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In vierzig Sprüngen modellieren Wissenschaftler Skalen von Quarks zu Quasaren

Diese Zehnerpotenzen-Reise zeigt von oben links und quer über die Erde (rote Linie stellt die ISS dar) (10 7 m), Erde und Satelliten (10 8 m), Sonnensystem (10 13 m), Plejaden (10 18 m), extrasolare Planeten (10 18 m) und die Milchstraße und die große Magellansche Wolke (10 23 m). Bildnachweis: Andrew Hanson et al. © 2006 IEEE.

Die Kleinheit eines Quarks oder die Größe des beobachtbaren Universums zu verstehen, ist eine Herausforderung, die die meisten von uns als schwierig und dennoch faszinierend empfinden. Es ist eine Aufgabe, die nicht einmal Computer effizient gemeistert haben, wenn sie ganz unterschiedliche Maßstäbe nebeneinander setzen, um ihre Beziehung zu untersuchen. Kürzlich haben die Wissenschaftler Chi-Wing (Philip) Fu und Andrew Hanson ein Visualisierungssystem für das Universum entwickelt, das Wissenschaftlern, Pädagogen und Filmzuschauern helfen kann, die Größe auf einer Reise durch das Universum besser zu verstehen.

„Grafikanzeigen waren aufgrund ihrer digitalen Natur mit Einschränkungen konfrontiert“, erklärte Hanson PhysOrg.com . „Zum Beispiel liegt die detaillierte Verarbeitung großer Reichweiten außerhalb des Bereichs der Standardhardware, z. B. beschleunigter Grafikkarten. Mit diesem neuen System können wir eine genaue, interaktive Erfahrung mit kontinuierlicher Skalierung über verschiedene Skalenbereiche erstellen. Du kannst ununterbrochen durch das Universum wandern, ohne dass es irgendwelche Anomalien gibt. “

Die Arbeit von Fu und Hanson befasst sich mit verschiedenen Problemen, mit denen Systeme in der Vergangenheit konfrontiert waren: Fokussierung auf Objekte in unterschiedlichen Entfernungen, Tiefenwahrnehmung und Geschwindigkeit. Wie Hanson erklärt, ist es ein bisschen so, als würde man einen Marienkäfer auf der Nase mit der Galaxie im Hintergrund betrachten. Um diese Bereiche zu verbessern, entwickelten die Wissenschaftler ein Grafiksoftwaresystem, das eine kontinuierlich skalierbare dreidimensionale Visualisierung ermöglicht.

Hanson und Fu entwickelten ihre Software, indem sie das in dieser Tabelle für allgemeine Objekte gezeigte Zehnerpotenz-Framework erweiterten. Bildnachweis: Andrew Hanson et al. © 2006 IEEE.

Da eine normale „Zoom“ -Funktion aufgrund der enormen Genauigkeitsanforderungen eine unpraktische Zeit in Anspruch nehmen würde, verwendeten Fu und Hanson einen neuen Ansatz: leistungsskalierte Koordinaten (PSC). Die Wissenschaftler ließen sich von einem Film namens "Powers of Ten" von Eames and Eames inspirieren, der auf dem Kinderbuch " Cosmic View: Das Universum in 40 Sprüngen" von Boeke aus dem Jahr 1957 basierte.

"Wir haben uns gefragt, wie bieten Sie diese Erfahrung?", Sagte Hanson. "Wir erweitern dieses 'Zehnerpotenzen'-Framework, indem wir dieses System interaktiv anstatt vorberechnet und vorgespeichert machen."

Das PSC-System von Fu und Hanson stellt Koordinaten und Vektoren mithilfe logarithmischer Skalierungsmethoden dar und ermöglicht es dem System, alle Skalen in einem einzigen Kontext für die interaktive Steuerung durch den Benutzer zu verwalten. Eine der neuartigen PSC-basierten Ideen in der Architektur ist eine „Tiefenanpassungsmethode“, mit der Objekte mit der erforderlichen Präzision über extreme Maßstäbe projiziert werden können, indem die Scheitelpunkte entfernter Hintergrundobjekte verzerrt werden.

Um das Rendern von Objekten während der Navigation zu beschleunigen, entwickelt das System mithilfe von „Zwischenspeichern in der Umgebung“ und „Verschwinden von Objekten“ vorgerenderte Hintergründe und ignoriert Objekte, die nicht groß oder hell genug sind, um auf dem Bildschirm angezeigt zu werden. Auf einem Desktop-Computer erreicht das Programm interaktive Geschwindigkeiten.

Der Inhalt des Systems - Sterne, Galaxien, Supernovae usw. - stammt aus einer außergewöhnlichen Sammlung von Daten aus Erkundungssystemen wie dem Sloan Digital Sky Survey, dem Bright Star Catalog, Hubble und anderen Teleskopen. Fu und Hanson präsentieren in ihrer Studie eine Zehnerpotenz-Reise, die z. B. von der Erde (10 7 m) durch das Sonnensystem (10 13 ), den Plejadenhaufen (10 18 ) und die Andromeda-Galaxie beginnt (10 23 ) und darüber hinaus (siehe Abbildung).

Wie in früheren Computergrafikprogrammen, die den Weltraum untersuchen, prognostizieren Fu und Hanson, dass dieses System nicht nur für Astronomen und Physiker, die das Universum studieren, sondern auch für Bildungs- und kommerzielle Zwecke eingesetzt werden kann. IMAX-Shows und Planetariumspräsentationen haben junge Enthusiasten mit ihren realistischen Animationen begeistert, und während die Rechenleistung weiter zunimmt, kann die Öffentlichkeit auch von Fu und Hansons Skalenvisualisierungstechnologie profitieren.

"Unsere Motivation war es, einen Rahmen für ein digitales Echtzeit-Planetarium zu schaffen", sagte Hanson. „Mit diesem Framework haben wir eine Reihe von Objektebenen in einem enormen Maßstab auf einem einzigen Bildschirm erstellt.“

Zitat: Fu, Chi-Wing und Hanson, Andrew J. „Eine transparent skalierbare Visualisierungsarchitektur zur Erforschung des Universums.“ IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, Vol. 3, No. Nr. 1, Januar / Februar 2007.

Von Lisa Zyga, Copyright 2006 PhysOrg.com.
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