Four-Dimensional World (10): Rotational Dynamics

Dzhanibekov effect in space

/// Note: Although this article extensively discusses fictional physical laws in a fictional four-dimensional world, it also discusses the uniform random distribution laws of unit four-dimensional bivectors from a purely mathematical perspective.

Content Overview

  • Four-dimensional Dzhanibekov effect
  • Multi-body rotating systems with energy exchange
  • Random distribution laws of angular momentum
  • Principal axis theorem for four-dimensional rigid bodies

The Dzhanibekov Effect

A Soviet cosmonaut was playing with a T-shaped part in space when he accidentally discovered that when the part was made to float and spin rapidly, its rotation direction would suddenly flip from time to time. This phenomenon was later named the Dzhanibekov Effect after him (Джанибеков).

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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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4D Computer Graphics: Rendering

Previous articles have covered almost all common methods for visualizing 4D: cross-section method, stereographic projection, contour surfaces or color-coding the fourth dimension, 3D photos, etc. Among these, 3D photos are further divided into wireframe and voxel cloud display methods. While most readers can probably understand these methods, implementing them in computer programs is quite a challenge. Here I’ll first introduce some basic computer graphics principles, then delve into various methods for rendering complex 4D objects. Readers can choose sections based on their knowledge level. Perhaps I’ll start a series later specifically explaining how to build a 4D graphics engine step by step.

Wireframe rendering and cross-section rendering in stereoscopic photos, with wireframe color-coded by depth, left and right images for glasses-free 3D

  • 3D Computer Graphics Fundamentals
  • Voxel/Cross-section 4D Graphics Rendering
    • Shadertoy Online 4D Path Tracing Demo
    • Tetrahedron Method/Cell Complex Method
    • Voxel Cloud Rendering Methods
  • Wireframe Rendering Occlusion Culling Algorithm

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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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Four-Dimensional World (IX): Aircraft Design

Drone design iteration schemes
4D airliner tail design scheme

What would aircraft structures look like in a four-dimensional world? In this article, we’ll explore some possible design approaches from 4D fans to drones to large passenger aircraft.

Major Contents

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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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玩Tesserxel(一):视图控制介绍

Tesserxel示例库四维场景截图
谷歌Chrome浏览器终于在113版本(至少我在windows下现在已经能自动更新到该版本了,但我发现113版有时会有物体过一会就消失不渲染的bug,后面的版本已修复)正式开始支持WebGPU了!这就意味着我的Tesserxel四维引擎项目可以直接在最新版的Chrome浏览器上直接运行了。我将开启一个Tesserxel玩耍教程系列,解释Tesserxel示例的场景。
玩Tesserxel首先得知道基本的四维空间概念,然后请阅读《四维世界(四):二维生物视觉》《四维世界(五):体验四维人的视觉与方向感》这两篇介绍四维生物视觉的文章,明白立体照片,截面与四维深度等概念。文章中的交互四维场景除了用的是上一代WebGl写的引擎,本质与Tesserxel的交互方式区别不大,只是快捷键略有调整,所以如果之前有玩过一些四维场景,上手Tesserxel是零难度的。注意,要想直观领略抽象的四维空间,除了要一块稍微好点的显卡,还需要尽可能多调动感官交互,因此Tesserxel没有考虑适配手机操作。由于很多操作与原来老引擎相同,这里就不再赘述摄像机移动旋转与简单的方向辨识了,这篇文章重点介绍三维体素照片渲染设置相关的操作,并罗列出常见相机控制方法。

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