部及以下存在技术短板的企业，在技术上的缺陷恐怕也会被进一步放大。
最后就是产品，游戏作为一种大众消费品，虽然目前占主要地位的手游在画面上，距离端游和主机游戏还有进步的空间，但游戏行业整体其实也在无意间逐渐拔高玩家和观众对视觉效果的要求，未来观众眼中所谓的五毛特效，可能要比现在某些大片的效果都要好，这也无疑提高了市场对影视企业的技术需求。
毕竟全球有多少影视公司，能够做出前不久《黑客帝国觉醒：虚幻引擎5体验》同水平的CG效果呢。

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黑洞不是这样的，这种黑洞只是美化后的，实际的黑洞不明显的，或者说是极其是恐怖。真正的黑洞形态类似一颗发亮的恒星，因为黑洞的外围表面包裹着正在吸收当中的一层光和岩浆，根本无法发觉是黑洞，这是黑洞的伪装外壳。黑洞如同病毒一般，就是这样混进星系内部，当他靠近行星或者恒星后，开始露出本来面目，直接开始吸收掉面前的行星和恒星。

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