三體三體[代碼開源]


      假期就這么結束了,不甘心啊!放假前還打算利用這段時間看看高數,學學微積分,想想如何實現精確的三體模擬.結果整個假期里,書都沒有翻一下.罷了,發布下我寫的使用勢能守衡對三體進行近似模擬的代碼,希望能夠拋磚引玉.歡迎大家進來討論,修改,優化.

      空間中三個星體,在萬有引力作用下的運動被稱為三體運動.它的輸入數據是:三個物體的質量,位置和速度.在萬有引力的作用下,三個物體的位置和速度會時時發生變化.需要計算的是它們在某一時刻的位置與速度.

      下面三個GIF動畫圖像為三體的錄屏:

      代碼是C++的,首先要定義一個星體的結構體,包含星體的質量,位置和速度.還有一個"半徑縮放"它與星體的質量有關,只是表示星體的體積,用於圖形的渲染.

struct Body
{
    Vec3 vPosition;     // 位置
    Vec3 vVelocity;     // 速度
    float fWeight;      // 重量
    float fRadiusScale; // 半徑縮放

    Body()
    {
        fWeight = 0.0f;
        fRadiusScale = 0.0f;
    }

    // 計算動能
    float        CalculateKineticEnergy() const
    {
        float sqv = vVelocity.MagnitudeSquared();
        return 0.5f*fWeight*sqv;
    }

    // 設置動能,即通過動能計算速度
    void        SetKineticEnergy(float energy)
    {
        float v = sqrt(2*energy/fWeight);
        float w = vVelocity.Magnitude();
        if (w < FLT_EPSILON)
        {
            vVelocity.x = v;
        }
        else
        {
            vVelocity *= v/w;
        }
    }

    // 設置質量
    void        SetWeight(float weight)
    {
        fWeight = weight;
        fRadiusScale = powf(weight, 1.0f/3.0f);
    }
};

      然后是定義一個三體世界的基類,這是一個抽象接口類.它包含三個星體對象和一個引力系數.如果你有自己的算法,可以繼承該類實現它.

  1 class IThreeBody
  2 {
  3 public:
  4 
  5     IThreeBody()
  6     {
  7         m_fGravitationCoefficient = 100.0f;
  8     }
  9 
 10     // 重置
 11     virtual void        Reset()
 12     {
 13         RandomBody(m_bodyA);
 14         RandomBody(m_bodyB);
 15         RandomBody(m_bodyC);
 16     }
 17 
 18     // 按時更新
 19     virtual void        Update(float deltaTime) = NULL;
 20 
 21     // 引力系數
 22     virtual void        SetGravitationCoefficient(float c)
 23     {
 24         m_fGravitationCoefficient = c;
 25     }
 26 
 27     // 星體A的重量
 28     virtual void        SetBodyAWeight(float weight)
 29     {
 30         m_bodyA.SetWeight(weight);
 31     }
 32 
 33     // 星體B的重量
 34     virtual void        SetBodyBWeight(float weight)
 35     {
 36         m_bodyB.SetWeight(weight);
 37     }
 38 
 39     // 星體C的重量
 40     virtual void        SetBodyCWeight(float weight)
 41     {
 42         m_bodyC.SetWeight(weight);
 43     }
 44 
 45     float               GetGravitationCoefficient() const
 46     {
 47         return m_fGravitationCoefficient;
 48     }
 49 
 50     const Body&         GetBodyA() const
 51     {
 52         return m_bodyA;
 53     }
 54 
 55     const Body&         GetBodyB() const
 56     {
 57         return m_bodyB;
 58     }
 59 
 60     const Body&         GetBodyC() const
 61     {
 62         return m_bodyC;
 63     }
 64 
 65 protected:
 66 
 67     // 重置星體
 68     void        RandomBody(Body& body)
 69     {
 70         body.vPosition.x = rand2(-YD_THREE_BODY_EXTEND, YD_THREE_BODY_EXTEND);
 71         body.vPosition.y = rand2(-YD_THREE_BODY_EXTEND, YD_THREE_BODY_EXTEND);
 72         body.vPosition.z = rand2(-YD_THREE_BODY_EXTEND, YD_THREE_BODY_EXTEND);
 73 
 74         body.vVelocity.x = rand2(-1, 1);
 75         body.vVelocity.y = rand2(-1, 1);
 76         body.vVelocity.z = rand2(-1, 1);
 77         body.vVelocity.Normalize();
 78         body.vVelocity *= rand2(YD_THREE_BODY_VELOCITY*0.1f, YD_THREE_BODY_VELOCITY*0.5f);
 79 
 80         body.fWeight = rand2(1.0f, 8.0f);
 81         body.fRadiusScale = powf(body.fWeight, 1.0f/3.0f);
 82     }
 83 
 84     // 計算某一星體的加速度
 85     void        CalculateBodyAcceleration(const Body& body, const Body& s1, const Body& s2, Vec3& acc)
 86     {
 87         Vec3 v1 = s1.vPosition - body.vPosition;
 88         float sqd1 = v1.MagnitudeSquared();
 89         if (sqd1 < YD_ESP)
 90         {
 91             sqd1 = YD_ESP;
 92         }
 93         float d1 = sqrt(sqd1);
 94         float a1 = m_fGravitationCoefficient*s1.fWeight/sqd1;
 95 
 96         Vec3 v2 = s2.vPosition - body.vPosition;
 97         float sqd2 = v2.MagnitudeSquared();
 98         if (sqd2 < YD_ESP)
 99         {
100             sqd2 = YD_ESP;
101         }
102         float d2 = sqrt(sqd2);
103         float a2 = m_fGravitationCoefficient*s2.fWeight/sqd2;
104 
105         float a1x = a1*v1.x/d1;
106         float a1y = a1*v1.y/d1;
107         float a1z = a1*v1.z/d1;
108 
109         float a2x = a2*v2.x/d2;
110         float a2y = a2*v2.y/d2;
111         float a2z = a2*v2.z/d2;
112 
113         acc.x = a1x + a2x;
114         acc.y = a1y + a2y;
115         acc.z = a1z + a2z;
116     }
117 
118 protected:
119     float m_fGravitationCoefficient; // 引力系數
120 
121     Body m_bodyA;
122     Body m_bodyB;
123     Body m_bodyC;
124 };

