全球最强大的可视化实验室如何将硬数据转化为科学电影

构建宇宙并不容易。有很多活动部件需要考虑，从天文数字到无穷小。但在伊利诺伊大学北部边缘的一座朴素的校园建筑里，罗伯特·帕特森飞速穿越了他和同事们创造的一个星系，检查并重新检查他的路径以解释物理学和生理学。毕竟，他想创造一次穿越宇宙的真实旅程，但他不想让任何人感到恶心。

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帕特森在高级可视化实验室负责电影导演和摄影编排，他和他的同事自 1985 年以来一直在该实验室制作超高质量、高分辨率、数据驱动的 3D 可视化作品。您可能没有听说过 AVL，但您可能知道他们的工作；他们专门制作博物馆圆顶影院的主要产品——大型格式的影片。他们在为最近的 IMAX 电影《哈勃 3D》制作一些令人惊叹的数据可视化作品方面发挥了重要作用，目前他们的作品正在纽约的美国自然历史博物馆和旧金山的加州科学院等地展出。

这些作品的诞生并非仅仅源于创造力，还源于复杂的计算科学，而 AVL 在这一交叉点上找到了自己的舒适位置。AVL 利用伊利诺伊大学国家超级计算应用中心（HAL 9000 的神秘诞生地）的超级计算能力，能够理解其他公司无法理解的海量数据集，使其成为世界上将复杂数据转化为科学驱动的电影艺术的最佳机构之一。

“当您拥有数 TB 的数据时，可视化就是一个超级计算问题，”AVL 总监 Donna Cox 说道。“很多地方没有我们这样的超级计算能力，因此我们专注于利用最先进的计算机图形工具，并将它们嵌入超级计算环境中，这样我们就可以将所有这些处理器用于解决可视化问题。”

这些问题非常大，大到即使是经验丰富的数据可视化专家也不一定能胜任。以詹姆斯·韦伯太空望远镜为例，它将于 2014 年发射，成为世界上最强大的望远镜。美国宇航局戈达德太空飞行中心的计算模型已经很好地描绘出了韦伯望远镜睁开眼睛时将看到的景象，那里的研究人员也希望与大家分享这一点。但即使美国宇航局拥有庞大的人才库和庞大的计算资源，戈达德团队也意识到数据的规模和复杂性带来了严重的可视化挑战。

“NASA 很幸运能拥有一些世界上最优秀的数据可视化专家，所以我们首先要确定我们已经拥有了优秀的人才，”戈达德电视和多媒体执行制片人韦德·西斯勒 (Wade Sisler) 说道。“但当需要可视化更宏大的时间和空间结构时，我们意识到，即使我们拥有如此优秀的人才，我们仍然没有足够的能力来公正地完成它。”

西斯勒几年前就熟悉了 AVL——“他们制作的《宇宙之旅》让我惊叹不已”，他谈到 1996 年首映的由摩根·弗里曼讲述的 IMAX 大片时说道。最近，他在 2006 年的数字穹顶制作《黑洞：无限的另一边》中对黑洞的可视化效果印象深刻，他的团队利用 AVL 将韦伯模型变成了电影短片。

当星系碰撞时：AVL 使用戈达德太空飞行中心模型的计算数据，为詹姆斯·韦伯太空望远镜制作了这部动画，描绘了宇宙形成时期剧烈的星系形成过程。较长的影片可通过 NASA 的 JWST 页面观看。

“我们意识到他们可能是地球上最擅长将空间和时间结构可视化的组织，”西斯勒说。“这需要一种非常特殊的能力来控制相机在复杂模型中的飞行。”

这种能力既是智力天赋，也是技术实力。AVL 的可视化团队由科学家、视觉艺术家、数学家、电影制作人和软件设计师等组成，每个人都从其他人身上学习。考克斯称他们为复兴团队，这是她创造的一个术语，用来描述他们的跨学科性质。

然后是技术，经过 25 年的软件开发和技术工具制作，AVL 的能力已经超越了其他数据可视化公司。该团队经常从头编写定制软件来解决特定数据集的问题或创建某些类型的渲染。他们为现成的程序编写了大量插件，并开源了许多自己的代码。Cox 说，其中一些工具自 1986 年以来一直在制作中，再加上 NCSA 的超级计算能力，它们构成了一个强大的生产套件。

