(* |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| *)
(* > raytracing.yukterez.net | 11.05.2018 | 6C | Kerr Newman Metrik | Simon Tyran, Vienna *)
(* |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| *)
 
ClearAll["Global`*"]

kernels = 6;
split   = 4;

LaunchKernels[kernels]
Needs["CCompilerDriver`"]

ct = "C";
wp = MachinePrecision;
 
(* |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| *)
(* 1) Startbedingungen und Position des Beobachters ||||||||||||||||||||||||||||||||||||| *)
(* |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| *)

r0   = 4;                                             (* Radialkoordinate des Beobachters *)
θ0   = π/2;                                                                (* Breitengrad *)
φ0   = 0;                                                                   (* Längengrad *)

R0   = 400;                              (* Radius des umspannenden Kugelschalenpanoramas *)
tmax =-4/3 R0;                                          (* zeitlicher Integrationsbereich *)

a    = 0.5;                                                              (* Spinparameter *)
℧    = 0.5;                                     (* spezifische Ladung des schwarzen Lochs *)
v0   = 1;                                                  (* Geschwindigkeit des Photons *)

vr   = 0.1;                                    (* Radiale Geschwindigkeit des Beobachters *)
vθ   = 0.2;                                     (* Polare Geschwindigkeit des Beobachters *)
vφ   = 0.3;   (* Azimutale Geschwindigkeit des Beobachters: 0 für ZAMO, -й0 für stationär *)
 
(* |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| *)
(* 2) Metrische Koeffizienten und Formeln ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| *)
(* |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| *)
 
Σ = r0^2+a^2 Cos[θ0]^2;
Δ = r0^2-2 r0+a^2+℧^2;
Χ = (r0^2+a^2)^2-a^2 Sin[θ0]^2 Δ;
μ = 0;
 
gtt = (2r0-℧^2)/Σ-1;
grr = Σ/Δ;
gθθ = Σ;
gφφ = Χ/Σ Sin[θ0]^2;
gtφ =-a (2r0-℧^2) Sin[θ0]^2/Σ;
 
θi  =-θ0+π;
rA  = 1+Sqrt[1-a^2-℧^2];
й0  = (a (2 r0-℧^2) Sin[θ0] Sqrt[((a^2+r0^2)^2-a^2 (a^2-2 r0+r0^2+℧^2) Sin[θ0]^2)/((a^2-2 r0+r0^2+℧^2) (r0^2+a^2 Cos[θ0]^2))])/((r0^2+a^2 Cos[θ0]^2) Sqrt[((a^2+r0^2)^2-a^2 (a^2-2 r0+r0^2+℧^2) Sin[θ0]^2)/(r0^2+a^2 Cos[θ0]^2)]);

U={-vr, -vθ, -vφ};
γ=1/Sqrt[1-Norm[U]^2];
 
(* |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| *)
(* 3) Rotationsmatrix für die auf der Sichtebene eintreffenden Strahlen ||||||||||||||||| *)
(* |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| *)
 
Xyz[{x_, y_, z_}, α_] := {x Cos[α]-y Sin[α], x Sin[α]+y Cos[α], z};
xYz[{x_, y_, z_}, β_] := {x Cos[β]+z Sin[β], y, z Cos[β]-x Sin[β]};
xyZ[{x_, y_, z_}, ψ_] := {x, y Cos[ψ]-z Sin[ψ], y Sin[ψ]+z Cos[ψ]};
 
