世界最強の視覚化ラボがハードデータを科学映画に変える方法

宇宙の構築は簡単ではない。天文学的に巨大なものから極小のものまで、念頭に置くべき可動部品がたくさんある。しかし、イリノイ大学の北端にある質素なキャンパスの建物の中で、ロバート・パターソンは、彼と彼の同僚が作った銀河を猛スピードで駆け抜け、物理学と生理学の両方を考慮して、自分の進路を何度も確認している。結局のところ、彼は宇宙を巡る本物の旅を作りたいが、誰かの胃が痛くなるようなことはしたくないのだ。

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パターソン氏は、Advanced Visualization Lab で映画の監督とカメラの振り付けを担当しています。同氏と彼の同僚は、1985 年以来、超高品質、高解像度、データ駆動型の 3D ビジュアライゼーションを構築してきました。AVL について聞いたことがないかもしれませんが、彼らの仕事はおそらくご存知でしょう。彼らは、博物館のドーム シネマの主力である大型の制作を専門としています。彼らは、最近の IMAX 映画「ハッブル 3D」の見事なデータ ビジュアライゼーションの作成に重要な役割を果たし、現在、ニューヨークのアメリカ自然史博物館やサンフランシスコのカリフォルニア科学アカデミーなど、さまざまな場所で作品が展示されています。

こうした作品は、単に創造性から生まれたものではなく、複雑な計算科学から生まれたものであり、その交差点で AVL は快適な役割を担っています。イリノイ大学の国立スーパーコンピューティング応用センター (HAL 9000 の伝説的な発祥の地) のスーパーコンピューティング能力を活用することで、AVL は他の機関では不可能な膨大なデータセットを解釈することができ、複雑なデータを科学に基づいた映画芸術に変える点で世界最高の機関の 1 つとなっています。

「テラバイト単位のデータがある場合、視覚化はスーパーコンピューティングの問題です」と AVL ディレクターの Donna Cox 氏は言います。「多くの場所では、私たちが持っているようなスーパーコンピューティングのパワーがありません。そのため、最先端のコンピューター グラフィックス ツールを活用し、それらをスーパーコンピューティング環境に組み込むことに重点を置いています。これにより、すべてのプロセッサを視覚化の問題に充てることができます。」

これらの問題は大きく、実際、熟練したデータ ビジュアライザーでも必ずしも対応できるとは限りません。2014 年に打ち上げられれば世界最強の宇宙望遠鏡となるジェイムズ ウェッブ宇宙望遠鏡を考えてみましょう。NASA ゴダード宇宙飛行センターの計算モデルは、ウェッブが目を覚ましたときに見えるものをすでにかなり正確に描写しており、同センターの研究者はそれを共有したいと考えています。しかし、NASA には膨大な才能と膨大な計算リソースがあるにもかかわらず、ゴダード チームは、データのサイズと複雑さが、視覚化に深刻な課題をもたらすことを認識していました。

「NASA​​ には世界でも有​​数の優秀なデータ ビジュアライザーが揃っていて幸運です。ですから、優秀な人材がすでに揃っているという前提で作業を進めます」と、ゴダード宇宙飛行センターのテレビおよびマルチメディア部門エグゼクティブ プロデューサー、ウェイド シスラー氏は語ります。「しかし、時間と空間のより壮大な構造を視覚化する段階になって、ここにいる優秀な人材をもってしても、それを十分に表現するには不十分であることがわかりました。」

シスラー氏は数年前から AVL をよく知っていた。「『コスミック・ボヤージュ』には息を呑むほど感動しました」と、1996 年に初公開されたモーガン・フリーマンがナレーションを担当した人気の IMAX 作品での AVL の働きについて語る。最近では、2006 年のデジタル ドーム作品『ブラックホール: 無限の彼方』でのブラックホールの視覚化に感銘を受け、同氏のチームはウェッブ モデルを映画の短編にするために AVL を活用した。

銀河が衝突するとき: ゴダード宇宙飛行センターのモデルの計算データを使用して、AVL はジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のために、宇宙の形成期における激しい銀河形成を描いたこのアニメーションを作成しました。より長い動画は、NASA の JWST ページからご覧いただけます。

「彼らはおそらく、空間と時間の構造を視覚化するのに地球上で最高の組織だと分かりました」とシスラー氏は言う。「複雑なモデルを通してカメラの飛行を制御するには、非常に特殊な能力が必要です。」

その能力は、知的才能と技術的才能の両方から成り立っています。AVL の視覚化チームは、科学者、視覚芸術家、数学者、映画製作者、ソフトウェア設計者など、さまざまな分野の人材が混在しており、全員が互いに学び合っています。コックス氏は、彼らの学際的な性質を表現するために作った造語である「ルネッサンス チーム」と呼んでいます。

そして、テクノロジーがあります。四半世紀にわたるソフトウェア開発とテクノロジーツールの作成により、AVL の能力は他のデータ視覚化会社を凌駕しています。チームは、特定のデータセットの問題を解決したり、特定の種類のレンダリングを作成したりするために、カスタムソフトウェアをゼロから作成することがよくありました。彼らは、既成プログラム用のプラグインを数多く作成し、独自のコードの多くをオープンソース化しました。これらのツールの一部は 1986 年から開発が続けられており、NCSA のスーパーコンピューティング能力と組み合わせることで、強力な制作スイートが実現していると Cox は言います。

