Výzkumy v ASU AV ČR (83): Problémy zobrazování vícerozměrných astrofyzikálních dat

12.03.2017 22:27

 

K vyhodnocování astronomických dat se zejména v poslední době často používají automatické programové řetězce. Ty však musel navrhnout odborník a jejich vývoj nejčastěji začíná pohledem na ukázková data. Člověk dovede velmi rychle posoudit očekávání, která pak klade na automatický algoritmus. Na některá úskalí zobrazování trojrozměrných dat ve své práci poukazuje Rhys Taylor z ASU. 

Zná to každý fotograf noční oblohy. Pořídí snímek a než jej začne ve svém oblíbeném grafickém editoru upravovat, tak se na něj nejdříve podívá. Zhruba tak získá představu, co lze od snímku očekávat a teprve potom jej začne vylepšovat. Opatrní profesionální astronomové se stejně tak chovají k datům pořízeným libovolnými přístroji. Pozorování nebo měření nejprve zobrazují a až pak jej začínají zpracovávat. 

V případě jednorozměrných (např. světelné křivky) a dvojrozměrných (obrázky) dat jde o velmi jednoduchou a přímočarou operaci. Jenže z moderních přístrojů velmi často vycházejí měření troj- nebo více-rozměrná. Kromě prostorových souřadnic pak roli dalších rozměrů mohou hrát například čas, vlnová délka ve spektrální čáře, dopplerovská rychlost nebo třeba teplota. Zobrazování takových datových kostek již je větší výzvou, a to i v tom nejjednodušším případě, kdy jde o měření ve třech prostorových dimenzích v kartézském souřadnicovém systému. 

Datové náhledy často slouží k předběžné identifikaci význačných objektů. Jako příklad si vezměme hvězdnou oblohu. Na ní najdeme spoustu hvězd, které jsou zdánlivě blízko sebe a my bychom rádi věděli, zda se jedná skutečně o dvojhvězdy (tedy gravitačně vázané systémy) nebo o náhodný průmět dvou různě vzdálených hvězd. Abychom mohli toto posoudit, potřebujeme znát vzdálenosti hvězd, tedy třetí souřadnici a zobrazit hvězdy v jiné perspektivě. Situaci by zjednodušilo, kdybychom mohli interaktivně otáčet souřadnicovým systémem a studovat rozložení hvězd „ze všech stran“. To by jistě usnadnilo identifikaci dvojhvězd. 

Situace se po stránce výpočetní náročnosti komplikuje, pokud se stejným způsobem mají interaktivně zobrazovat plné datové kostky, tedy třeba výstupy 3-D simulací, v nichž je uložena hodnota fyzikální veličiny v každém bodě prostorové mřížky (v případě hvězdného pole je hvězda jen v některých bodech). Rhys Taylor z ASU se s touto úlohou uspokojivě vypořádal již v minulosti zveřejněním programu FRELLED, který slouží k renderování 3-D astronomických dat, je postaven na Pythonu a Blenderu a jeho podstatou je výpočet sady řezů, s nimiž je jako s texturami snadné a výpočetně levné manipulovat. 

Situace se ještě komplikuje v případě, že fyzikální veličiny jsou uvedeny v jiném, než kartézském souřadnicovém systému, kupříkladu v souřadnicovém systému cylindrickém nebo sférickém. Taková měření jsou běžně dostupná z celooblohových přehlídek a mohou být výstupem i z některých numerických simulací. Jednoduše by se nabízelo prostě přepočítat data z nepravoúhlé sítě do pravoúhlé. To s sebou ovšem nese riziko zkreslení dat. Například lineární rozměr výseku na sféře roste se vzdáleností od středu, takže přepočet může skončit dvěma extrémy: buď se rozlišení pravoúhlé mříže nastaví tak, aby nedocházelo k zkreslení v malých vzdálenostech, ale ve vzdálenostech velkých bude toto rozlišení již zbytečné a jen výrazně zvyšuje výpočetní náročnost zpracování, třeba až do stavu, kdy jsou přepočtená data v podstatě nezobrazitelná v interaktivním režimu. Druhým extrémem je pak stanovení rozlišení podle větších vzdáleností, což nevyhnutelně povede ke ztrátě informací ve vzdálenostech menších, neboť informace z více bodů nepravoúhlé sítě padne do jednoho bodu řídké sítě pravoúhlé. 

R. Taylor navrhuje jít jinou cestou. Například využít parametrické mapování (technikou známou jako UV mapping), kdy se zvolený řez (může být veden v křivočarých souřadnicích nastavením jedné ze souřadnic za konstantu) napíná na vrcholy prostorové mříže. I to může vést k velkému nárůstu bodů mříže a s tím spojené výpočetní náročnosti a ztrátě potřebné interaktivity. R. Taylor však ukazuje, že v kombinaci s kontrolovaným zkreslením je možné docílit rozumné přesnosti při zachování interaktivity. 

Dostupná verze programu FRELLED tuto vlastnost prozatím neimplementuje, ale R. Taylor si uvědomuje, že dříve nebo později ji bude muset přidat. Ať už pro účely své, tak pro účely dalších astrofyziků, kteří tento šikovný nástroj používají. 

REFERENCE

[1] Taylor, R., Visualizing Three-dimensional Volumetric Data with an Arbitrary Coordinate System, Publications of the Astronomical Society of Pacific 129 (2017) 028002, preprint arXiv:1611.02517
[2] http://www.rhysy.net/frelled.html
[3] ukázkové video

KONTAKT

Rhys P. W. Taylor, PhD
Oddělení galaxií a planetárních systémů Astronomického ústavu AV ČR
Email: rhysyt@gmail.com

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení galaxií a planetárních systémů ASU

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.