真·降维打击:SIGGRAPH 2020论文帮你想象三维生物眼里的四维空间
机器之心报道
参与：张倩、小舟、蛋酱
【真·降维打击:SIGGRAPH 2020论文帮你想象三维生物眼里的四维空间】四维空间是什么样子？里面的物体如何运动？一篇SIGGRAPH2020论文帮我们“想象”出了这个过程 ， 看完论文 ， 你还可以上手试试游戏 。
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四维空间是什么？三个空间维度加一个时间维度？不 ， 那是四维时空 ， 跟四维空间是两个不同的概念 。
四维空间的第四个维度也是空间维度 ， 和我们熟知的x、y、z属于同一性质 。
作为一个三维世界的生物 ， 人类是很难想象出四维空间的 ， 就像一个困在二维空间里的人无法想象三维空间一样 。
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对于这个二维世界的小人来说 ， 一个三维世界的物体是神秘莫测的 ， 它会时而变换形态 ， 时而消失 ， 因为该物体转换了角度或移动到了第三个维度 。 所以 ， 对于一个没有上帝视角的二维世界小人来说 ， 预测三维物体的移动轨迹、形状变化着实有点困难 ， 因为他只能看到一条条变幻莫测的线 。
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同理 ， 在一个四维空间里 ， 我们就变成了那个可怜的小人 ， 眼前的四维物体似乎和三维物体没什么两样 ， 但当它们在四维空间自由移动、碰撞时 ， 我们也会发现它们时而变换形态 ， 时而消失不见 。
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这种情景我们通常只会想象一下 ， 毕竟在现实生活中是体验不到的 。 但也有人对此兴味盎然 ， 将其搬到了游戏世界中 ， 甚至还凭借游戏的论文中了计算机图形学顶会SIGGRAPH 。
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在这篇论文中 ， 研究者提出了一个适用于任何空间维度的刚体动力学公式 。 用几何代数来描述刚体的状态和运动方程 。 他将碰撞检测算法扩展到维 ， 解析了物体之间的碰撞和接触 。 虽然作者实现的是四维 ， 但该方法可以扩展到任意维度 。 他通过这些四维刚体的三维截面来展示他们 ， 用户可以实时操纵这些物体 。
不同于常见的研究 ， 这篇6页的论文充满了各式各样的几何代数公式 。 在双盲审稿过程中 ， 一位审稿人对该论文的评价是：「异想天开（whimsical）」 。
大部分研究工作都是从2012年开始的 ， 但作者也根据审稿人的建议增加了关于神秘翻转（Dzhanibekoveffect）的部分 。
在此之前 ， 物理模拟一直集中并局限于二维和三维的情况 。 但作者提出 ， 使用所需方程式的恰当公式 ， 就有可能将它们推广到更高维度 。 几何代数提供了一个简单的与维度无关的公式 ， 可以实时操作相互碰撞的n维物体 ， 就好像它们是真实的物体一样 。 这使得这些高维物体不那么抽象 ， 和大多数人对它们的体验形成鲜明对比 。
这篇论文的贡献在于：
1、将基于几何代数的经典三维刚体动力学公式推广到了n维 。 通过将几何代数算子表示为矩阵 ， 以一种简单的方式构建、对角化（diagonalize）、转换任意n维简单网格 ， 无论这个n是多少 。 这样一来 ， 就可以在n维中建立欧拉方程 ， 比如研究四维欧拉方程在无力矩条件下的情况 。
2、计算n维中的碰撞和接触处理过程 ， 包括静摩擦和动摩擦 。 作者给出了Minkowski差分法和基于几何代数的分离轴定理碰撞检测方法的n维公式 。
3、提出了一种类似于我们对现实三维空间体验的四维物体互动方法 。
也许这篇论文最大的意义在于 ， 它为我们提供了一种从侧面了解四维空间的方式 。
基于这篇论文中提到的技术 ， 论文作者MarctenBosch开发了两款游戏 ， 上面动图展示的就是其中一款游戏——「4DToys」 。 这款游戏旨在以三维视角展示四维物体在四维空间里的特性 。 有人表示 ， 该游戏就像在向一位盲人解释颜色的含义 。 目前 ， 该游戏已经在Steam、IOS等平台上线 。
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除此之外 ， 他还打造了另外一款4D游戏「Miegakure」 。 在这个游戏中 ， 一系列平行的3D世界因谜题而串联在一起 ， 玩家可用视角转换的方式触发穿越机制 ， 到达其他的3D场景 。
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在SIGGRAPH2020技术论文专场 ， 作者也将详细介绍4DToys和Miegakure游戏 。 对于Miegakure的老粉来说 ， 论文被大会接收也令他们激动不已：
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还有人表示：「终于等到点书面的资料了 ， 感觉follow这项研究已经有十年了！」
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估计这也是SIGGRAPH2020技术论文计划开展以来 ， 史上第一项介绍独立游戏的研究吧 。
论文地址：https://marctenbosch.com/ndphysics/NDrigidbody.pdf
论文介绍界面：https://marctenbosch.com/news/2020/05/siggraph-2020-technical-paper-n-dimensional-rigid-body-dynamics/
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