כיצד מעבדת ההדמיה החזקה בעולם הופכת נתונים קשים לקולנוע מדעי

בניית הקוסמוס אינה קלה. יש הרבה חלקים נעים שצריך לזכור, החל מהגדולים מבחינה אסטרונומית ועד לקטן לאין שיעור. אבל בבניין קמפוס פשוט בשוליים הצפוניים של אוניברסיטת אילינוי, רוברט פטרסון מתפרץ דרך גלקסיה שהוא ועמיתיו יצרו, בודקים ובודקים מחדש את הדרך שלו לתת חשבונות לפיזיקה וגם פִיסִיוֹלוֹגִיָה. אחרי הכל, הוא רוצה ליצור מסע אותנטי ביקום, אבל הוא לא רוצה לגרום לאף אחד להתהפך.

לחץ כדי להפעיל את גלריית התמונות

פטרסון מטפל בבימוי סרטים ובכוריאוגרפיה של מצלמה במעבדת הדמיה מתקדמת, שם הוא ושלו עמיתים בונים ויזואליזציות תלת ממדיות סופר איכותיות, ברזולוציה גבוהה, מונעות נתונים מאז 1985. למרות שאולי לא שמעתם על ה-AVL, סביר להניח שאתם מכירים את עבודתם; הם מתמחים באותן הפקות בפורמט גדול שהן הלחם והחמאה של בתי קולנוע בכיפה במוזיאון. הם מילאו תפקיד מרכזי ביצירת כמה מהדמיות הנתונים המדהימות עבור תכונת ה-IMAX האחרונה "האבל 3D", והם יש כרגע עבודות המוצגות במוזיאון האמריקני להיסטוריה של הטבע בניו יורק ובאקדמיה למדעים של קליפורניה בסן פרנסיסקו, בין היתר מקומות.

ההפקות האלה לא נולדו רק מיצירתיות אלא ממדעי חישוב מורכבים, ובצומת זה ה-AVL מצא תפקיד נוח. ניצול כוח מחשוב העל העומד לרשותו במרכז הלאומי ליישומי מחשוב על של אוניברסיטת אילינוי (מקום הולדתו המיתולוגי של HAL 9000), ה-AVL יכול להבין מערכי נתונים מסיביים שאחרים אינם יכולים, מה שהופך אותו בין הטובים בעולם בהפיכת נתונים מורכבים לקולנוע מונע מדע. אומנות.

"ויזואליזציה היא בעיית מחשוב-על כאשר יש לך טרה-בייט של נתונים", אומרת מנהלת AVL דונה קוקס. "להרבה מקומות אין את כוח מחשוב העל שיש לנו, אז התמקדנו במינוף המחשב המתקדם ביותר כלים גרפיים והטמעתם בסביבת מחשוב-על שבה נוכל להקדיש את כל המעבדים הללו לבעיות של רְאִיָה."

הבעיות הללו הן גדולות - כל כך גדולות למעשה, שאפילו מדמי נתונים מיומנים לא תמיד עומדים במשימה. קחו את טלסקופ החלל ג'יימס ווב שכאשר ישוגר ב-2014, יהיה החזק ביותר בעולם. מודלים חישוביים במרכז טיסות החלל גודארד של נאס"א כבר מציירים תמונה די טובה של מה ווב יראה כשיפקח את עיניו, וחוקרים שם היו רוצים לשתף את זה. אבל אפילו עם מאגר הכישרונות העצום ומשאבי המחשוב העצומים הזמינים בנאס"א, צוות גודארד הבין שהגודל והמורכבות של הנתונים מציגים אתגרי הדמיה רציניים.

"יש לנו מזל כאן בנאס"א שיש לנו כמה ממדגמי הנתונים הגדולים בעולם, אז אנחנו מתחילים מהנחת היסוד שכבר יש לנו אנשים נהדרים", אומר ווייד סיסלר, מפיק בכיר לטלוויזיה ומולטימדיה ב גודארד. "אבל כשהגיע הזמן להמחיש את המבנה הגדול יותר של זמן ומרחב, הבנו שאפילו עם הכישרון הרב שיש לנו כאן אין לנו את מה שהיינו צריכים כדי לעשות את זה צדק".

סיסלר הכיר את ה-AVL מספר שנים קודם לכן - "הם עצרו לי את הנשימה עם Cosmic Voyage", הוא אומר על עבודתם על הפקת IMAX הפופולרית בקריינות של מורגן פרימן שהוצגה בבכורה בשנת 1996. לאחרונה הוא התרשם מהדמיות שלהם של חורים שחורים בהפקת הכיפה הדיגיטלית ב-2006 חורים שחורים: הצד השני של האינסוף, והצוות שלו הקפיץ את ה-AVL כדי להפוך את דגמי Webb לקולנוע מִכְנָסַיִים קְצָרִים.

