[논문 리뷰] JHelioviewer - Time-dependent 3D visualisation of solar and heliospheric data

Daniel Mueller, B. Nicula외 10명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 22.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 27인용 수 40

한 줄 요약

JHelioviewer는 SOHO, SDO, STEREO 등에서 제공하는 페타바이트 규모의 이미지 아카이브를 온디맨드로 스트리밍할 수 있도록 JPEG 2000 압축 기술을 활용하여 시간에 따라 변화하는 3D 태양 및 헬리오스피어 데이터를 시각화할 수 있도록 한다. 다중 지점 시각화, 실시간 이미지 처리, 기능 추적, 자석장 외삽, 미션 계획을 위한 가상 카메라 모델 기능을 지원하여 1991년부터 현재까지 태양 데이터의 접근성, 브라우징, 탐색을 크게 향상시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• SDO, SOHO, STEREO 등의 미션에서 유입되는 태양 '빅데이터' 시대에 의미 있는 데이터를 접근하고, 브라우징하며, 탐색하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 다양한 관측 지점과 장기간에 걸친 시간에 따라 변화하는 고해상도 태양 및 헬리오스피어 데이터를 효율적으로 시각화하기 위해.
• Solar Orbiter와 같은 향후 태양 미션을 위한 과학적 탐구와 미션 계획을 지원하기 위해 상호작용 가능한 3D 시각화 및 가상 카메라 모델링을 제공하기 위해.
• 플러그인 기반 확장성과 함께 플랫폼에 구애받지 않는 오픈소스 도구를 제공하여 다양한 태양 데이터 유형과 분석 워크플로우를 지원하기 위해.
• 사건 데이터, 타임라인, 자석장 모델을 통합하여 태양 현상의 맥락적 이해를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 고해상도 태양 이미지를 점진적이고 온디맨드로 스트리밍할 수 있도록 JPEG 2000 압축 기술을 활용하여 전체 데이터를 다운로드하지 않고도 대용량 데이터의 효율적 시각화를 가능하게 한다.
• 플러그인 아키텍처를 활용하여 기능을 확장하며, STEREO의 다중 시점 데이터, 차이 이미지, 1D/2D 데이터의 타임라인 시각화 기능을 포함한다.
• 사용자가 특정 시점에 우주선이나 天체의 위치로 뷰잉 시점(시각적 시점)을 설정할 수 있도록 가상 카메라 모델을 구현한다.
• GONG에서 제공하는 통합 자석장도를 기반으로 PFSS 자석장 외삽 모델을 통합하여 코로나 자석장의 시각화를 가능하게 한다.
• 실시간 이미지 처리, 태양 회전 보정 기능을 갖춘 기능 추적, 그리고 사고 감지 시 과학적 품질의 데이터를 오버레이하는 기능을 지원한다.
• HEK(Heliophysics Event Knowledgebase)와 SWEK(Space Weather Event Knowledgebase)와 같은 외부 데이터 소스에 연결하여 사고 주석 및 타임라인 관련성을 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연구자들은 페타바이트 규모의 이미지 아카이브에서 전체 데이터 세트를 다운로드하지 않고도 효율적으로 흥미로운 태양 사건을 브라우징하고 탐색할 수 있는가?
• RQ2 STEREO와 같은 미션에서 유입되는 다중 지점 태양 데이터의 3D 시각화는 태양 활동과 헬리오스피어 연결성 이해에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 시각화 도구 내의 가상 카메라 모델이 Solar Orbiter와 같은 향후 태양 미션의 효과적인 과학 계획을 지원할 수 있는가?
• RQ4 PFSS 자석장 외삽 모델과 타임라인 통합은 태양 현상의 맥락적 분석을 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 진행적이고 영역 중심의 JPEG 2000 스트리밍은 수십 년에 걸친 실시간 고해상도 태양 데이터 시각화에 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• JHelioviewer는 1991년 9월부터 현재까지 16메가픽셀 해상도의 전체 해상도로 태양 데이터를 시각화할 수 있으며, 전체 미션 기간 동안의 브라우징이 가능하지만 전체 데이터를 다운로드할 필요 없이 구현된다.
• 이 소프트웨어는 실시간 차이 이미지, 태양 회전 보정 기능을 갖춘 기능 추적, 태양 표면에 PFSS 자석장 모델을 상호작용적으로 오버레이하는 기능을 지원한다.
• 2011년 2월 이래로 JHelioviewer를 사용해 140만 개 이상의 영상을 제작했으며, 연구자, 교육자, 시민 과학자들 사이에서 널리 보급된 것을 보여준다.
• Heliophysics Event Knowledgebase(HEK) 통합과 Space Weather Event Knowledgebase(SWEK)의 코딩을 통해 맥락 기반의 사고 추적 및 타임라인 관련성을 제공한다.
• 가상 카메라 모델을 통해 사용자는 언제든지 우주선이나 천체의 위치로 뷰잉 시점을 설정할 수 있으며, Solar Orbiter 및 유사한 미션의 미션 계획을 지원한다.
• 이 도구의 오픈소스, 플랫폼 독립적, 확장 가능한 설계 덕분에 유사한 대용량 데이터 브라우징 과제를 겪는 다른 분야에서도 재사용이 가능하다.