2026-summer-project-08-n body visualization-lihaokun-2026

08_nbody/lihaokun-2026/README.md

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+# N 体引力模拟与可视化
+
+## 简介
+
+你是“巡天”深空探测项目的核心算法工程师，负责模拟小行星带、卫星碎片和探测器之间的引力相互作用，以辅助航迹规划和碰撞风险评估。地面控制中心每天需要评估大量不同初始条件下的演化结果，传统 CPU 程序在粒子数量上升后很快无法满足交互式分析需求。
+
+你的任务是开发一个 GPU 加速的 N 体引力模拟器，能够并行计算数千到数十万个天体之间的相互作用，并输出轨迹数据供 Python 可视化。最终，你需要提供一个可以展示星团演化、轨道扰动和局部碰撞风险的动画脚本，帮助工程团队直观理解模拟结果。
+
+## 任务内容
+
+开发 CUDA 程序模拟 N 体引力系统，并输出轨迹点供 Python 可视化。
+
+# N 体引力模拟器（CUDA）
+
+## 实现与文件
+
+- `nbody.cu`：共享内存分块的直接 O(N²) 引力计算，支持半隐式 Euler 和 Leapfrog。
+- `visualize.py`：NumPy 内存映射读取 BIN，提供统一 CLI，所有模式使用 Matplotlib `FuncAnimation`。
+- `raster_animation.py`：CUDA/NumPy 投影和密度图生成，Matplotlib 绘制图像及固定粒子 ID 的连续尾迹。
+- `data/generate_cases.py`：原有双体、星团、太阳系、银河盘尺度 benchmark 的确定性生成器。
+- `data/generate_orbit_demo.py`：独立归一化轨道演示，不改写现有 benchmark。
+- `test_visualization.py`：读取、帧选择、渲染计算、CUDA 对照与动画导出回归。
+- `test_a800_visualization.sh`：复用已有 BIN 进行 A800/CPU 对比，输出日志、视频及截图。
+
+## 编译、模拟与动画
+
+以下在 Linux 的 `08_nbody` 目录执行，使用的是4090的GPU，编译参数使用`-arch=sm_89`
+
+### 环境配置
+
+```bash
+# 首先安装pip依赖包
+pip install -r requirements
+```
+
+```bash
+# 安装ffmpeg
+# 下载预编译包
+curl -fL --retry 3 --connect-timeout 20 \
+    https://johnvansickle.com/ffmpeg/releases/ffmpeg-release-amd64-static.tar.xz \
+    -o "$HOME/.local/opt/nbody-ffmpeg/ffmpeg.tar.xz"
+# 下载成功后解压
+tar -xJf "$HOME/.local/opt/nbody-ffmpeg/ffmpeg.tar.xz" \
+    -C "$HOME/.local/opt/nbody-ffmpeg" \
+    --strip-components=1
+# 让当前终端和 Python 找到这两个程序
+export PATH="$HOME/.local/opt/nbody-ffmpeg:$PATH"
+# 验证ffmpeg软件
+ffmpeg -version
+ffprobe -version
+```
+
+```bash
+# 编译cuda文件 （4090硬件）
+nvcc -O3 -std=c++17 -lineinfo -arch=sm_89 nbody.cu -o nbody
+```
+
+### 验证4096粒子
+
+```bash
+# 生成4096粒子的随机信息
+python3 data/generate_cases.py --case benchmark_4096 \
+--output-dir data/
+# 生成4096粒子的运动轨迹和日志
+./nbody \
+data/benchmark_4096_particles.txt \
+data/benchmark_4096_params.txt \
+results/benchmark_4096.bin \
+results/benchmark_4096.performance.log
+# 验证4096粒子运动符合规律
+python3 verify_trajectory.py results/benchmark_4096.bin --particles data/benchmark_4096_particles.txt --params data/benchmark_4096_params.txt  --sample-particles 16 --report results/verified_4096/benchmark_4096.validation.json
+# 生成4096粒子动画
+python3 visualize.py results/benchmark_4096.bin \
+    --objects data/benchmark_4096_objects.txt \
+    --backend gpu --dimension 3d --layout detail \
+    --fps 25 --trail 160 --trail-particles 32 --z-scale 1 \
+    --record-dt .01 --time-unit Myr --video-encoder cpu \
+    --output results/verified_4096/benchmark_4096_detail.mp4
+```
+
+### 验证65536粒子
+
+```bash
+# 生成65536粒子的随机信息
+python3 data/generate_cases.py --case benchmark_65536 --output-dir data
+
+# 生成65536粒子的运动轨迹和日志
+./nbody \
+    data/benchmark_65536_particles.txt \
+    data/benchmark_65536_params.txt \
+    results/benchmark_65536.bin \
+    results/benchmark_65536.performance.log
+
+# 验证65536粒子运动符合规律
+python3 verify_trajectory.py \
+    results/benchmark_65536.bin \
+    --particles data/benchmark_65536_particles.txt \
+    --params data/benchmark_65536_params.txt \
+    --sample-particles 16 \
+    --report results/verified_65536/benchmark_65536.validation.json
+
+# 生成65536粒子动画
+python3 visualize.py results/benchmark_65536.bin \
+    --objects data/benchmark_65536_objects.txt \
+    --backend gpu --dimension 3d --layout detail \
+    --fps 25 --trail 160 --trail-particles 32 --z-scale 1 \
+    --record-dt .01 --time-unit Myr --video-encoder cpu \
+    --output results/verified_65536/benchmark_4096_detail.mp4
+```
+
+## 单粒子可视化
+
+由于生成的`4096`粒子和`65536`粒子在生成的mp4动画中难以观察到粒子的细致变换，因此，开发了`trajectory_viewer.html`这个可视化的页面，通过导入`4096`粒子和`65536`粒子的二进制的bin文件，即可逐个粒子的观察运动轨迹。
+
+如图所示：
+![alt text](image.png)
+
+导入轨迹bin文件后，可以选择某个编号儿的粒子，例如这里选择了976这个编号的粒子，可以放大选中路径，然后点击播放，观看粒子的运动轨迹。
+
+## 显卡适配
+
+由于本项目主要利用cuda并行编程对粒子进行模型，因此需要进行平台适配的是`nbody.cu`文件
+
+- 在`nbody.maca`文件中完成对沐曦平台的粒子模拟代码适配；
+
+

