Ephemeris

측정된 태양계 — Vulkan API로 밑바닥부터 만든 실시간 시뮬레이터

Ephemeris(천체력)는 천체가 시각마다 실제로 어디에 있었는지 기록한 표입니다. 이 프로젝트의 원칙이 그 단어에 담겨 있습니다 — 보기 좋은 그림이 아니라 사실에 맞는 그림을 목표로 합니다.

• 지형 요철은 탐사선이 실제로 측정한 고도 자료(LOLA, MOLA, MESSENGER, Magellan, ETOPO)에서 굽습니다.
• 별하늘은 Gaia가 관측한 실제 별 위치를 쓰고, 개수는 실제 한계등급에 맞춥니다.
• 해왕성은 흔히 알려진 진한 파랑이 아니라 2024년에 정정된 실제 색을 씁니다.
• 소행성대는 실제 궤도 요소 분포와 충돌 파편의 크기 분포를 따릅니다.
• 계속 축소하면 태양계를 벗어나 볼륨 레이마칭으로 그린 우리 은하가 드러납니다. 그 안의 구상성단 157개와 마젤란운은 관측 카탈로그의 실제 위치에 있습니다.

상용 엔진을 쓰지 않고 디바이스 관리, 스왑체인, 렌더 패스까지 직접 구현했습니다.

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화면

지구와 달	일식
지형 요철은 탐사선 실측 고도(달 LOLA, 지구 ETOPO)에서 구운 노말맵입니다. 밤면의 불빛은 Black Marble.	달 뒤로 태양이 완전히 가려진 순간. 그림자는 셰도우 맵이 아니라 광선-구 교차로 풉니다. 텍셀이라는 개념이 없어 본영과 반영의 경계가 아무리 확대해도 계단지지 않습니다.

목성	토성
이오가 목성 앞을 지나며 구름 위에 제 그림자를 떨어뜨립니다. 표면은 Cassini와 Juno 관측 합성본입니다.	고리가 본체에 그림자를 드리웁니다 — 고리 텍스처의 알파를 밀도로 읽어 계산합니다.

계속 축소하면 도달하는 은하 전경입니다. 평면 이미지가 아니라 3차원 밀도장을 레이마칭한 결과라 어느 각도에서 봐도 성립합니다. 원반 위의 작은 고리 표식이 태양 — 은하 중심에서 8.2 kpc 떨어진 자리입니다.

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요구 사양

하드웨어

	최소	권장
GPU VRAM	3 GB	6 GB 이상
GPU	Vulkan 1.2 지원	—
저장 공간	약 4 GB	—
RAM	8 GB	16 GB

저장 공간은 클론에 1.7 GB(작업 트리 0.9 GB + git 히스토리 0.8 GB), Release에서 받는 텍스처에 0.85 GB, 빌드 산출물과 의존성 소스에 1 GB 남짓입니다. 텍스처가 이미 압축된 .dds라 git이 더 줄이지 못합니다. 히스토리가 필요 없다면 git clone --depth 1로 더 아낄 수 있습니다.

VRAM이 이 정도 필요한 이유는 텍스처가 1.6 GiB이기 때문입니다. 지구 디퓨즈가 16384×8192, 목성이 14400×7200이고 대부분 BC 압축되어 있는데도 그렇습니다.

나머지는 렌더 타겟이 차지하며, 설정에 따라 크게 달라집니다:

렌더 해상도	MSAA 8×	MSAA 2×
1280×720	141 MiB	35 MiB
1920×1080	316 MiB	79 MiB
3200×1800 (1600×900 × 렌더 스케일 2)	879 MiB	220 MiB

VRAM이 빠듯하면 Anti-aliasing을 먼저 낮추세요. 이 프로젝트에서는 MSAA가 프레임 시간을 거의 안 먹지만 렌더 타겟은 샘플 수에 정비례해 커집니다.

GPU가 반드시 지원해야 하는 것:

• textureCompressionBC — BC7(색상), BC5(노말맵), BC6H(HDR 하늘). 2012년 이후 데스크톱 GPU라면 전부 됩니다.
• maxImageDimension2D ≥ 16384 — 지구 디퓨즈가 16384×8192입니다. 오래된 내장 그래픽은 8192에서 막히기도 합니다.
• samplerAnisotropy

소프트웨어

OS	Windows (windows.h를 씁니다. 리눅스는 미검증)
컴파일러	C++17 (MSVC로 검증)
CMake	3.15 이상
Vulkan SDK	필수 — 셰이더 컴파일에 glslc가 필요합니다

Vulkan SDK는 실행이 아니라 빌드에 필요합니다. LunarG에서 받아 설치하면 VULKAN_SDK 환경변수가 자동으로 잡힙니다.