כאשר גלקסיות מתנגשות: באמצעות נתונים חישוביים ממודלים של מרכז טיסות החלל של גודארד, ה-AVL יצר את זה אנימציה המתארת ​​היווצרות גלקסיה אלימה בשנות היווצרות של היקום עבור חלל ג'יימס ווב טֵלֶסקוֹפּ. הסרט הארוך יותר זמין דרך ה-JWST של נאס"א עמוד.

"הבנו שהם כנראה הארגון הטוב ביותר על פני כדור הארץ להמחיש את מבנה המרחב והזמן", אומר סיסלר. "זה דורש יכולת מאוד מיוחדת לשלוט בטיסת המצלמה באמצעות דגמים מורכבים."

היכולת הזו היא בחלקה כישרון אינטלקטואלי וחלקה כישרון טכני. צוותי הדמיה ב-AVL הם שילוב של מדענים, אמנים חזותיים, מתמטיקאים, יוצרי סרטים ומעצבי תוכנה - בין היתר - וכולם לומדים מכולם. קוקס מכנה אותם צוותי רנסנס, מונח שהיא טבעה כדי לתאר את האופי הבינתחומי שלהם.

ואז יש את הטכנולוגיה, רבע המאה של פיתוח תוכנה וייצור כלים טכנולוגיים שדחפו את יכולות ה-AVL מעבר ליכולות של בתי הדמיית נתונים אחרים. הצוות כותב באופן קבוע תוכנה מותאמת אישית מאפס כדי לפתור בעיות עבור מערכי נתונים מסוימים או כדי ליצור סוגים מסוימים של עיבודים. הם כתבו פלאגינים רבים עבור תוכניות מדף וחלקו הרבה מהקוד שלהם בקוד פתוח. חלק מהכלים הללו נוצרו מאז 1986, אומר קוקס, ובשילוב עם יכולות מחשוב העל של ה-NCSA הם מייצרים חבילת ייצור רבת עוצמה.

לא פחות מכל הכלים הללו היא Virtual Director, התוכנית המאפשרת לפטרסון לשבת מול מסך תלת מימדי ענק. ולנסוע במהירויות מדהימות בנתונים, לבצע זום, פנורמה, התוויית נתיבים וכל השאר הנדסת קוֹסמוֹס. באמצעות המחשב הנייד שלו ובקר כדור עקיבה שש דרגות חופש, מנהל וירטואלי מאפשר לפטרסון להפוך לקהל שלו, מנחה אותם בעדינות דרך דיסקים פרוטו-פלנטריים או ריסוק אלים של חור שחור בהינף מיומן של קְצֵה אֶצבָּעוֹת.

באמצעות הכלים של AVL, פטרסון יכול לשרטט קורס דרך הנתונים, לבחון את דרכו בשטח פנוי ולבצע התאמות לייצור שלו בתלת מימד. לאחר מכן הוא יכול לחלוק את עבודתו בתהליך עם מדענים המכירים מקרוב את הנתונים ומשמעותם. ה-AVL מתגאה באמנות שלו, אבל הוא שם דגש גבוה יותר על הישארות נאמנה למדע.

היקום התארגן למעין "רשת קוסמית" החל בעידן של יינון מחדש (כשהיה רק ​​בן 20 מיליון שנה) ונמשך עד היום. הדמיה זו של AVL מתארת ​​כיצד ייתכן שזה קרה, והיא חלק מסרט ארוך יותר שזמין באמצעות ה-JWST של נאס"א עמוד.

"אנחנו משתפים פעולה עם המדענים בצורה אינטנסיבית מאוד בהתחלה כדי ללמוד הרבה", אומר פטרסון. "אחר כך, לאחר שפיתחנו תוכנית, אנו חולקים את מה שעשינו לאורך הדרך, מוודאים שאנחנו במסלול עם המדע. בהמשך, זה עשוי להיות יותר אסתטי; התאמת צבע, לוודא שיש לנו את סוג העומק שאנחנו רוצים וכו'. יש ביקורת מדעית, ואז יש מעין ביקורת קולנועית".

לעתים קרובות, המדע והקולנוע חייבים ליידע זה את זה כדי לבצע עבודת הדמיה. רבים ממערכי הנתונים שבהם עוסק AVL - במיוחד נתונים אסטרופיזיים - מכילים טווחים דרמטיים של סולמות. המעבר מהגדול מאוד לקטן מאוד דורש את פטרסון - ולכן את הקהל - לנוע מהר מאוד בחלל ובזמן תוך כדי גדילה או התכווצות במספר סדרים של עוצמה.