(* |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| *)
(* 4) Raytracing Funktionscontainer ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| *)
(* |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| *)
 
raytracer = Compile[{{Ф, _Real}, {ϑ, _Real}},
 
Quiet[Module[{V, W, vw, tMax, vr0i, vθ0i, vφ0i, vr0n, vθ0n, vφ0n, vr0a, vθia, vφ0a, vt0a, DGL, sol, ε, Lz, pθi, pr0, Q, k, t10, r10, Θ10, Φ10, т0, R1, t, r, θ, φ, τ, plunge, X, Y, Z, rt, θt, φt, т, ξ, stepsize, laststep, mta},
 
vw=xyZ[Xyz[{0, 1, 0}, ϑ], Ф+π/2];
                                 (* Übersetzung des Einfallswinkels in den lokalen Tetrad *)
vr0a = vw[[3]] Sqrt[grr];
vφ0a = vw[[2]] Sqrt[gφφ]/r0 Sin[θi];
vθia = vw[[1]] Sqrt[gθθ]/r0;
                                                                                (* Betrag *)
vt0a = Sqrt[vr0a^2+vφ0a^2+vθia^2];
                                                                            (* Normierung *)
vr0n = vr0a/vt0a;
vφ0n = vφ0a/vt0a;
vθ0n = vθia/vt0a;
                                              (* Relativistische Geschwindigkeitsaddition *)
V={vr0n, vθ0n, vφ0n};
W=(U+V+γ/(1+γ)(U\[Cross](U\[Cross]V)))/(1+U.V);
                                                                            (* Aberration *)
vr0i = W[[1]];
vθ0i = W[[2]];
vφ0i = W[[3]];
                                                                      (* Integrationsende *)
mta={"EventLocator", "Event"->If[(r[τ]==1.01rA || r[τ] == R0+1.0) == True, 0, 1]};
 
DGL = {                                               (* Kerr Newman Bewegungsgleichungen *)
 
t''[τ]==(4 (((a^2+a^2 Cos[2 θ[τ]]+2 (℧^2-r[τ]) r[τ]) (a^2+r[τ]^2) r'[τ] t'[τ])/(a^2+℧^2-2 r[τ]+r[τ]^2)+a^2 (-℧^2+2 r[τ]) Sin[2 θ[τ]] t'[τ] θ'[τ]-(1/(a^2+℧^2-2 r[τ]+r[τ]^2))a (a^4+4 ℧^2 r[τ]^3-6 r[τ]^4-3 a^2 r[τ] (-℧^2+r[τ])+a^2 Cos[2 θ[τ]] (a^2+(℧^2-r[τ]) r[τ])) Sin[θ[τ]]^2 r'[τ] φ'[τ]-2 a^3 Cos[θ[τ]] (-℧^2+2 r[τ]) Sin[θ[τ]]^3 θ'[τ] φ'[τ]))/(a^2+a^2 Cos[2 θ[τ]]+2 r[τ]^2)^2,
 
