ADR 0022: GPU-Instanzierte VFX-Partikel-Pipeline & @small-world/vfx-extras

Kontext & Problem

Showcase 22 (Akkretionsscheibe um ein supermassives Schwarzes Loch) führte komplexe relativistische Physik und hochdichte Partikelsimulationen ein:

1. Performance-Flaschenhals bei CPU-Objekten: 400 separate Object3D- oder RigidBody-Instanzen mit individuellen Szenengraph-Transformationen und SAT-Kollisionsprüfungen erzeugten 400 Draw Calls und skalierten mit $\mathcal{O}(N^2)$, was Mobilgeräte und schwächere Systeme überlastete.
2. Astrophysikalische Affektoren & Kraftfelder: Plummer-Gravitationspotentiale, tangentiale Wirbelbeschleunigung, harmonische Scheiben-Stabilisierung, thermodynamische Plancksche Strahlungskühlung und Fading-Zonen für gravitative Rotverschiebung sind hochgradig nützlich für VFX, gehören aber nicht in den ultra-schlanken Kernkatalog von @small-world/engine.
3. Universelle Shader-Parität: Post-Processing-Linsenverzerrung (Einstein-Ring, relativistisches Doppler-Beaming, Spaghettisierung) musste dynamisch über Uniforms entkoppelt werden, damit WebGL2 und WebGPU ohne Pipeline-Recompilations identisch rendern.

Entscheidung

1. Erstellung des Ökosystem-Pakets @small-world/vfx-extras (packages/vfx-extras/):

   • Das Paket hängt ausschließlich von @small-world/engine ab und implementiert modulare, allocations-freie Partikel- und Kraftfeldsysteme.
   • Enthält ParticleSystem, ParticleMeshRenderer, AccretionDiskEmitter sowie 10 universelle Affektoren (PointAttractorAffector, VortexAffector, PlanarSpringAffector, ThermalCoolingAffector, FadeOutZoneAffector, TurbulenceAffector, DragAffector, ColorOverLifeAffector, SizeOverLifeAffector, BouncePlaneAffector).

2. GPU-Instanzierungs-Bridge (ParticleMeshRenderer):

   • Synchronisiert kontinuierlich Position, Skalierung und RGBA-Farben der Partikel in die Matrix- und Attribut-Puffer eines InstancedMesh.
   • Tausende Partikel werden in einem einzigen Draw Call gerendert.
   • Unsichtbare oder tote Partikel kollabieren auf Skalierung 0, wodurch keine CPU-Reallocations im Render-Loop entstehen.

3. Kern-Erweiterungen mit universellem Mehrwert:

   • [Color.blackbody()](file:///Users/srottensteiner/PhpstormProjects/small-world/packages/engine/src/core/colors/Color.ts) und [Color.fromTemperature()](file:///Users/srottensteiner/PhpstormProjects/small-world/packages/engine/src/core/colors/Color.ts) wandern in den Kern als allgemeine Farb- und Strahlungs-Utilities.
   • [GravitationalLensingElement](file:///Users/srottensteiner/PhpstormProjects/small-world/packages/engine/src/renderers/post/elements/GravitationalLensingElement.ts) entkoppelt dynamische Linsenparameter (eh, strength, spaghettification, beaming, ringGlow) synchron in GLSL und WGSL (160-Byte-Puffer).
   • [FollowCameraBehavior](file:///Users/srottensteiner/PhpstormProjects/small-world/packages/engine/src/core/behaviors/FollowCameraBehavior.ts) bietet weiche Zielverfolgung über das Behavior-System.

4. Wissenschaftliche & Mathematische Verankerung:

   • Plummer-Potential ($1911$) zur Vermeidung von Polstellen bei $r \to 0$.
   • Plancksche Strahlung & Farbtemperatur nach Tanner Helland ($2012$).
   • Vollständige Erfassung in [REFERENCES.md](file:///Users/srottensteiner/PhpstormProjects/small-world/REFERENCES.md).

Konsequenzen

• Dramatischer Leistungssprung: Simulationen mit tausenden Partikeln laufen stabil bei 60 FPS in einem einzigen Draw Call.
• Volle Renderer-Parität: WebGL2 und WebGPU verhalten sich bei Post-Processing-Effekten und Instanz-Puffern mathematisch und visuell 1:1 identisch.
• Modulare Wiederverwendbarkeit: Entwickler können Partikelsysteme und Affektoren modular zusammenstecken (Feuer, Rauch, Magieeffekte, Raumfahrtsimulationen), ohne den Kern aufzublähen.