Rendering the Sky

Abstract

The appearance of the sky is defined by the position of the elements we can see in it. With that in mind, it’s interesting to comprehensively understand the procedures needed to accurately compute the position of said elements in the sky, given the latitude, longitude of the observer and the date. Alongside the accurate position of these elements, we can take into consideration the atmospheric scattering and attenuation, as well as taking advantage of our virtual environment to implement non-realistic features that enhance the visualization experience. Two applications, one for desktop and for Android, were developed using multiple free publicly available tools and resources. The 3 most relevant resources are a star catalogue (Nash), giving us the positions of over 140.000 stars, the set of equations presented in Paul Schlyter’s website (Schlyter) which compute the positions of the planets of the Solar System, and the SAMPA algorithm developed by NREL (2012). The latter both computes the position of the Sun and Moon and allows us to translate the position of celestial elements from a geocentric coordinate system to a topocentric one. This thesis mostly focuses on describing how to use these resources to accurately compute the position of and display the stars, planets, Moon and Sun. Besides the accurate positioning of these elements, atmospheric scattering is also taken into account, during the day, which gives our sky its familiar color, as well as atmospheric attenuation, during the night, which color shifts the planets, Moon and stars depending on their position on the sky. For ease of visualiza tion, non-realistic features were added that increase the visibility of usually imperceptible elements, such as increasing the scale of the planets, increasing the brightness of the dimmest stars and overlaying the artwork of the 88 constellations over the night sky.

A aparência do céu é definida pela posição dos elementos que conseguimos ver nele. Com isto em mente, é interessante perceber compreensivamente os processos para calcular a posição desses elementos no céu, dada a latitude e longitude do observador e data. Para além da posição exata destes elementos, podemos ter em consideração a dispersão atmosférica e atenuação, assim como tirar vantagem do nosso ambiente virtual para implementar funcionalidades não realistas que melhoram a experiência de visualiza ção. Duas aplicações, uma para desktop e uma para Android, foram desenvolvidas com o uso de múltiplas ferramentas e recursos disponíveis gratuitamente online. Os 3 recursos mais relevantes são um catálogo de estrelas (Nash), que contém as posições de mais de 140.000 estrelas, as equações apresentadas no website do Paul Schlyter (Schlyter) que calculam a posição dos planetas do Sistema Solar, e o algorimto SAMPA desenvolvido pelo NREL (2012). Este último calcula a posição do Sol e da lua, assim como nos permite fazer a translação da posição de elementos celestiais de um sistema de coordenadas geocên trico para um sistema topocênctrico. Esta dissertação foca-se principalmente em descrever como usar estes recursos para calcular com precisão a localização das estrelas, planetas, Lua e Sol. Para além do posicionamente preciso destes elementos, dispersão atmosférica também é tida em conta, durante o dia, fenómeno que dá ao nosso céu as suas cores, assim como atenuação atmosférica, durante a noite, que al tera as cores dos planetas, Lua e estrelas dependendo da sua posição no céu. Para facilitar a vizualização, funcionalidades não realistas foram adicionadas para aumentar a visibilidade de elementos normalmente impercetíveis, tais como aumentar a escala dos planetas, aumentar a luminosidade das estrelas menos brilhantes e desenhar a arte das 88 constelações sobre o céu.