t'[0]==-((a (2 r0-℧^2) Sin[θi]^2 (vφ0i (-2 r0+r0^2+a^2 Cos[θi]^2) Csc[θi] Sqrt[((a^2+r0^2)^2-a^2 (a^2-2 r0+r0^2+℧^2) Sin[θi]^2)/(r0^2+a^2 Cos[θi]^2)]+a (2 r0-℧^2) (Sqrt[((a^2-2 r0+r0^2+℧^2) (r0^2+a^2 Cos[θi]^2))/((a^2+r0^2)^2-a^2 (a^2-2 r0+r0^2+℧^2) Sin[θi]^2)]+(a vφ0i (2 r0-℧^2) Sin[θi] Sqrt[((a^2+r0^2)^2-a^2 (a^2-2 r0+r0^2+℧^2) Sin[θi]^2)/(r0^2+a^2 Cos[θi]^2)])/((a^2+r0^2)^2-a^2 (a^2-2 r0+r0^2+℧^2) Sin[θi]^2))))/((a^2-2 r0+r0^2+℧^2) (r0^2+a^2 Cos[θi]^2) (-2 r0+r0^2+℧^2+a^2 Cos[θi]^2)))+\[Sqrt](((vr0i^2 (a^2-2 r0+r0^2+℧^2)+vθ0i^2 (a^2-2 r0+r0^2+℧^2)) (r0^2+a^2 Cos[θi]^2) (-2 r0+r0^2+℧^2+a^2 Cos[θi]^2)+(a^2 (-2 r0+℧^2)^2 Sin[θi]^4 (vφ0i (-2 r0+r0^2+a^2 Cos[θi]^2) Csc[θi] Sqrt[((a^2+r0^2)^2-a^2 (a^2-2 r0+r0^2+℧^2) Sin[θi]^2)/(r0^2+a^2 Cos[θi]^2)]+a (2 r0-℧^2) (Sqrt[((a^2-2 r0+r0^2+℧^2) (r0^2+a^2 Cos[θi]^2))/((a^2+r0^2)^2-a^2 (a^2-2 r0+r0^2+℧^2) Sin[θi]^2)]+(a vφ0i (2 r0-℧^2) Sin[θi] Sqrt[((a^2+r0^2)^2-a^2 (a^2-2 r0+r0^2+℧^2) Sin[θi]^2)/(r0^2+a^2 Cos[θi]^2)])/((a^2+r0^2)^2-a^2 (a^2-2 r0+r0^2+℧^2) Sin[θi]^2)))^2)/((a^2-2 r0+r0^2+℧^2) (r0^2+a^2 Cos[θi]^2)^2)-((2 r0-r0^2-℧^2-a^2 Cos[θi]^2) Sin[θi]^2 ((a^2+r0^2)^2-a^2 (a^2-2 r0+r0^2+℧^2) Sin[θi]^2) (vφ0i (-2 r0+r0^2+a^2 Cos[θi]^2) Csc[θi] Sqrt[((a^2+r0^2)^2-a^2 (a^2-2 r0+r0^2+℧^2) Sin[θi]^2)/(r0^2+a^2 Cos[θi]^2)]+a (2 r0-℧^2) (Sqrt[((a^2-2 r0+r0^2+℧^2) (r0^2+a^2 Cos[θi]^2))/((a^2+r0^2)^2-a^2 (a^2-2 r0+r0^2+℧^2) Sin[θi]^2)]+(a vφ0i (2 r0-℧^2) Sin[θi] Sqrt[((a^2+r0^2)^2-a^2 (a^2-2 r0+r0^2+℧^2) Sin[θi]^2)/(r0^2+a^2 Cos[θi]^2)])/((a^2+r0^2)^2-a^2 (a^2-2 r0+r0^2+℧^2) Sin[θi]^2)))^2)/((a^2-2 r0+r0^2+℧^2) (r0^2+a^2 Cos[θi]^2)^2))/((a^2-2 r0+r0^2+℧^2) (-2 r0+r0^2+℧^2+a^2 Cos[θi]^2)^2)),
t[0]==0,
 
r''[τ]==(1/(8 (a^2 Cos[θ[τ]]^2+r[τ]^2)^3))(-((8 (a^2 Cos[θ[τ]]^2+(a^2+℧^2-a^2 Cos[θ[τ]]^2) r[τ]-r[τ]^2) (a^2 Cos[θ[τ]]^2+r[τ]^2)^2 (r'[τ])^2)/(a^2+℧^2-2 r[τ]+r[τ]^2))+8 (a^2 Cos[θ[τ]]^2+℧^2 r[τ]-r[τ]^2) (a^2+℧^2-2 r[τ]+r[τ]^2) (t'[τ])^2+16 a^2 Cos[θ[τ]] (a^2 Cos[θ[τ]]^2+r[τ]^2)^2 Sin[θ[τ]] r'[τ] θ'[τ]+8 r[τ] (a^2 Cos[θ[τ]]^2+r[τ]^2)^2 (a^2+℧^2-2 r[τ]+r[τ]^2) (θ'[τ])^2-16 a (a^2 Cos[θ[τ]]^2+℧^2 r[τ]-r[τ]^2) (a^2+℧^2-2 r[τ]+r[τ]^2) Sin[θ[τ]]^2 t'[τ] φ'[τ]+(a^2+℧^2-2 r[τ]+r[τ]^2) Sin[θ[τ]]^2 (a^2 (3 a^2+4 ℧^2+4 (a^2-℧^2) Cos[2 θ[τ]]+a^2 Cos[4 θ[τ]]) r[τ]+16 a^2 Cos[θ[τ]]^2 r[τ]^3+8 r[τ]^5-8 a^2 r[τ]^2 Sin[θ[τ]]^2+2 a^4 Sin[2 θ[τ]]^2) (φ'[τ])^2),
 
