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Cosmo 相机聚焦算法文档

本文档详细说明了Cosmo项目中两种视图模式下的相机聚焦算法实现。

1. 概述

Cosmo项目包含两种视图模式，每种模式都有独特的相机聚焦算法：

太阳系模式：用于观察太阳系内的天体（行星、卫星、探测器等）
银河系模式：用于观察恒星际空间中的恒星系统和系外行星

两种模式的聚焦算法设计理念不同，以适应各自的尺度和用户体验需求。

2. 太阳系模式（Solar System Mode）

2.1 实现位置

文件: /frontend/src/components/CameraController.tsx

组件: CameraController

2.2 算法原理

太阳系模式采用固定偏移量的聚焦策略，相机位置相对于目标天体有固定的空间偏移。

2.3 核心算法

// 1. 获取目标天体的渲染位置
const renderPos = calculateRenderPosition(focusTarget, allBodies);
const currentTargetPos = new Vector3(renderPos.x, renderPos.z, renderPos.y);

// 2. 计算目标到原点的距离
const pos = focusTarget.positions[0];
const distance = Math.sqrt(pos.x ** 2 + pos.y ** 2 + pos.z ** 2);

// 3. 根据天体类型确定偏移量
let offset: number;
let heightMultiplier = 1;
let sideMultiplier = 1;

if (focusTarget.type === 'planet') {
    offset = 4;
    heightMultiplier = 1.5;
    sideMultiplier = 1;
} else if (focusTarget.type === 'probe') {
    if (parentInfo) {
        // 探测器在行星附近
        offset = 3;
        heightMultiplier = 0.8;
        sideMultiplier = 1.2;
    } else if (distance < 10) {
        // 近距离探测器
        offset = 5;
        heightMultiplier = 0.6;
        sideMultiplier = 1.5;
    } else if (distance > 50) {
        // 远距离探测器
        offset = 4;
        heightMultiplier = 0.8;
        sideMultiplier = 1;
    } else {
        // 中距离探测器
        offset = 6;
        heightMultiplier = 0.8;
        sideMultiplier = 1.2;
    }
} else {
    // 其他天体类型
    offset = 10;
    heightMultiplier = 1;
    sideMultiplier = 1;
}

// 4. 计算相机目标位置（简单的坐标偏移）
targetPosition.current.set(
    currentTargetPos.x + (offset * sideMultiplier),
    currentTargetPos.y + (offset * heightMultiplier),
    currentTargetPos.z + offset
);

2.4 动画实现

使用帧动画进行平滑过渡：

// 使用 easing 函数实现平滑动画
const eased = t < 0.5 ? 2 * t * t : -1 + (4 - 2 * t) * t;

// 线性插值相机位置
camera.position.lerpVectors(startPosition.current, targetPosition.current, eased);

// 相机始终看向目标
camera.lookAt(renderPos.x, renderPos.z, renderPos.y);

2.5 特点

✅ 固定偏移量：相机距离目标的偏移量是预设的常量
✅ 类型感知：不同类型的天体使用不同的偏移参数
✅ 上下文感知：探测器根据其位置（近行星、近太阳、远距离）调整相机距离
✅ 简单直观：适合太阳系内的小尺度观察
✅ 动画平滑：使用ease-in-out缓动函数

2.6 偏移量参数表

天体类型	offset	heightMultiplier	sideMultiplier	相机高度	相机侧向距离	相机深度距离
行星 (planet)	4	1.5	1	6	4	4
探测器-近行星 (probe near planet)	3	0.8	1.2	2.4	3.6	3
探测器-近距离 (probe < 10 AU)	5	0.6	1.5	3	7.5	5
探测器-远距离 (probe > 50 AU)	4	0.8	1	3.2	4	4
探测器-中距离 (probe 10-50 AU)	6	0.8	1.2	4.8	7.2	6
其他天体	10	1	1	10	10	10

计算公式：

相机X = 目标X + offset × sideMultiplier
相机Y = 目标Y + offset × heightMultiplier
相机Z = 目标Z + offset

3. 银河系模式（Galaxy Mode）

3.1 实现位置

文件: /frontend/src/components/GalaxyScene.tsx

组件: CameraAnimator

3.2 算法原理

银河系模式采用向量方向聚焦策略，相机沿着"太阳→目标恒星"的方向向量定位，确保：

目标恒星始终在屏幕正前方
相机在目标的远端（远离太阳的一侧）
距离根据目标的远近动态调整

3.3 核心算法

// 1. 计算目标恒星到太阳的距离
const targetDistanceFromSun = Math.sqrt(x * x + y * y + z * z);

// 2. 动态计算相机拉远距离
const basePullBack = 150;
const pullBackDistance = targetDistanceFromSun < 500
    ? basePullBack
    : basePullBack + (targetDistanceFromSun - 500) * 0.08;

