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曼德博集合能无限放大?纪录已到10的1299次方倍,但你的电脑在10的13次方就会撞墙

源自26位全网作者

15:00

最近不管你打开哪个平台,都很容易刷到这样一种视频:镜头对着一个黑色卡片状图形一路下坠,每当你以为到底了,新的花纹又层层展开。这类内容的主角叫曼德博集合,外号"上帝的指纹",一条视频轻松破百万播放,还有人专门把它做成4K60帧,拿来放松、冥想、助眠。哔哩哔哩

但评论区永远在重复问同一批问题:颜色到底代表什么?这究竟放大了多少倍?电脑是怎么保证精度的?以及——我手机上有没有能玩的?这个公式从 1979 年被发现至今 47 年,仍然没有人能完全理解它生成的图形的每一个细节。知乎今天就替大家把这些问题一次查完:曼德博集合到底能放大到什么程度,自己上手会撞到哪些墙,以及零成本到进阶各档的玩法。

先花30秒,搞懂你在看什么

曼德博集合的生成规则只有一行:对复数c,从z=0开始反复迭代 z→z²+c,如果序列永远不跑飞,c就属于这个集合。画面里黑色的部分就是这些点,彩色部分则是集合外的点,颜色对应"逃逸速度"——越快被确认发散,颜色越靠外侧,越接近黑色边界,迭代次数越多。

所以黑色是本体,彩色是"逃逸倒计时"。这个集合神奇的地方在于:规则简单到极致,边界却复杂到无限——边界上任意一小段放大后都有全新结构,局部和整体似像非像。这正是它被叫作分形的原因。

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"无限放大"在数学上成立,在物理上有三道墙

第一道墙是精度。大多数电脑和手机应用默认用双精度浮点数,有效精度是53个二进制位,折合成十进制大约15到16位有效数字。放大意味着用越来越小的坐标区间去表达细节,放大到10的13次方倍上下时,相邻像素的坐标就开始无法区分,画面不再出现新细节,而是退化成一块块马赛克。有UP主翻译过Pezzza’s Work的分形渲染教程,最后专门演示了双精度在无限放大时撞墙的这一幕。哔哩哔哩

第二道墙是计算量。越往深处,判断一个点"到底发散不发散"所需的迭代次数越多,渲染时间随之暴涨。B站有条转载视频标题就叫出了纪录:1000万亿次迭代。哔哩哔哩

而沉浸式深潜视频的参数更夸张:画面缩放了5e1299倍,代价是5.39亿次迭代级别的运算,成片时长一个半小时,还是4K60帧。哔哩哔哩这些都不是普通电脑能实时跑出来的。

第三道墙是算法,也是破墙的办法。想突破双精度的极限,常规思路是换任意精度算术,但计算量会爆炸式增长。2013年前后,社区里出现了"微扰迭代"的思路:先用高精度算一条参考轨道,之后每个像素只用普通双精度计算它与参考轨道的小偏差——精度够用,速度快,还能丢给显卡并行。今天你能看到的深潜纪录,基本都建立在这套方法之上。即便如此,深潜画面的一帧往往要渲染数小时,一条完整长视频按周甚至按月计。

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想自己动手?先说好消息:门槛很低

不装软件也能玩。浏览器里就有不少实时缩放的曼德博网页,拖两下鼠标就能体验"放大一层新世界"。知乎上盘点"看起来简单、实际极其复杂的数学对象"时,也专门建议先去网页体会一下无限缩放。知乎想装软件,开源的XaoS是老牌选择,一个实时交互式分形缩放程序,鼠标拖着就能无限下潜。哔哩哔哩

按投入从低到高,各档玩法大概是:

  • 零成本网页档:搜"曼德博 在线",实时缩放,随开随玩。

  • 桌面免费档:XaoS实时缩放入门;Mandelbulb 3D把类似思路搬进三维,画面像外星地貌,适合当壁纸制造机。

  • 手机端:应用商店搜"fractal"或"曼德博"有一批缩放类应用,下载前看一眼系统版本要求和内购项目。

  • 认真入坑档:跟着教程自己写一段渲染代码,门槛其实不高;或者上Ultra Fractal这类老牌商业软件、Kalles Fraktaler这类深潜专用工具,从这里开始,烧的主要是渲染时间。

移动端的需求是真存在:深潜视频的评论区里,就有人互相安利iOS上的分形APP,也有人追问安卓版在哪。哔哩哔哩

曼德博集合能无限放大?纪录已到10的1299次方倍,但你的电脑在10的13次方就会撞墙

一句话总结:看,是免费的;在电脑上玩,基本也不花钱;真正贵的是冲纪录那档人的电费和耐心。

为什么盯着一个"没用"的图形,值得?

评论区有个很玄但高频出现的现象:盯久了退出视频,会觉得周围的东西在往回缩;有人说自己小时候发高烧、或者临睡前,见过类似的"无限放大"画面。"无限大又无限小"的错觉加上匀速下坠的镜头,大概就是这类视频格外催眠、也格外让人上头的原因。

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想攒点谈资,可以记住三个数字。谢尔宾斯基三角形的分形维数是log3/log2≈1.585——不正经是1维,也不正经是2维;今年有科普作者干脆跑到海岸线上,向微积分发起挑战,实测海岸线到底多长。哔哩哔哩这背后就是曼德博1967年提出的分形维数思想:海岸线这种近似分形的边界,越精细的尺子量出来越长,英国海岸线的维数约为1.25维。最反直觉的是,数学上已经证明曼德博集合边界的维数等于2——一条"线"的边界,维数和一个平面一样大。

至于前沿还在不在动:公开视频里的最深纪录还在被刷新,迭代规模从几亿一路卷到10的15次方;就在本月,知乎上"为何曼德勃罗分形中最大的一片区域是心脏线围成的"这种硬核问题,还有人认真写证明。知乎这个领域没有过气,它只是藏进了深潜玩家的显卡里。

如果你耐心看到这里,建议就去网页版找个"海马谷"附近的位置,慢慢放大几秒——你就明白为什么有人一玩就是十年。

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