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빌드

사전에 준비할 것은 Vulkan SDK 설치 하나입니다. GLFW, GLM, Dear ImGui는 CMake가 알아서 내려받습니다.

git clone https://github.com/Youl-AI/Ephemeris.git
cd Ephemeris

# 1. 대용량 텍스처 받기 (한 번만)
powershell -ExecutionPolicy Bypass -File scripts\fetch_textures.ps1

# 2. 빌드
cmake -S . -B build
cmake --build build --config Release

셰이더도 빌드가 함께 컴파일합니다(glslc → shaders/*.spv). 따로 할 일은 없습니다.

1단계를 건너뛰면 실행할 때 텍스처를 못 찾습니다. 텍스처 대부분은 저장소 안에 있지만, 100 MiB를 넘는 여섯 개는 GitHub이 거부해서 Release에 첨부해 배포합니다(지구 디퓨즈·구름·야간, 목성, 하늘 두 층 — 합계 약 845 MB). 스크립트는 이미 받은 파일은 건너뛰므로 중간에 끊겼으면 다시 실행하면 됩니다.

실행

build\Release\Ephemeris.exe

저장소 루트에서 실행해야 합니다. 실행 파일이 textures/와 shaders/를 상대 경로로 찾습니다. 다른 곳에 두려면 두 폴더를 실행 파일 옆에 함께 복사하세요.

첫 실행에서 텍스처 1.6 GiB를 올리므로 로딩이 좀 걸립니다.

이 과정이 번거롭다면

itch.io에서 zip으로 받으시면 됩니다. 빌드된 실행 파일과 텍스처가 전부 들어 있어서, 압축을 풀고 Ephemeris.exe를 실행하면 끝입니다 — Vulkan SDK 설치도, 텍스처 내려받기도 필요 없습니다. (폴더 구조는 그대로 두세요. 위와 같은 이유로 상대 경로를 씁니다.)

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조작

마우스 드래그	시점 회전
마우스 휠	확대·축소 (더 못 다가가면 시야각이 2°까지 좁아집니다)
마우스 휠 (계속 축소)	우주 줌 — 태양계 밖으로 나가 은하까지 물러납니다 (아래 참조)
천체 클릭	선택 — 정보 패널 표시
천체 더블클릭	그 천체로 카메라 고정
Space	시간 정지 / 재개
우상단 톱니바퀴	설정

설정 항목은 마우스를 올리면 무슨 일을 하는지 설명이 뜹니다.

눈여겨볼 설정 두 가지

Real Scale — 천체를 실제 거리와 크기(1 AU = 500 유닛)로 배치합니다. 태양계는 대부분 비어 있어서 행성이 점이 됩니다. 그 허전함이 사실입니다.

Real Stars — 하늘을 맨눈으로 보이는 대로 바꿉니다. 전천 약 9,100개(6.5등급), 희미한 회색 은하수, 그리고 반짝임 없음. 별의 반짝임은 대기를 통과할 때 생기는 현상이라 진공에서는 별이 미동도 하지 않습니다. 끄면 장노출 사진처럼 별 수백만 개에 밝고 화려한 은하수가 됩니다. Real Scale과는 독립입니다 — 압축된 태양계를 보면서도 진짜 하늘을 볼 수 있습니다.

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우주 줌 — 태양계에서 은하까지

계속 축소하면 태양계가 점으로 접히고 우리 은하 전체가 드러납니다. 끊기는 장면 전환이 아니라 하나의 연속된 카메라 이동이며, 태양계·배경 하늘·은하의 가중치가 진행도 하나 (galacticLerp)에서 파생되어 서로 겹쳐 지나갑니다.

은하는 텍스처가 아닙니다. 3차원 밀도장을 프래그먼트에서 볼륨 레이마칭해 그립니다.

• 원반은 지수 감쇠 × sech² 수직 프로파일, 로그나선 팔, 중심 막대, FBM 노이즈로 이루어진 해석적 밀도장입니다 (src/app/GalaxyModel.hpp).
• 광선이 이 장을 통과하며 발광을 적분하고 먼지에 의한 소광을 곱합니다 (shaders/galaxy_volume.frag). 평면 이미지가 아니라 부피라서 어느 각도에서 봐도 일관되고, 옆에서 보면 실제로 얇은 원반으로 보입니다.
• 밀도 공식은 CPU(C++)와 GPU(GLSL)에 같은 형태로 존재합니다. CPU 쪽은 별 파티클을 그 밀도장에서 rejection 샘플링하는 데 쓰이고, 구조 불변식(팽대부 > 외곽, 팔 > 팔 사이, 먼지는 중앙면에서 최대)을 실행 시 self-test로 검증합니다.