      接下來就是使用動能勢能守衡對三體進行近似模擬的代碼,即我實現的三體模擬,定義一個類MyThreeBody它是IThreeBody的子類:

 1 class MyThreeBody : public IThreeBody
 2 {
 3 public:
 4     MyThreeBody()
 5     {
 6         m_fPotentialEnergyAB = 0.0f;
 7         m_fPotentialEnergyBC = 0.0f;
 8         m_fPotentialEnergyAC = 0.0f;
 9         m_fAmountOfEnergy = 0.0f;   
10     }
11 
12     // 重置
13     void        Reset();
14 
15     // 按時更新
16     void        Update(float deltaTime);
17 
18     // 引力系數
19     void        SetGravitationCoefficient(float c);
20 
21     // 星體A的重量
22     void        SetBodyAWeight(float weight);
23 
24     // 星體B的重量
25     void        SetBodyBWeight(float weight);
26 
27     // 星體C的重量
28     void        SetBodyCWeight(float weight);
29 
30 protected:
31 
32     // 更新星體的位置,速度
33     void        UpdateBody(Body& body, float t, const Vec3& acc)
34     {
35         body.vPosition.x = body.vPosition.x + body.vVelocity.x*t + 0.5f*acc.x*t*t;
36         body.vPosition.y = body.vPosition.y + body.vVelocity.y*t + 0.5f*acc.y*t*t;
37         body.vPosition.z = body.vPosition.z + body.vVelocity.z*t + 0.5f*acc.z*t*t;
38 
39         body.vVelocity.x += acc.x*t;
40         body.vVelocity.y += acc.y*t;
41         body.vVelocity.z += acc.z*t;
42     }
43 
44     // 計算勢能
45     void        CalculatePotentialEnergy()
46     {
47         Vec3 vAB = m_bodyA.vPosition - m_bodyB.vPosition;
48         float disAB = vAB.Magnitude();
49         if (disAB < YD_ESP)
50         {
51             disAB = YD_ESP;
52         }
53         m_fPotentialEnergyAB = -m_fGravitationCoefficient*m_bodyA.fWeight*m_bodyB.fWeight/disAB;
54 
55         Vec3 vBC = m_bodyC.vPosition - m_bodyB.vPosition;
56         float disBC = vBC.Magnitude();
57         if (disBC < YD_ESP)
58         {
59             disBC = YD_ESP;
60         }
61         m_fPotentialEnergyBC = -m_fGravitationCoefficient*m_bodyC.fWeight*m_bodyB.fWeight/disBC;
62 
63         Vec3 vAC = m_bodyA.vPosition - m_bodyC.vPosition;
64         float disAC = vAC.Magnitude();
65         if (disAC < YD_ESP)
66         {
67             disAC = YD_ESP;
68         }
69         m_fPotentialEnergyAC = -m_fGravitationCoefficient*m_bodyA.fWeight*m_bodyC.fWeight/disAC;
70     }
71 
72     // 計算總能量
73     void        CalculateAmountOfEnergy()
74     {
75         // 動能
76         float fKineticEnergyA = m_bodyA.CalculateKineticEnergy();
77         float fKineticEnergyB = m_bodyB.CalculateKineticEnergy();
78         float fKineticEnergyC = m_bodyC.CalculateKineticEnergy();
79 
80         // 勢能
81         CalculatePotentialEnergy();
82 
83         // 總能量
84         m_fAmountOfEnergy = (m_fPotentialEnergyAB + m_fPotentialEnergyAC + m_fPotentialEnergyBC) + 
85             fKineticEnergyA + fKineticEnergyB + fKineticEnergyC;
86     }
87 
88 private:
89     float m_fPotentialEnergyAB; // 勢能AB
90     float m_fPotentialEnergyBC; // 勢能BC
91     float m_fPotentialEnergyAC; // 勢能AC
92     float m_fAmountOfEnergy;    // 三體總能量
93 };