r'[0]==vr0i/Sqrt[(r0^2+a^2 Cos[θi]^2)/(a^2+(-2+r0) r0+℧^2)],
r[0]==r0,
 
θ''[τ]==(1/(16 (a^2 Cos[θ[τ]]^2+r[τ]^2)^3))(-((16 a^2 Cos[θ[τ]] (a^2 Cos[θ[τ]]^2+r[τ]^2)^2 Sin[θ[τ]] (r'[τ])^2)/(a^2+℧^2-2 r[τ]+r[τ]^2))-8 a^2 (℧^2-2 r[τ]) Sin[2 θ[τ]] (t'[τ])^2-32 r[τ] (a^2 Cos[θ[τ]]^2+r[τ]^2)^2 r'[τ] θ'[τ]+16 a^2 Cos[θ[τ]] (a^2 Cos[θ[τ]]^2+r[τ]^2)^2 Sin[θ[τ]] (θ'[τ])^2+16 a (℧^2-2 r[τ]) (a^2+r[τ]^2) Sin[2 θ[τ]] t'[τ] φ'[τ]+(a^4 (3 a^2-5 ℧^2+4 (a^2+℧^2) Cos[2 θ[τ]]+(a^2+℧^2) Cos[4 θ[τ]])+a^2 (11 a^2-8 ℧^2+4 (3 a^2+2 ℧^2) Cos[2 θ[τ]]+a^2 Cos[4 θ[τ]]) r[τ]^2+8 a^2 (2+Cos[2 θ[τ]]) r[τ]^4+8 r[τ]^6+8 a^4 (3+Cos[2 θ[τ]]) r[τ] Sin[θ[τ]]^2+32 a^2 r[τ]^3 Sin[θ[τ]]^2) Sin[2 θ[τ]] (φ'[τ])^2),
 
θ'[0]==vθ0i/Sqrt[r0^2+a^2 Cos[θi]^2],
θ[0]==θi,
 
φ''[τ]==-(1/(4 (a^2 Cos[θ[τ]]^2+r[τ]^2)^2))(-((8 a (a^2 Cos[θ[τ]]^2+℧^2 r[τ]-r[τ]^2) r'[τ] t'[τ])/(a^2+℧^2-2 r[τ]+r[τ]^2))+8 a Cot[θ[τ]] (℧^2-2 r[τ]) t'[τ] θ'[τ]+((a^2 (3 a^2+8 ℧^2+4 a^2 Cos[2 θ[τ]]+a^2 Cos[4 θ[τ]]) r[τ]-4 a^2 (3+Cos[2 θ[τ]]) r[τ]^2+8 (a^2+℧^2+a^2 Cos[2 θ[τ]]) r[τ]^3-16 r[τ]^4+8 r[τ]^5+2 a^4 Sin[2 θ[τ]]^2) r'[τ] φ'[τ])/(a^2+℧^2-2 r[τ]+r[τ]^2)+Cot[θ[τ]] (a^2 (3 a^2-4 ℧^2+4 (a^2+℧^2) Cos[2 θ[τ]]+a^2 Cos[4 θ[τ]])+16 a^2 Cos[θ[τ]]^2 r[τ]^2+8 r[τ]^4+16 a^2 r[τ] Sin[θ[τ]]^2) θ'[τ] φ'[τ]),
 
