正在使用3D軟體建模,忽然發現一件事:
「完美的圓形不存在」
若想要做出一個圓,只要邊長數量或者角柱邊數足夠多
就可以模擬出圓形的形狀



現實生活中不存在任何完美的形狀
受限於任何粒子的長度並非無限小,存在離散情形
趨於圓形的形式,是穩定、最低能量的形狀
包括宇宙星球、原子
但是透過電腦的訊號模擬,雖可以模擬出大部分完美的形狀
卻沒辦法「完美模擬出圓形」
圓柱的模擬 Cylinder


因為「完美圓形」的條件是,每個點都精確到與圓心相同距離
電腦訊號不可能模擬出無限多個點,所以必定存在誤差
圓周上的點到點之間,必然存在空隙
起初以為要建模做出完美圓柱,參數改成「Infinity」即可
但是程式運行卡住了,因為此數字無法模擬
可是,只要這個誤差足夠小,小到「讓人無法察覺」就好了
那此時就是微乎其微的小
那就用正多邊形,切成越多邊就越像一個完整的圓!
於是由上圖的一排角柱體(Cylinder)可看出,達到圓形的最低門檻,是「24」邊形
但此時仍然是有明顯的稜角
那再往上呢?如果要再更精細,要切成幾邊形?
正n邊形的n要是多少呢?要到什麼量級?
36、60、360、3600?
100、1000、10000?
到哪個數字以後,人通常就會認為此數「趨近於無限」?!
四個門檻閾值
在深入研究之後,我發現答案(趨近無限)會依隨情境而有不同變化
於是依照不同程度、層次作分級:
開始變成圓形的門檻,是「24」邊形
隔著電腦螢幕觀察,答案會是「360」邊形
若以現實世界正常人的標準,答案會是「1080」邊形
而以生物的理論極限來說,答案會是「21600」邊形
切成36份:每個轉角10度,遠遠看像個圓、有些微鋸齒感
切成60份:每個轉角6度,拉近看仍有明顯齒角
切成360份:非常接近圓形,每邊都是一度,人眼開始看不出來
切成1080份:已經是精密工業使用的等級,能讓99%人看不出來,每個邊0.333度

透過上圖觀看,你會發現100邊形以後,每一個基本上都長一樣了
這是因為隔著電腦螢幕(1920×1080)觀看,每個圓的邊角都被像素化
使得更高、更細緻的差異被壓縮而無法顯示
導致在256~512邊形左右以上,就看不出來任何差異變化
所以才會有「隔著電腦螢幕,答案會是360」的結論
而現實世界中,人的視覺、觸覺等細微的感官,大約能夠察覺到1000邊形
應該說在1000邊形以後,人類就將其視為一個圓了
由於人類只能在同時間處理有限個訊號,此時的訊號已經遠過人腦能認知的數量
對人類而言,就會在腦中擬合成一個真實的圓形
以多數人(99%)的標準來看,答案會是「1080」
其實對人眼受器來說,再更精細一個等級的,是角分(arcminute)
角分 = 將1度分成60等份,也就是 1度÷60 = 1/60度(0.01667°)
所以360*60=21600,總共切分成21600段,得到21600個邊長
最終每一段角度已經可以視作連續、無窮小的存在了
這是人眼極限能分辨的最小角度單位,等同於視覺的1pixel
以生物的理論極限來說,答案會是「21600」


當然還存在比「角分」更細小的單位:
1度(°):1
1角分(′):0.01667° => 1 ÷ 60 => 1/60
1角秒(″):0.00027778° => 1 ÷ 60 ÷ 60 => 1/3600
等於是將一個圓切割成1296000份
但由於角分、角秒,這兩者的角度都非常小
所以沒必要切成1296000 這一百多萬這麼精細的等級
因為這已經接近、甚至超出了人體器官感受的極限
大腦無法解碼,已經失去意義了
1角分是人眼「勉強能夠分辨出兩個點」的最小角度
如果物體視角寬度達2角分,那麼對大多數人來說就很容易分辨了
所以
21600是生物理論上足夠多的無限(超過辨識系統上限,肉眼視為完美)
這讓我意識到
人一日呼吸約21600次(10800吸+10800呼)
而人一輩子大約也就是「21600天(60年)」左右的壽命
所以人的一生對人類來說,感受上也是趨近於無限的日子
而 86400(一整天的秒數) ÷ 4 = 21600
好像人的一生只是「時間整體裡的幾小時」
這個數字讓人感受到「看起來很多但是有限」,卻又有種「足以容納一切」的錯覺
若將一個人壽命比喻作 1/4個日子
那麼四代人可以過完生命中所有體驗,包含爆富、貧窮
開創、繁盛、延續、衰敗等階段,興盛衰亡的人生
當中的每個人只是體驗其中一部分
目前電腦訊號3D建模的模擬,都是用三角形模擬出每一個面(poly)
稱為「三角形面片(Triangle Polygon)」



當然,若從電腦模擬、動畫遊戲的角度考量出發
由於人類目前的工藝技術來說,圓狀的影像處理多數落在256~512個邊
或者取360一整圈的角度,算是足夠好用相對粗糙、但效能超快的等級
(此處粗糙與否用生活、真實體驗評斷,雖然512在遊戲算是頂規等級
但若在現實用肉眼、用手觸摸,而非透過螢幕觀察,終究會有突兀、不真實感)