这些工具中最重要的是虚拟导演，这个程序可以让帕特森坐在一个巨大的 3D 屏幕前，以惊人的速度浏览数据、缩放、平移、绘制路径，以及以其他方式设计宇宙。虚拟导演使用他的笔记本电脑和六自由度轨迹球控制器，让帕特森成为他的观众，用灵巧的指尖轻轻一弹，轻轻引导他们穿过原行星盘或黑洞的猛烈挤压。

使用 AVL 自行开发的工具，帕特森可以根据数据绘制路线图，在自由空间中检查路径，并在 3D 中调整作品。然后，他可以与熟悉数据及其含义的科学家分享他的工作进展。AVL 以其艺术为傲，但它更注重忠于科学。

宇宙自再电离时代（当时只有 2000 万年）开始形成一种“宇宙网”，一直延续至今。这张 AVL 可视化图描绘了宇宙网形成的过程，是一部较长影片的一部分，可通过 NASA 的 JWST 页面观看。

“我们一开始就与科学家密切合作，学到了很多东西，”帕特森说。“然后，一旦我们制定了计划，我们就会分享我们一路上所做的事情，确保我们与科学保持一致。后来，它可能会变得更具美感；调整颜色，确保我们拥有我们想要的那种深度，等等。有一个科学评论，然后有一个电影评论。”

通常，科学和电影必须相互配合才能使可视化发挥作用。AVL 处理的许多数据集（尤其是天体物理数据）包含巨大的尺度范围。无缝地从极大到极小需要帕特森（以及观众）在空间和时间中快速移动，同时还要增大或缩小几个数量级。

“在哈勃 3D 中，我们的眼睛宽度达到约 50,000 光年，因此我们可以看到附近宇宙的结构，然后我们会缩小很多，”帕特森说。“但我们做过更戏剧性的两眼间距离动画，当我们在银河系中时，我们的眼球宽度可能只有几秒差距，而当我们离开时，它们会急剧增大。”

但在数字穹顶或 IMAX 环境中，观众的周边视野被填满，所有的变焦和缩放实际上都可以创造出一种物理上的运动感，而这种感觉正是帕特森在一定程度上可以利用的优势。

“很多时候，当我为大屏幕制作镜头移动时，我倾向于将镜头视为剧场，”帕特森说。“因此，如果你将镜头向下倾斜，你就可以想象人们实际上向前倾斜、向后倾斜或滚动，这确实可以产生物理影响。我喜欢为人们提供有趣、具体、引人入胜的体验——穿越数据的旅程——但我对此非常谨慎。”

JWST 将使天文学家能够深入太空，在那里可以看到年轻恒星和行星正在形成的浓密云层。AVL 可视化是一部较长影片的一部分，可通过 NASA 的 JWST 页面观看。

这些身临其境的大型 3D 数字穹顶制作为博物馆之旅增添了情趣，但这些可视化效果不仅仅是简单的娱乐。考克斯说，AVL 不仅仅是制作电影，还包括理解信息。这在当今是一种相当面向未来的商业模式。

“数据是我们未来面临的最大挑战，”考克斯说，他指的不仅仅是 AVL，而是更广阔的世界。“数据无处不在，不仅在科学领域，在人文领域也是如此。从国土安全部到捕获 PB 级数据的望远镜，我们无处不在地产生数据。”

如果无法以一种让科学家和公众都能理解的方式呈现堆积如山的数据，那么这些数据就毫无意义。虽然天体物理学仍然是 AVL 的强项，但考克斯的复兴团队渴望解决更多不同的项目。目前，他们最兴奋的是进入地球科学领域，她希望他们很快也能更积极地进入生命科学的可视化领域。最终，她希望将人文科学和科学融合成涵盖整个世界的全面可视化。

“未来，我们希望将社会和人口统计学（例如，迁徙和生态迁移）的抽象关系数据库与大规模地球科学数据结合起来，”她说。“我们将把所有不同的数据融合成视觉图像，帮助我们理解自然的复杂性，从而使这些数据变得有意义。”

在不久的将来，AVL 将继续把复杂的数据转化为面向公众的艺术，像舞台上的演员一样指挥科学现象。西斯勒已经开始期待 AVL 和 NASA 之间的另一次合作，这次是定于 2011 年末或 2012 年初在博物馆圆顶上举办的展览，不过他还没有准备好透露具体内容。

鉴于 AVL 将最复杂的数据转化为艺术的记录，它可以涉及宇宙中的任何事物。