08_nbody/lihaokun-2026/data/benchmark_4096_manifest.json

@@ -0,0 +1,34 @@
+{
+  "case": "benchmark_4096",
+  "expected_records": 1001,
+  "generator_sha256": "61502a34c493ac39555c37a2507e8721ab7ea5d4a531b89c074ac962984f85b7",
+  "parameters": {
+    "G": "0.1559",
+    "dt": "0.01",
+    "integrator": "leapfrog",
+    "num_steps": "1000",
+    "record_interval": "1",
+    "softening": "1.0"
+  },
+  "particle_count": 4096,
+  "population_counts": {
+    "asteroid": 3432,
+    "black_hole": 1,
+    "neutron_star_white_dwarf": 8,
+    "planet": 614,
+    "star": 41
+  },
+  "python_version": "3.10.20",
+  "seed": 41,
+  "sha256": {
+    "benchmark_4096_objects.txt": "7f4b0616b6b530ff1e47c52f093a7ac73db3bd155cad61c0e7e508cd622f766d",
+    "benchmark_4096_params.txt": "88473f42ac289562503a60a97a68a1182cbccdfd24ccb828913cf12db39f85ec",
+    "benchmark_4096_particles.txt": "c427c98b92b181cd874658302b105eaa566e92b4820ac87f9c1d97a87ff38f62"
+  },
+  "units": {
+    "mass": "Msun",
+    "position": "ly",
+    "time": "Myr",
+    "velocity": "ly/Myr"
+  }
+}