성능은 적응형 레이마칭으로 맞췄습니다. 스텝 개수를 고정하는 대신 스텝 크기를 고정하고 광선 길이에 비례시켜, 원반을 정면으로 보는 시점(광선이 짧음)은 10스텝 남짓만 씁니다. 카메라가 은하 원반을 통과하는 전환 구간에서만 스텝 상한이 올라갑니다.

은하 안의 실제 천체

원반 주변은 절차적 생성이 아니라 관측 카탈로그입니다.

대상	출처	배치 방식
구상성단 157개	Harris(2010) 카탈로그	실측 위치와 광도
대·소마젤란운	실측 적경·적위·거리(49.97 / 62.44 kpc)	크기는 실측 겉보기 각지름에서 유도
태양	—	은하 중심에서 8.2 kpc — "You are here" 표식

Harris 카탈로그의 좌표는 태양 중심 직교좌표이고 축 방향이 이 프로젝트의 은하 프레임과 같아서, 태양 위치만큼 평행이동하면 그대로 앉습니다. 변환이 맞는지는 157개 전부에 대해 카탈로그가 따로 싣고 있는 은하중심 거리와 대조해 확인했습니다(최대 차이 0.25 kpc — 카탈로그가 가정한 R₀ = 8.0 kpc와 이 프로젝트의 8.19 kpc 차이로 설명됩니다).

마젤란운은 은하 반경의 3~4배 밖에 있습니다. 보기 좋으라고 가까이 당기는 대신 줌아웃 범위를 넓혔습니다 — 은하 전경을 지나 더 축소하면 위성은하까지 담기는 시점에 도달합니다.

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저장소 구조

src/
  VulkanBase.hpp   Vulkan 인프라 (인스턴스·디바이스·스왑체인·렌더패스)
  app/             앱 계층 — 초기화, 프레임 루프, 커맨드 버퍼 기록, UI, 파이프라인
                   GalaxyModel.hpp     은하 밀도장 (GPU 셰이더가 같은 공식을 미러)
                   GlobularClusters.hpp Harris 카탈로그 157개 (생성 파일)
                   CosmicZoom.*        태양계 <-> 은하 전환의 단일 기준
  sim/             렌더링과 무관한 순수 계산 — 궤도, 소행성대, 별 카탈로그, 은하 좌표계
  core/            설정 저장, GPU 프로파일러
  gfx/             메시 생성
shaders/      GLSL 원본. 빌드가 .spv로 컴파일한다
data/         별자리 선·이름 CSV
textures/     구워 둔 .dds 자산 (1.5 GB, Release에서 받는다)
scripts/      텍스처 굽는 도구와 스크립트, 카탈로그 변환기, 개발자 모드 실행 배치
assets/       README용 이미지

sim/과 GalaxyModel.hpp는 Vulkan에 의존하지 않는 순수 함수라, 값이 맞는지 실행 시 self-test로 검증합니다(시작할 때 [galframe], [galaxymodel] 같은 줄로 결과를 찍습니다).

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개발자용

성능 계측

scripts\run_dev.bat

SOLAR_PROFILE=1을 주고 실행합니다. 설정 창에 Show GPU Times가 나타나고, 좌하단에 패스별 GPU 시간이 뜹니다. 소행성이 어느 LOD에 몇 개 들어갔는지, 렌더 타겟이 몇 MiB인지도 함께 나옵니다. 일반 실행에서는 항목 자체가 없고 타임스탬프도 찍지 않습니다.

%가 아니라 ms를 보세요. 한 패스의 비중은 그 패스가 느려져서가 아니라 다른 패스가 싸져서 오를 수 있습니다. 실제로 축소해서 소행성을 화면에 가득 채우면 비중이 24%까지 오르지만 절대 시간은 0.69 ms로 낮습니다 — 태양 하나가 그 세 배를 씁니다.

텍스처 다시 굽기

scripts/에 DirectXTex의 texconv.exe와 texassemble.exe가 들어 있습니다(MIT). 런타임에는 필요 없고, 원본에서 .dds를 다시 만들 때만 씁니다. texassemble로 낱장을 큐브맵으로 묶고 texconv로 압축합니다.