     MyThreeBody需要實現一個關鍵的函數Update(float deltaTime),它用於對三體的更新,輸入一個間隔時間,計算出當前三個物體的位置與速度:

 1 void        MyThreeBody::Update(float deltaTime)
 2 {
 3     Vec3 accA, accB, accC;
 4     CalculateBodyAcceleration(m_bodyA, m_bodyB, m_bodyC, accA);
 5     CalculateBodyAcceleration(m_bodyB, m_bodyC, m_bodyA, accB);
 6     CalculateBodyAcceleration(m_bodyC, m_bodyA, m_bodyB, accC);
 7 
 8     UpdateBody(m_bodyA, deltaTime, accA);
 9     UpdateBody(m_bodyB, deltaTime, accB);
10     UpdateBody(m_bodyC, deltaTime, accC);
11 
12     // 動能
13     float fKineticEnergyA = m_bodyA.CalculateKineticEnergy();
14     float fKineticEnergyB = m_bodyB.CalculateKineticEnergy();
15     float fKineticEnergyC = m_bodyC.CalculateKineticEnergy();
16 
17     // 勢能
18     CalculatePotentialEnergy();
19 
20     // 能量守恆
21     float fKineticEnergy = m_fAmountOfEnergy - (m_fPotentialEnergyAB + m_fPotentialEnergyAC + m_fPotentialEnergyBC);
22     if (fKineticEnergy < 0.0f)
23     {
24         fKineticEnergy = 0.0f;
25     }
26 
27     float fKineticEnergy2 = fKineticEnergyA + fKineticEnergyB + fKineticEnergyC;
28     float r = fKineticEnergy/fKineticEnergy2;
29     if (r > YD_ESP)
30     {
31         fKineticEnergyA *= r;
32         fKineticEnergyB *= r;
33         fKineticEnergyC *= r;
34     }
35     else
36     {
37         fKineticEnergyA = 1.0f;
38         fKineticEnergyB = 1.0f;
39         fKineticEnergyC = 1.0f;
40     }
41 
42     m_bodyA.SetKineticEnergy(fKineticEnergyA);
43     m_bodyB.SetKineticEnergy(fKineticEnergyB);
44     m_bodyC.SetKineticEnergy(fKineticEnergyC);
45 }

這里使用了兩個物理定律:

(1)萬有引力定律

這是牛頓發現的:任意兩個質點有通過連心線方向上的力相互吸引。該引力的大小與它們的質量乘積成正比,與它們距離的平方成反比,與兩物體的化學本質或物理狀態以及中介物質無關。

F=G\frac{m_1m_2}{r^2}

其中:

  • F: 兩個物體之間的引力
  • G: 萬有引力常數
  • m1: 物體1的質量
  • m2: 物體2的質量
  • r: 兩個物體之間的距離

依照國際單位制,F的單位為牛頓(N),m1m2的單位為千克(kg),r 的單位為米(m),常數G近似地等於6.67 × 10−11 N m2 kg−2(牛頓米的平方每千克的平方)。當然程序中G不可能設置為這么小的一個數,用戶可以自己設置萬有引力常數,以實現合理的運動.

(2)勢能與動能守恆定律

引力位能或引力勢能是指物體因為大質量物體的萬有引力而具有的位能,其大小與其到大質量的距離有關。

E_p = -\frac{GMm}{r}

其中:

  • G為萬有引力常數
  • M、m分別為兩物體質量
  • r為兩者距離

動能,簡單的說就是指物體因運動而具有的能量。數值上等於(1/2)Mv^2. 動能是能量的一種,它的國際單位制下單位是焦耳(J),簡稱焦。

勢能與動能守恆即在整個運動過程中,其總能量是不變的,即三體的動能與勢能之和為固定值.

若想要對三體進行精確的模擬必需使用微積分,希望有人能繼續下去.

下載地址:

http://files.cnblogs.com/files/WhyEngine/SanTi.7z

代碼開發環境是VS2008.並提供了debug和release兩套測試環境.

如果你打算自己編譯下該工程,還需要下載WHY引擎的庫文件:

http://files.cnblogs.com/files/WhyEngine/WhyLib.7z

如果你對代碼做出了修改,將編譯出的"SanTi.dll"替換下原有的"SanTi.dll"即可測試.

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