然而真實世界並不是「由三角形所構成」
電腦訊號 就像用離散的資料,透過微積分的極限逼近方式,模擬於真實世界的離散
終究只能取得近似
(就像π是無窮小數3.1415926535…,只能依照需求取得足夠精確的小數位數)
以絕大多數人而言,無法隔著螢幕區分360、21600的差異
若電腦遊戲使用21600邊形,則是過度且無謂的浪費

360剛好對應一年地球繞太陽轉是365.2422天,將近是完整的一圈角度(360°)
就如同,若不是仔細觀察與體驗
則有點感受不太到每天之間的溫度差異變化(n=365)
但卻能明顯體會四季的變化(n=4)
關於21600與「無限」
可是,若今天換作是「金錢」,只有21600元,會是無限嗎?
很明顯不是
21600元 是21600 * 1元,每一塊錢並非超過認知閾值
人會有無限的感覺
原因是「超過閾值就會被解析成一體」
然後足夠多的「一體」才會是無限
但如果「認知閾值是一疊鈔票(10000元)」
那麼21600 * 10000 = 兩億多元


對人感知上而言,就是無限、財富自由了
因為這是最貼近「人類可體驗的無限」夠大、但仍有限
拆解 60 × 6 × 60 = 21600 = 2⁶ × 3³ × 5² = 64 × 27 × 25 = 300 × 72
總共有84個因數

21600 這個數字 真的是最接近無窮的存在嗎?!
會不會是”42″,一切問題的答案?
還是”-1/12″(1+2+3+4+5+⋯)發散級數的解,才是無窮?
或者要更大數字,中國華人很愛的”一千萬”!
抑或化學常數,1 mole一莫耳(6.02*10^23)
乃至天文數字”Googol” (10^100)
但我認為,21600是完美的數字(雖然不是完全數)
同時也卡在人類認知系統的極限臨界點上
21600就是「極限」嗎?
最後,只要n邊形的n=21600
都能視作圓形嗎?人類就完全無法觀測感覺出來嗎?
當圓半徑超級無敵大的時候
ex:一整顆星球(地球)半徑6400公里
ex:或者我們將一個小圓無窮放大之後
放大每一個邊來看,近距離就能觀察到平面,就會感受到突兀感
可是在太空上,運用肉眼觀察,地球看起來還是一個圓形
這聽起來很不直觀,但這是比例問題
原因是 太空人觀察地球 跟眼睛看手上的球 都是這種圖形

用google maps拉到最遠看地球
就猶如我拿著一顆1m 正21600邊形的圓 用肉眼看
不管是看一顆小球,還是看整個地球
只要與它的觀察視角角度極小(拉得夠遠)
看起來就會是平滑、圓形的
所以半徑越大,從觀察的角度而言就是拿越近看
而當人身處地球,會覺得地球是一個平面
因為局部曲率趨近0


同場加印:球體的模擬 Sphere
對於球體(Sphere)來說,就沒有幾邊、幾角形
而是分成n段體,經線數、緯線數
像地球儀一樣被切分好多條橫軸、縱軸,形成網格狀的點線結構
所以不能叫做稱呼「n角球、n邊球」


因為較少有中文名詞,比較不常見:
分段球(Segmented Sphere)、UV球(UV不是紫外線xd)
U軸(Horizontal axis):水平軸,類似2D圖像的X軸
V軸(Vertical axis):垂直軸方向,類似2D圖像的Y軸
若要形容經線數32、緯線數32的球體:
Sphere 32×32(32×32球體)
Sphere with 32×32 Divisions(32×32 分割球體)
32×32 segmented sphere(32×32 分段球體)
1024-face sphere(1024面球體)


因為我經緯度相同,所以我簡稱他為:n段球
然而球體的模擬,卻比圓形還要更耗費效能、計算量更加龐大
因為經線 × 緯線會交會形成網格
若切成n段,總共會產生(n+1 )× (n+1) 個頂點,遠超圓柱的幾何複雜度
柱體(Cylinder)運算量是 O(n)
球體(Sphere)則是 O(n²)


以軟體模擬而言,球體256段就非常足夠用了(產生65536個頂點)
小弟的電腦本身能跑出1000段球體(產生1000000個頂點),須等待很久
但沒辦法執行21600段的圓形,會直接轉圈圈原地去世


結語
會有這篇文章,是在思考「為什麼一個一個的角度,最終會形成圓形?」
什麼時候從可數,變到「不可數」,那個界線在哪?
何時會從離散變成連續?
這就是人類觀測、感受到的極限,以及在大腦心理認知上的無窮?
因而探討我的感知、正常人的感知、受限於螢幕限制和生物極限
24小時制、360天
巴比倫曆法、占星、度量衡、天文
不得不再次讚嘆古人的智慧,在生活經驗中觀察入微
其他沒結論的
既然電腦訊號模擬不出圓形,那麼現實世界原子、電子是怎麼回事?
難道圓形,可以用正弦波表示??
只要形成完美的駐波 就是原子電子的運動方式(?
還是圓形從來沒存在過,其實只是因為波的頻率、節點數高達21600(甚至遠超過)導致人眼分不出來?甚至也高過儀器閾值(? 所以才會說是圓形?
圓形只是高頻波動穩定的幻覺?!
發佈留言