天文學家震驚了 通過90TB數據還原140億年宇宙演化史

　　來源：科學大院

　　「這裡有四組數據，每組數據都不一樣，當我們用通常的統計方法來看這些數據的時候，它們的方差、相關性系統值都完全一樣，看不出任何差別。但是，當我們用可視化方法把這些數據畫出來時，就能一眼發現它們的不同，特別是第四組數據，它其實是一隻可愛的小恐龍。」

　　可視化是什麼？其實可視化離我們很近，比如堪稱年度恐怖大片的支付寶賬單，年年刷爆朋友圈，大家可能都被嚇到過。這是因為可視化太直觀了，它們把數據轉化為形象的圖表，讓人們一目了然、快速地獲取信息，可以追蹤自己的飲食和消費習慣，於是人們看完就想剁手。

各國GDP數據

　　當然還可以複雜一些。這是大家熟悉的excel數據表，它記錄的是世界銀行統計的各國GDP的歷史數據。密密麻麻的幾頁，給我們一天的時間也很難發現裡面有什麼規律。那我們把它可視化出來看看。

　　可以看到各個國家不同年度的GDP值和排序變化，美國遙遙領先。總體來說，各個國家的GDP值都在增長，增長的快慢決定其排名的變化。中國上下徘徊幾次後，從1990年開始就義無反顧往上竄，勢頭很猛，直到2010年穩定在第二。

　　我們還可以跟這個圖進行交互，如果很想看看法國和中國，我們就可以選中它們，重點看它們的變化和相互關係，可以看到中國在哪一年超越了法國。

　　這就是可視化，把隱藏在數據中的規律化作直觀的圖像，讓數據開口講故事。這裡用到的是最簡單的可視化元素——柱狀圖。

　　數據的表現形式——統計圖

　　說到柱狀圖，我們不得不提一個重要的人物——威廉·普萊費爾，他是蘇格蘭一位非常有名的政治經濟學家，兩百多年前他就意識到一個現象：那些身居高位、業務繁忙的商人只需要關注一些統計結果，根本不需要大費周折去研究具體細節。

　　於是他設計出世界上第一個柱狀圖。世界上第一台計算機是1946年才問世，所以這個柱狀圖是純手工繪製。

各國進出口貿易額

　　上圖展示了蘇格蘭與其它各國的進出口貿易額。17年後，他又再接再厲，創造了世界第一個餅圖，曲線圖。

土耳其帝國在各州土地面積

　　這個餅圖展示了土耳其帝國當時在非洲、歐洲、亞洲所佔領的土地面積。

英國與北美進出口貿易差

　　這個曲線圖展示的是英國與北美的進出口貿易差。雖然這些是200年前繪製的圖表，但這些表現形式我們到現在還經常使用，可見這位普萊費爾的偉大。

玫瑰圖

　　這張圖很像盛開的玫瑰，它有一個美麗的名字——玫瑰圖。

　　故事發生在1855年，克里米亞戰爭期間，英軍傷亡慘重，當時一個叫南丁格爾的戰地護士，她通過搜集數據，發現很大部分死亡原因其實並非是「戰死沙場」，而是因為在戰場外感染了疾病，或是在戰場上受傷，卻沒有得到適當的護理。於是她設計了這個玫瑰圖。

南丁格爾圖/玫瑰圖：戰爭死亡統計圖

　　把圓分成12分，代表十二個月。藍色面積表示死於感染的士兵，紅色表示死於戰場的重傷，灰色表示其它原因。很明顯，藍色區域的面積明顯遠大於其他區域，這張圖一目了然地揭示了戰士死亡的真正原因。

　　南丁格爾把這份結果呈現給軍隊和伊麗莎白女王，促成了世界第一座戰地醫院的建立。也正因為有了戰地醫院及時的醫治與護理，死亡率從42%減低到2.2%，可以說這張圖挽救了很多戰士的生命，這也足以證明可視化對信息傳遞的重要性。

　　無論是柱狀圖餅圖還是曲線圖玫瑰圖，從本質上來說，都是統計結果的可視化。統計對分析當然很重要，但是光有統計是不夠的。

　　圖中有四組數據，每組數據都不一樣。當我們用通常的統計方法來看這個數據的時候發現，它x軸的均值y軸均值，方差、相關性系統值都完全一樣，看不出任何差別，很多特徵信息都丟失了。看來統計方法是不行了，那我們用更高級的可視化方法試一下。

　　我們把這些數據畫出來，就能一眼發現它們的不同，有九個點狀的、有X形的、有五角星形狀的，特別是第四組是一隻可愛的恐龍。

　　很有意思，可視化通過圖像迅速吸收、消化數據並把特徵信息形象的傳遞給我們。可是當數據越來越大，故事越來越複雜，怎麼畫數據就是一個難題了。

　　如果我們像剛才畫恐龍那樣把數據直接畫出來，問題又來了，什麼也看不見，所以我們需要研究新的可視化演算法。「體繪製技術」可以幫我們穿透這團迷霧。通過這種方法可以清晰地看到它是一隻手，還可以透過皮膚，看到血管與骨骼。

　　可視化的實際應用

宇宙演化模擬數據

　　這是一個天文學家給我們的140億年宇宙演化的模擬數據，大概有90TB的數據量，我們翻一年也翻不完。

　　這麼大的數據，這麼複雜的故事，需要用到超級計算機和各種複雜的可視化演算法，才能把它裡面隱藏的特徵信息形象的表達出來。天文學家只能把它們畫成簡單能量譜的曲線。

　　當我們把它可視化出來的時候，跟我們合作的天文學家震驚了，這是他們第一次可以直觀地看到自己模擬的整個宇宙及其動態演化。

宇宙結構模擬

　　上圖是這個數據的可視化結果，就是我們現在宇宙的樣子。這些星系經歷了140億年的穿行，形成現在的各種星系團結構，這些星團之間有一些絲狀結構的連接在一起，也許左下角飛過的小亮點就是我們的地球。