これらのツールの中でも特に重要なのは、Virtual Director です。このプログラムを使用すると、パターソンは巨大な 3D スクリーンの前に座り、データの中を驚くほどのスピードで移動し、ズーム、パン、経路のプロットなどを行い、宇宙を設計することができます。ラップトップと 6 自由度のトラックボール コントローラーを使用して、Virtual Director では、パターソンが観客となり、指先を巧みに動かすだけで、原始惑星系円盤やブラックホールの激しい崩壊を優しく案内します。

AVL の自社開発ツールを使用することで、パターソン氏はデータに沿って進路を描き、自由空間での進路を調べ、3D で作品を調整することができます。その後、データとその意味に精通している科学者と進行中の作業を共有することができます。AVL は芸術に誇りを持っていますが、科学に忠実であることにさらに重点を置いています。

宇宙は、再イオン化の時代（宇宙が誕生してわずか 2,000 万年）から今日まで、一種の「宇宙の網」に自らを組織化してきました。この AVL の視覚化は、それがどのように起こったかを示したもので、NASA の JWST ページで視聴できる長編映画の一部です。

「最初は科学者と非常に集中的に協力して、多くのことを学びます」とパターソン氏は言います。「その後、計画を立てたら、その過程で何をしたかを共有し、科学的な軌道に乗っているかを確認します。その後は、色の調整や、必要な深さがあるかの確認など、より美的な面に取り組むこともあります。科学的なレビューがあり、その後に一種の映画的なレビューがあります。」

多くの場合、視覚化を機能させるには、科学と映画が互いに情報を伝え合う必要があります。AVL が扱うデータ セットの多く、特に天体物理学のデータには、劇的なスケールの範囲が含まれます。非常に大きなデータから非常に小さなデータまでシームレスに移動するには、パターソン氏、つまり観客が、空間と時間を非常に速く移動しながら、数桁の大きさで拡大または縮小する必要があります。

「ハッブル 3-D では、私たちの目はおよそ 5 万光年の幅があり、近くの宇宙の構造を見ることができました。そして、その後、ずっと小さくなります」とパターソン氏は言う。「しかし、私たちは、もっと劇的な両眼間距離アニメーションを作成しました。天の川銀河にいる間は、私たちの眼球は数パーセクの幅ですが、そこから遠ざかると、急激に大きくなります。」

しかし、視聴者の周辺視野を埋め尽くすデジタルドームや IMAX 環境では、ズームやスケーリングによって実際に物理的な動きの感覚が作り出され、パターソンはそれをある程度まで有利に利用している。

「大画面用のカメラの動きを制作するときは、カメラを劇場として考えることが多いです」とパターソン氏は言います。「カメラを下に傾けると、実際に人が前に傾いたり、後ろに傾いたり、回転したりする様子を想像でき、実際に物理的なインパクトを生み出すことができます。私は、人々に興味深く、具体化された、魅力的な体験、つまりデータの中を移動する旅を提供したいと思っていますが、その点には注意しています。」

JWST により、天文学者は宇宙の奥深くを覗き込み、若い星や惑星が形成されつつある濃い雲を観察できるようになります。この AVL の映像は、NASA の JWST ページで視聴できる長編映画の一部です。

没入感のある大規模な 3D デジタル ドーム作品は、美術館への旅に彩りを添えますが、これらの視覚化は単なる娯楽の域を超えています。AVL は映画を作るだけでなく、情報の意味を理解することも目的としていると Cox 氏は言います。これは、今日ではかなり将来性のあるビジネス モデルです。

「データは私たちの最大の将来の課題です」とコックス氏は述べ、AVL だけでなく世界全体について言及しています。「データはあらゆる場所で収集されています。科学分野だけでなく、人文科学の分野でも同様です。国土安全保障省からペタバイトのデータを取り込む望遠鏡まで、あらゆる場所でデータが生成されています。」

蓄積される膨大なデータは、科学者だけでなく一般の人々にも理解できる形で表現できなければ意味がありません。天体物理学は AVL の得意分野ですが、コックスのルネッサンス チームはより多様なプロジェクトに取り組むことに意欲的です。現在、彼らは地球科学への進出に最も意欲的ですが、コックスは近いうちに生命科学の視覚化にも積極的に取り組むことを期待しています。最終的には、人文科学と科学を融合させて、世界全体を考慮した包括的な視覚化を実現したいと考えています。

「将来的には、社会や人口動態（移住や生態系の移行など）に関する抽象的なリレーショナル データベースを、大規模な地質科学データと組み合わせたいと考えています」と彼女は言います。「さまざまなデータをビジュアルに融合することで、自然の複雑さを理解するのに役立つ意味を理解できるようになります。」

近い将来、AVL は複雑なデータを芸術作品に変えて一般の人々に広め、舞台上の役者のように科学現象を演出し続ける。シスラー氏はすでに AVL と NASA の新たなコラボレーションを心待ちにしており、今度は 2011 年後半か 2012 年初めに予定されている博物館のドーム ショーを予定しているが、具体的な内容はまだ明らかにしていない。

AVL は最も複雑なデータでさえ芸術に変えてきた実績があるため、宇宙のあらゆるものに関するものである可能性があります。