[論文レビュー] JHelioviewer - Time-dependent 3D visualisation of solar and heliospheric data

Daniel Mueller, B. Nicula+10 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2017

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 27被引用数 40

ひとこと要約

JHelioviewer は、JPEG 2000 圧縮を用いて、オンデマンドでピタバイト規模の高解像度画像アーカイブをストリーミングすることで、時間に依存する太陽およびヘリオスフィアデータの 3D ビジュアライゼーションを可能にする。複数の視点からのビュイング、リアルタイム画像処理、特徴追跡、磁場の外挿、ミッション計画用のバーチャルカメラモデルをサポートし、1991 年以降の太陽データのアクセス、ブラウジング、発見を大幅に向上させる。

ABSTRACT

Context. Solar observatories are providing the world-wide community with a wealth of data, covering large time ranges, multiple viewpoints, and returning large amounts of data. In particular, the large volume of SDO data presents challenges: it is available only from a few repositories, and full-disk, full-cadence data for reasonable durations of scientific interest are difficult to download practically due to their size and download data rates available to most users. From a scientist's perspective this poses three problems: accessing, browsing and finding interesting data as efficiently as possible. Aims. To address these challenges, we have developed JHelioviewer, a visualisation tool for solar data based on the JPEG2000 compression standard and part of the open source ESA/NASA Helioviewer Project. Since the first release of JHelioviewer, the scientific functionality of the software has been extended significantly, and the objective of this paper is to highlight these improvements. Methods. The JPEG2000 standard offers useful new features that facilitate the dissemination and analysis of high-resolution image data and offers a solution to the challenge of efficiently browsing petabyte-scale image archives. The JHelioviewer software is open source, platform independent and extendable via a plug-in architecture. Results. With JHelioviewer, users can visualise the Sun for any time period between September 1991 and today. They can perform basic image processing in real time, track features on the Sun and interactively overlay magnetic field extrapolations. The software integrates solar event data and a time line display. As a first step towards supporting science planning of the upcoming Solar Orbiter mission, JHelioviewer offers a virtual camera model that enables users to set the vantage point to the location of a spacecraft or celestial body at any given time.

研究の動機と目的

• SDO、SOHO、STEREO などのミッションから得られる太陽の「ビッグデータ」時代における、意味のあるデータへのアクセス、ブラウジング、発見の課題に対処すること。
• 複数の視点と長期間にわたる時間に依存する高解像度の太陽およびヘリオスフィアデータを、効率的にビジュアライズすること。
• Solar Orbiter のような今後の太陽ミッションのための科学的発見とミッション計画を、インタラクティブな 3D ビジュアライゼーションとバーチャルカメラモデリングによって支援すること。
• プラットフォームに依存しないオープンソースのツールを提供し、プラグインによる拡張性を備え、多様な太陽データタイプと分析ワークフローに対応すること。
• イベントデータ、タイムライン、磁場モデルを統合することで、太陽現象の文脈的理解を向上させること。

提案手法

• JPEG 2000 圧縮を用いて、高解像度の太陽画像を段階的かつオンデマンドでストリーミングし、完全なダウンロードなしに大容量データの効率的なビジュアライズを可能にする。
• プラグインアーキテクチャを採用し、STEREO の複数視点データ、差分画像、1D/2D データのタイムライン可視化などの機能拡張を可能にする。
• バーチャルカメラモデルを実装し、ユーザーが任意の時点で宇宙船や天体の位置に視点を設定できるようにする。
• GONG からの周期的磁場マップを用いて、PFSS 磁場外挿モデルを統合し、コロナ磁場を可視化する。
• リアルタイム画像処理、太陽の自転補正付きの特徴追跡、イベント検出時に科学的品質のデータを重ねて表示する機能をサポートする。
• HEK（ヘリオフィジックスイベントナレッジベース）や SWEK（宇宙天気イベントナレッジベース）などの外部データソースに接続し、イベントの注釈とタイムライン相関を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 研究者が、完全なデータセットをダウンロードせずに、ピタバイト規模の画像アーカイブから興味深い太陽イベントをどのように効率的にブラウズし、発見できるか？
• RQ2 STEREO のようなミッションからの複数点の太陽データの 3D ビジュアライズは、太陽活動およびヘリオスフィア接続性の理解をどの程度向上できるか？
• RQ3 ビジュアライズツールに統合されたバーチャルカメラモデルは、Solar Orbiter のような今後の太陽ミッションのための効果的な科学計画を支援できるか？
• RQ4 PFSS 磁場外挿モデルとタイムラインの統合は、太陽現象の文脈的分析をどの程度向上できるか？
• RQ5 プログレッシブで領域指定型の JPEG 2000 ストリーミングは、数十年にわたるリアルタイムの高解像度太陽データビジュアライズをどのように可能にするか？

主な発見

• JHelioviewer は、1991 年 9 月から現在まで、1600万画素のフル解像度で太陽データをビジュアライズでき、完全なデータダウンロードなしに、ミッション全期間のブラウジングを可能にする。
• ソフトウェアは、リアルタイムの差分画像処理、太陽の自転補正付きの特徴追跡、太陽表面への PFSS 磁場モデルのインタラクティブな重ね合わせをサポートする。
• 2011 年 2 月以降、JHelioviewer を用いて 140 万本以上の動画が作成され、研究者、教育者、市民科学者による広範な採用が確認された。
• ヘリオフィジックスイベントナレッジベース（HEK）の統合と、スペースウェザーイベントナレッジベース（SWEK）のキュレーションにより、文脈的なイベント追跡とタイムライン相関が可能になった。
• バーチャルカメラモデルにより、ユーザーは任意の時点で宇宙船や天体の位置に視点を設定でき、Solar Orbiter や類似ミッションのミッション計画を支援する。
• オープンソースでプラットフォームに依存せず、拡張性のある設計であるため、同様の大規模データブラウジング課題を抱える他の分野でも再利用可能である。