　　這個是最大的星系團，是我們銀河系的一萬倍，我們可以清晰地看到它的內部層次，它通過140億年不斷吞噬合併其它星系而形成了現在這樣一個龐大的天體結構。

星系演化模擬圖

　　天文學家還想看看這些大星系團是怎麼一步一步演化而來的。於是我們可以挑出天文學家感興趣的局部的區域。

　　可以看到，一開始粒子均勻分布，後來在引力的作用下，逐漸成各種不同的小團，大團直接吞噬小團，兩個相當的大團相互碰撞，合併最終形成一個超大的星系團。

星系演化模擬圖

　　天文學家還需要進一步分析其中的一個小的星系團，想看看它們在這場大的演化運動中，怎麼由小小的幾個星系團合併。

　　我們可以看到，剛開始，慢慢形成幾個小團，然後合併，之後幾度險些被衝散，最終有驚無險頑強地合併在一起。

　　有了可視化，天文學家不費吹灰之力，就有了一台指哪打哪的望遠鏡，而且還可以穿越歷史。當然要實現這些，我們突破了一系列關鍵技術，從數據組織與壓縮、並行與GPU加速繪製、色調映射、所見即所得的時序分析及特徵結構挖掘等一系列演算法來做支撐。

黑洞吸積盤流場可視化

　　黑洞也是天文學家特別關心的問題。我們都知道黑洞無限制吞噬吸收周圍的物質，實際上在這個過程中也會產生高速的噴流。

　　2013年歐洲XMM牛頓太空望遠鏡發現了黑洞會噴射重金屬流的現象。這些現象的背後的具體機制是個不解之謎，也是天文界的重大科學問題。

　　如果想要研究這個問題，首先需要用計算機來模擬這個現象。中科院上海天文台的科學家們想要進一步研究它的機理。但是模擬的結果對不對，模型演算法合不合理，沒有標準去驗證。

　　同時，對於粒子是怎麼進入黑洞，他們內部也有不同的看法。所以他們找到我們，問我們有沒有什麼辦法讓他們直觀看看數據，來驗證他們的方法。

　　我們為他們定製了這樣一個可視化的工具，幫助他們直觀地分析數據，看看物質是怎麼進入黑洞，以什麼樣的軌跡進入黑洞，有沒有物質噴射出來，如何噴射出來。

　　採用軌跡線的方法，手動在他們感興趣的區域撒點，就像我們在河裡撒一些泡沫以觀察河流的緩急。我們可以清楚到看到粒子是怎麼運動的，在哪兒開始被吞噬，正如科學家期待的那樣，這裡確實有物質噴出。

洋流可視化

　　我們都知道洋流對海洋航運，氣候、地理環境都有很重要的影響。可是面對茫茫的大海，觀測資料很少，科學家迫切需要清楚地看到整個海洋的洋流情況。直到有了衛星，有了超級計算機之後，我們才得到了更準確高精度的模擬數據。

　　將這些數據可視化可以讓科學家直觀地看到上圖的畫面，這對科學家來說是非常關鍵的，因為他們能清楚地看到洋流的速度、方向、溫度變化情況。比如說圖中這些渦和流，它們的相互作用但對科學家來說意義重大。通過可視化我們甚至還可以觀測海洋污染，比如石油泄漏，潛水艇可以更加安全地航行。

中國局部地形圖

　　我們經常遇到霧霾天，可能你們沒有從這個角度來看過霧霾。這是中國局部地形圖，紅色代表北京，黃色代表武漢，中間就是霧霾，不同的顏色代表不同濃度，底層像河流一樣的代表大氣的風場。

　　通過這樣的可視化，科學家從這裡可以看到霧霾是怎麼在風場和地理環境的影響下，從北京傳輸到武漢的。這對他們理解霧霾的傳輸過程很重要，可以更好地揭示不同地區間霧霾發生的相互關係。

　　我們不僅幫助大氣學家來尋找霧霾來源，也在輔助物理學家去尋找清潔能源。核能就是一種清潔能源，但是核廢料卻對環境有污染，處理核廢料，國際上最有效的方法，就是利用ADS嬗變系統。它可以用核廢料發電，還能解決核輻射問題。

　　中科院近代物理所牽頭研究這一技術，以上是他們委託我們做的嬗變系統的可視化。

　　這些粒子正在直接加速器上衝刺，下方條狀圖顯示，一開始，粒子團變化巨大，在加速過程中慢慢趨向穩定。管道中，紅色和藍色的椎體是不同的磁極，這些磁極的強度與分布，還有粒子的初始速度，都是可以調節的。

　　科學家可以直觀地看到這些數值調節以後的效果。目前，該研究工作已成功結題，正轉化為國家大科學裝置，準備開工建設。

高鐵可視化

　　最後說說大家都熟悉的高鐵。

　　其實，高鐵投入生產之前，科學家需要做很多工作。比如，為了以最少能量獲取最高的速度，我們需要讓尾部的渦旋儘可能地小，這樣行駛過程中的阻力更小。

　　我們要從高鐵尾部產生的海量流線里，幫助科學家找到最感興趣的尾部渦旋，也就是大家看到視頻當中運動的曲線。在這個過程中，科學家通過可視化，可以看到不同參數情況下渦旋的大小變化，就可以輔助高鐵的設計優化。

　　未來的可視化會是什麼樣子呢？可視化也許會脫離屏幕的限制，真正走到我們面前，或許你一個動作，一個眼神，就可以進行可視化的互動，就跟現在科幻電影里的場景一樣，我相信，這一天很快就會到來。

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