색상 텍스처는 scripts/make_bc7.sh로 굽습니다. sRGB 텍스처에는 반드시 -srgbi를 주어야 합니다. texconv는 출력이 _SRGB 포맷이면 입력을 선형으로 가정해 sRGB로 한 번 더 인코딩하는데, JPEG/PNG 바이트는 이미 sRGB라 이중 인코딩이 됩니다(원본 128이 파일에 188로 저장 → GPU가 다시 디코드해 중간톤이 2.3배 밝아짐).

검증할 때는 디코더로 값을 비교하면 안 됩니다. 디코드 경로가 같은 변환을 역으로 걸어 차이를 지워버립니다. 같은 이미지를 BC7_UNORM으로도 굽고 압축된 블록 바이트를 직접 비교해야 합니다.

노말맵은 BC5로 굽고 -dx10을 함께 줍니다. 없으면 texconv가 구식 FourCC(BC5U) 헤더로 저장해 데이터 시작 위치가 148이 아니라 128이 되고, 로더가 파일을 거릅니다.

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텍스처 형식

색상 텍스처는 BC7로 미리 압축한 .dds로 보관합니다. GPU에서 4×4 픽셀 블록을 16바이트로 저장해 VRAM을 정확히 1/4로 줄입니다. 노말맵은 BC5로 굽습니다 — 두 채널만 담고 z는 셰이더가 sqrt(1-x²-y²)로 복원하는데, 맵을 단위 벡터로 구웠으므로 정확합니다.

달만 무압축으로 남겼습니다. 블록 압축 오차가 크레이터 테두리에 몰려(평탄부 0.70° 대 테두리 2.61°) 가장 눈에 띄는 곳을 뭉개기 때문입니다.

아래 표의 출처가 배포하는 원본은 JPEG/PNG이며, 이 저장소에는 변환본만 담습니다.

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라이선스와 출처

소스 코드는 MIT License를 따릅니다.

텍스처 자산은 MIT가 아니며, 각 출처의 라이선스를 따릅니다:

자산	출처	라이선스
별하늘 (skybox_stars.dds, skybox_band.dds)	NASA SVS Deep Star Maps 2020 — Gaia DR2 + Hipparcos-2 + Tycho-2, 별 17억 개	퍼블릭 도메인 (아래 크레딧 필수)
별자리 선·이름 (data/constellations/)	d3-celestial — Olaf Frohn (SOURCE.md 참조)	BSD 2-Clause
구상성단 (src/app/GlobularClusters.hpp)	W. E. Harris, Catalog of Parameters for Milky Way Globular Clusters (McMaster University, 2010 개정) — 157개의 위치·광도. scripts/parse_harris.py로 변환	학술 자료 (인용 시 Harris 1996, AJ 112, 1487)
행성 텍스처 (textures/planets/)	Solar System Scope	CC BY 4.0
목성 (jupiter.dds)	Askaniy Anpilogov / Björn Jónsson — Cassini(2000) + Juno 극지방, 14400×7200	CC BY 3.0
지구 (earth_*.dds, earth_normal.dds)	NASA Blue Marble NG 2004-08, Black Marble 2016, Blue Marble 구름(2001), NOAA ETOPO 2022	퍼블릭 도메인
해왕성 (4k_neptune.jpg)	CelestiaContent	CC BY 3.0
소행성 텍스처 (textures/asteroids/)	3D Asteroid Catalogue	해당 사이트 이용약관 참조
달 텍스처 (8k_moon.jpg)	Solar System Scope	CC BY 4.0
갈릴레이 위성·타이탄 (4k_*.jpg, io_glow.png)	CelestiaContent — 아래 상세	CC BY 3.0 / CC BY 4.0
실측 지형 노말맵 (*_normal.dds, moon_normal.png)	NASA / USGS / NOAA 탐사선 고도 데이터 — 아래 상세	퍼블릭 도메인
실행 파일 아이콘	Space Travel — amonrat rungreangfangsai	Flaticon 무료 라이선스 (저작자 표시 필수)
텍스처 도구 (scripts/texconv.exe, texassemble.exe)	DirectXTex (Microsoft)	MIT

실행 파일 아이콘의 표기 문구입니다:

우주 아이콘 제작자: amonrat rungreangfangsai - Flaticon

별하늘 상세

배경은 NASA SVS의 Deep Star Maps 2020에서 굽습니다. Gaia DR2·Hipparcos-2·Tycho-2의 실측 별 17억 개로 만든 자료입니다.