"בהאבל 3-D, העיניים שלנו קיבלו כ-50,000 שנות אור רוחב כך שנוכל לראות את המבנה של היקום הקרוב שלנו, ואז היינו מתכווצים הרבה למטה", אומר פטרסון. "אבל עשינו אנימציות מרחק בין-עיניות דרמטיות הרבה יותר, שבהן גלגלי העיניים שלנו עשויים להיות ברוחב של כמה פרסקים בזמן שאנחנו בשביל החלב, ואז כשאנחנו עוזבים הם פשוט גדלים בצורה דרמטית."

אבל בסביבת כיפה דיגיטלית או IMAX שממלאת את הראייה ההיקפית של הצופים, כל מה שזום ושינוי קנה מידה יכולים למעשה ליצור תחושה פיזית של תנועה, תחושה שפטרסון מפעיל לטובתו - במידה מדודה היקף.

"הרבה פעמים כשאני יוצר מהלכי מצלמה למסך גדול, אני נוטה לחשוב על המצלמה כעל תיאטרון", אומר פטרסון. "אז אם אתה מטה את המצלמה למטה אתה יכול לדמיין אנשים באמת נוטים קדימה או נוטים אחורה או מתגלגלים, וזה באמת יכול לייצר השפעה פיזית. אני אוהב לתת לאנשים חוויה מעניינת, מגולמת, מרתקת - מסע שנע בין הנתונים - אבל אני נזהר בזה".

ה-JWST יאפשר לאסטרונומים להציץ לעומק החלל שם יראה את העננים הצפופים שבהם נוצרים כוכבים וכוכבי לכת צעירים. הדמיה זו של AVL היא חלק מסרט ארוך יותר שזמין דרך ה-JWST של נאס"א עמוד.

ההפקות הסוחפות, בקנה מידה גדול, עם כיפות דיגיטליות תלת-ממדיות מוסיפות טעם לטיול במוזיאון, אבל ההדמיות הללו חורגות מעבר לבידור פשוט. ה-AVL עוסק לא רק ביצירת סרטים, אומר קוקס, אלא גם בהמצאת מידע. שזה מודל עסקי די חסין עתיד בימינו.

"הנתונים הם האתגר העתידי הגדול ביותר שלנו", אומר קוקס, בהתייחסו לא רק ל-AVL אלא לעולם הגדול יותר. "הנתונים נאספים בכל מקום, לא רק בתחום המדע אלא גם במדעי הרוח. אנחנו מייצרים את זה בכל מקום, מהמשרד לביטחון המולדת ועד לטלסקופים הלוכדים פטה-בייט של נתונים".

הר הנתונים שנערם הוא חסר משמעות אם לא ניתן לייצג אותו בצורה הגיונית, לא רק למדענים אלא לציבור. בעוד שהאסטרופיזיקה נותרה הצד החזק של AVL, צוותי הרנסנס של קוקס להוטים להתמודד עם פרויקטים מגוונים יותר. כרגע הם הכי נרגשים מהמעבר למדעי הגיאוגרפיה, ובקרוב היא מקווה שהם יעברו בצורה פעילה יותר גם להמחיש את מדעי החיים. בסופו של דבר, היא רוצה לשלב את מדעי הרוח והמדעים להדמיות גורפות שלוקחות את כל העולם בחשבון.

"בעתיד אנחנו רוצים לקחת מאגרי מידע יחסי מופשטים על חברה ודמוגרפיה - הגירה והגירה של אקולוגיות, למשל - וצמד את זה לנתוני הגיאוגרפיה בקנה מידה גדול שלנו", היא אומר. "נעשה משמעות לכל הנתונים השונים שיש בחוץ על ידי מיזוגם לתוך חזותיים שיעזרו לנו להבין את המורכבות של הטבע."

בעתיד המיידי יותר, ה-AVL ממשיך להפוך נתונים מורכבים לאמנות להסברה ציבורית, ולכוון תופעות מדעיות כמו שחקנים על במה. סיסלר כבר מצפה לשיתוף פעולה נוסף בין ה-AVL לנאס"א, הפעם למוזיאון תערוכת כיפה המתוכננת לסוף 2011 או תחילת 2012, אם כי הוא לא ממש מוכן לחשוף במה בדיוק מדובר.

בהתחשב ברקורד של AVL להפוך אפילו את הנתונים המורכבים ביותר לאמנות, זה יכול להיות על כל דבר ביקום.