// 3. 计算方向向量（从太阳指向目标恒星，已归一化）
const dirX = x / targetDistanceFromSun;
const dirY = y / targetDistanceFromSun;
const dirZ = z / targetDistanceFromSun;

// 4. 计算相机位置：目标位置 + 方向向量 × 拉远距离
// 相机在目标的"后方"（远离太阳的一侧）
const cameraX = x + dirX * pullBackDistance;
const cameraY = y + dirY * pullBackDistance + 30; // 额外的垂直偏移
const cameraZ = z + dirZ * pullBackDistance;

3.4 图解说明

                                        相机位置
                                           ↓
太阳 (0,0,0) ----方向向量----> 目标恒星 ------拉远距离-----> 📷
     Origin              Target Star (x,y,z)      (x+dirX×d, y+dirY×d+30, z+dirZ×d)


相机看向目标 ←

关键点：

相机位置 = 目标位置 + 方向向量 × pullBackDistance
不是：目标位置 - 方向向量 × pullBackDistance（这会把相机放在太阳和目标之间，导致聚焦错误）

3.5 动画实现

// 使用 easeInOutCubic 缓动函数
const eased = progress < 0.5
    ? 4 * progress * progress * progress
    : 1 - Math.pow(-2 * progress + 2, 3) / 2;

// 插值相机位置
camera.position.x = startPos.x + (cameraX - startPos.x) * eased;
camera.position.y = startPos.y + (cameraY - startPos.y) * eased;
camera.position.z = startPos.z + (cameraZ - startPos.z) * eased;

// 插值 OrbitControls 的目标点
controls.target.x = startTarget.x + (x - startTarget.x) * eased;
controls.target.y = startTarget.y + (y - startTarget.y) * eased;
controls.target.z = startTarget.z + (z - startTarget.z) * eased;
controls.update();

3.6 特点

✅ 方向向量驱动：基于太阳→目标的方向计算相机位置
✅ 动态距离：根据目标距离自动调整拉远距离
✅ 正确定位：相机在目标的远端，确保目标在屏幕正前方
✅ 尺度感知：近距离恒星和远距离恒星有明显的视觉差异
✅ 平滑过渡：同时插值相机位置和OrbitControls的target

3.7 距离计算公式

目标距离 (AU单位)	拉远距离计算	示例
< 500	150 (固定)	比邻星系统 (~130 AU)：拉远150单位
≥ 500	150 + (distance - 500) × 0.08	距离2000 AU的系统：拉远150 + 1500×0.08 = 270单位
≥ 500	150 + (distance - 500) × 0.08	距离5000 AU的系统：拉远150 + 4500×0.08 = 510单位

公式：

pullBackDistance = distance < 500 ? 150 : 150 + (distance - 500) × 0.08

3.8 坐标系说明

在银河系模式中，使用的坐标系统：

X轴：指向银道坐标系的X方向
Y轴：垂直于银道平面（向上为正）
Z轴：指向银道坐标系的Z方向
原点：太阳系（Solar System）
单位：秒差距（Parsec）× 100（渲染缩放）

坐标转换：

// 数据库中的坐标（秒差距）
const db_x = star.position_x; // 单位: pc
const db_y = star.position_y; // 单位: pc
const db_z = star.position_z; // 单位: pc

// 渲染坐标（Three.js场景坐标，SCALE=100）
const render_x = db_x * 100;
const render_y = db_y * 100;
const render_z = db_z * 100;

4. 算法对比

特性	太阳系模式	银河系模式
聚焦策略	固定偏移量	方向向量 + 动态距离
相机定位方式	目标 + 常量偏移	目标 + 方向 × 动态距离
尺度范围	0.1 - 100 AU	100 - 5000+ AU (pc级别)
距离感	偏移量固定，距离感弱	动态调整，距离感强
类型感知	强（根据天体类型调整）	无（所有恒星系统相同策略）
计算复杂度	低（简单加法）	中（向量计算 + 归一化）
缓动函数	ease-in-out (quadratic)	easeInOutCubic
动画时长	由帧率和速度参数决定	固定2.5秒
适用场景	小尺度、多类型天体	大尺度、单一类型（恒星系统）

5. 关键参数调优建议

5.1 太阳系模式

如果需要调整相机距离：

// 在 CameraController.tsx 中修改 offset 值
if (focusTarget.type === 'planet') {
    offset = 4;  // 增大此值会让相机离行星更远
    heightMultiplier = 1.5;  // 增大此值会增加相机的高度
    sideMultiplier = 1;  // 增大此值会增加相机的侧向距离
}

建议：

小天体（卫星、小行星）：offset 2-5
中等天体（行星）：offset 4-8
大天体（木星、土星）：offset 8-15
探测器：offset 3-6

5.2 银河系模式