NASA가 요구하는 크레딧입니다:

NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio. Gaia DR2: ESA/Gaia/DPAC.

Gaia DR2 부분은 ESA의 별도 인용 조건을 따릅니다.

두 층으로 나눠 담습니다 — skybox_stars는 밝은 별(hiptyc), skybox_band는 은하수 확산광과 어두운 별(milkyway)입니다. 하나로 합치면 안 되는 이유가 있습니다. 별 개수를 실제 하늘(전천 9,100개, 대기 없는 우주의 맨눈 한계 6.5등급)에 맞추는 원시값 문턱은 0.261인데, 은하수 띠는 0.044로 텍셀당 6배 어둡습니다. 그래서 하나의 톤 곡선으로는 별 개수를 맞추는 순간 은하수가 사라집니다. 실제로는 둘 다 보이는데, 점광원과 확산광은 눈의 검출 문턱이 다르기 때문입니다 — 띠는 넓어서 눈이 공간적으로 적분해 인지합니다. 픽셀 하나만 보는 함수로는 표현할 수 없는 차이라 층을 가릅니다.

기본 하늘에서는 두 층에 같은 배율을 곱합니다. hiptyc + milkyway = starmap이 성립하므로(포화되지 않은 화소에서 최대 오차 0.000488 = half 반올림 한계) 통합본을 쓰는 것과 결과가 같습니다. Real Stars를 켜면 각 층에 다른 곡선을 걸어 맨눈으로 본 하늘에 맞춥니다.

정거원통도법 16384×8192를 큐브맵 4096² 6면으로 변환합니다(원본의 각해상도 0.02197°/px와 정확히 일치하는 크기). 보간은 란초시4를 씁니다 — 별은 원본에서도 1~2픽셀인 점광원이라, 격자와 어긋난 위치로 리샘플하면 봉우리가 번지며 어두워집니다. 밝은 별 2000개로 잰 봉우리 보존율이 쌍선형 53.3%, 바이큐빅 70.8%, 란초시4 74.6%였습니다. 란초시는 음의 곁잎이 있어 밝은 별 둘레에 음수가 남으므로 0에서 자릅니다.

압축은 BC6H_UF16(HDR 전용 블록 압축)입니다. 이게 없으면 해상도 업그레이드가 성립하지 않습니다 — 4096²×6면을 fp16 무압축으로 올리면 층당 805 MiB인데, BC6H로는 밉맵까지 다 넣고 128 MiB입니다.

위성 텍스처 상세 (CC BY — 저작자 표시 필수)

CelestiaContent의 4096×2048 맵을 이 엔진의 알베도 규약에 맞게 밝기만 조정해 사용했습니다. io_glow.png는 Celestia io.png의 알파 채널(화산 열점 마스크)을 분리한 것입니다.

텍스처	저작자	라이선스
이오, 이오 열점	ItzImcool, AstroChara / NASA·JPL-Caltech·ASI·USGS, SwRI·MSSS·Gerald Eichstädt·Jason Perry·John Rogers	CC BY 4.0
가니메데	Askaniy Anpilogov / NASA·JPL-Caltech·ASI·USGS, Björn Jónsson, SwRI·MSSS·Brian Swift	CC BY 3.0
타이탄	Askaniy Anpilogov, Pedro Garcia, AstroChara / Martonchik & Orton (1994), Karkoschka et al. (2016), Seignovert et al. (2019), NASA·JPL-Caltech·ASI·USGS	CC BY 3.0
유로파, 칼리스토	CelestiaContent 프로젝트 / NASA·JPL-Caltech·USGS	CC BY 3.0

해왕성은 Irwin et al. (2024)이 정정한 실제 색을 따릅니다. 흔히 알려진 진한 파란색은 보이저 2호가 구름 띠를 강조하려 채도를 올린 결과이고, 실제 해왕성은 천왕성과 비슷한 옅은 녹청색입니다.

노말맵 상세

미국 정부 저작물(퍼블릭 도메인)인 탐사선 실측 고도 자료(DEM)에서 직접 구웠습니다.

천체	원본 자료
지구	NOAA ETOPO 2022 전구 지형 30초 (바다는 해수면 높이로 평탄화)
달	LRO LOLA 전구 DEM 118 m
수성	MESSENGER 전구 DEM 665 m
화성	MGS MOLA 전구 DEM
금성	Magellan 전구 지형도 4641 m (고도계 발자국이 10×20 km라 1픽셀 평활화로 격자 잡음 제거)

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