φ'[0]==(vφ0i ((-2+r0) r0+a^2 Cos[θi]^2) Csc[θi] Sqrt[((a^2+r0^2)^2-a^2 (a^2+(-2+r0) r0+℧^2) Sin[θi]^2)/(r0^2+a^2 Cos[θi]^2)]+a (2 r0-℧^2) (Sqrt[((a^2+(-2+r0) r0+℧^2) (r0^2+a^2 Cos[θi]^2))/((a^2+r0^2)^2-a^2 (a^2+(-2+r0) r0+℧^2) Sin[θi]^2)]+(a vφ0i (2 r0-℧^2) Sin[θi])/((r0^2+a^2 Cos[θi]^2) Sqrt[((a^2+r0^2)^2-a^2 (a^2+(-2+r0) r0+℧^2) Sin[θi]^2)/(r0^2+a^2 Cos[θi]^2)])))/((a^2+(-2+r0) r0+℧^2) (r0^2+a^2 Cos[θi]^2)),
φ[0]==φ0
 
};
                                                                            (* Integrator *)
sol = NDSolve[DGL, {t, r, θ, φ}, {τ, 0, tmax},
WorkingPrecision-> wp,
MaxSteps-> Infinity,
Method-> mta,
InterpolationOrder-> All,
StepMonitor :> (laststep=plunge; plunge=τ;
stepsize=plunge-laststep;), Method->{"EventLocator",
"Event" :> (If[stepsize<2*^-2, 0, 1])}];
                                                                      (* Integrationszeit *)
tMax = Max[tmax, plunge+1/10];
                                                                       (* Raumkoordinaten *)
rt[τ_] := Evaluate[r[τ]/.sol][[1]];
θt[τ_] := Evaluate[θ[τ]/.sol][[1]]+π/2;
φt[τ_] :=-Evaluate[φ[τ]/.sol][[1]]-π;
                                                        (* Affiner Parameter bei Emission *)
т[coord_, dist_] := ξ/.FindRoot[coord[ξ]-dist, {ξ, tMax 9/10, tMax, -1}];
т0 = т[rt, R0];
R1 = rt[т0];                           (* Check ob die Photonen von der Hemisphäre kommen *)
                                       (* Berechung der Ursprungskoordinaten der Photonen *)
If[т0>0, {π, π/2}, If[R1<10r0, {0,0}, If[R1>10R0, {π/4,π/4}, {φt[т0], θt[т0]}]]]]],
                                                                 (* Kompilierungsoptionen *)
RuntimeOptions->{"EvaluateSymbolically"->False},
Parallelization->True, CompilationTarget->ct,
CompilationOptions->{"InlineExternalDefinitions"->True}]
                                                           (* Bildtransformationsfunktion *)
mem : raytrace[{Ф_, ϑ_}] := mem = raytracer[Ф, ϑ]
 
(* |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| *)
(* 5) Testbild laden und transformieren ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| *)
(* |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| *)
 
pic=Import["http://666kb.com/i/dsfr4u76175v8q277.png"]
width=ImageDimensions[pic][[1]];
fpt[{x_, y_}] := {If[y<0, x+1, x], If[y<0, -y, y]};
pct=ImageTransformation[pic, fpt, DataRange->{{-1, 1}, {0, 1}}, PlotRange->{{-1, 1}, {-1, 1}}, Padding->"Periodic"];

AbsoluteTiming[Timing[
img = ParallelTable[
ImageTransformation[pct, raytrace,
DataRange->{{-π, π-2π/width}, {-π/2, 3π/2}},
PlotRange->{{-π, π-2π/width}, {-π/2+x, -π/2+x+π/kernels/split}},
Padding->"Periodic"],
{x, 0, π-π/kernels/split, π/kernels/split}];
image = ImageAssemble[{Table[{img[[x]]}, {x, kernels split, 1, -1}]}]
]]
 
(* |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| *)
(* Code stabil, aber noch nicht auf Geschwindigkeit optimiert ||||||||||||||||||||||||||| *)
(* |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| *)