null Visualisointi kertoo enemmän kuin tuhat lukusanaa

Havainnekuva neutronitähden kerroksellisesta rakenteesta. Punainen keskiosa on kvarkkiainetta. Annala E., Gorda T., Kurkela A., Nättilä J., Vuorinen A. Evidence for quark-matter cores in massive neutron stars. Nature Physics, Letter 01 June 2020.

Visualisointi kertoo enemmän kuin tuhat lukusanaa

Tieteessä visualisoinnilla on suuri merkitys. Visualisoinnilla tehdään tutkittava asia näkyväksi. Tieteellisiä visualisointeja esitetään nykyisin käytännöllisesti katsoen aina tieteestä suurelle yleisölle viestittäessä, esimerkiksi televisiouutisissa.

Luvuista kuviksi

Tietokoneiden ensimmäisinä vuosikymmeninä niillä vain laskettiin. Ne tuottivat ja tulostivat lukuja. Vähitellen monet teknis-visuaaliset alat kuten elokuvateollisuus, peliteollisuus ja mainosala ymmärsivät tietokoneiden mahdollisuudet kuvien teossa. Tietokonegrafiikan kehitystä joudutti omalta osaltaan kuvakepohjaisten käyttöjärjestelmien suosio.

Voimakkaasti kehittyvän tietokonegrafiikan imussa USA:n kansallinen tiedesäätiö NSF tilasi selvityksen jonka raportissa 1987 "Visualization in Scientific Computing" korostettiin tieteellisten tulosten kuvallisen havainnollistamisen merkitystä kansainvälisessä teknis-tieteellisessä kilpailussa.

Samana vuonna 1987 hankittiin CSC:lle ensimmäinen grafiikkatyöasema. 90-luvun alkuvuosina tutkijoiden käyttöön saatiin visualisointilaboratorio ja CSC:llä kehitetty tieteellisen visualisoinnin ohjelma.

Visualisoinnista oli Suomessakin tullut uusi tieteen menetelmä, jonka avulla tutkijat saattoivat paremmin tarkastella ja ymmärtää kasvavia datamääriä. Kymmenessä vuodessa laitteet ja ohjelmat halpenivat tasolle, jolla yksittäiset tutkijaryhmätkin saattoivat hankkia niitä omaan käyttöönsä.

 

Ilmakehävirtauksen havainnollistus jossa virtauksen nopeutta, suuntaa ja hienorakennetta visualisoidaan monella eri tekniikalla. Simulaatio Cassiani M., Ardeshiri H., NILU - Norwegian Institute for Air Research.

 

Tiede tehdään näkyväksi

Visuaaliset mielikuvat välittävät tutkimuksen periaatteet katsojalle ja kokemus voi olla käyttäytymistä ohjaava kuten koronaviruksen leviämisanimaatiot ovat osoittaneet.

Koronakeväänä 2020 tieteellisen tutkimuksen merkitys ja sen tulosten esittäminen visualisoinnin keinoin kasvoi. Virusta ei voi nähdä, eikä sen leviämistä voi ymmärtää samalla tavalla kuin vaikkapa tupakansavun ja -hajun. Koska sitä ei voi haistaa, maistaa, kuulla eikä nähdä silmin, täytyy se tehdä näkyväksi visualisoinnin keinoin.

CSC:n tieteellisen visualisoinnin asiantuntija Jyrki Hokkanen auttaa tutkijoita tieteellisen datan havainnollistamisessa. Hän myös ylläpitää visualisoinnin ohjelmistoja ja auttaa niiden käytössä. Artikkelin kaikki visualisoinnit ovat hänen tekemiään.

– Laskenta ja mittaukset tuottavat numeroita. Ihminen on kehittynyt tulkitsemaan asioita, joita hän aisteillaan ympäristössään havaitsee, ei numerosarjoja. Aivot ovat tarkimmillaan kuvia analysoidessaan, joten on luonnollista visualisoida tutkimustulokset kuviksi, Hokkanen kertoo.

Esitystapa täytyy kuitenkin miettiä mahdollisimman havainnollistavaksi. Visualisoinnin lisäksi kuuloaisti on varsin hyödyllinen eri ilmiöiden havainnointiin vaikkapa metallinpaljastimessa.

– Esimerkiksi radioaktiivisuuden havainnollistaminen on helpointa Geiger-mittarin nakutuksella, jolloin näköaisti vapautuu muuhun käyttöön.

 

Aerosolipartikkeleiden leviäminen huoneilmassa. Pienet siniset pisarat leviävät kuten savu, mutta painavammat punaiset putoavat vähitellen lattialle. Vuorinen V. et al. Modelling aerosol transport and virus exposure with numerical simulations in relation to SARS-CoV-2 transmission by inhalation indoors. Safety Science, Volume 130, 2020, 104866.

 

Tietoa voidaan esittää eri tavoin

Tieteellisessä visualisoinnissa kuvitetaan ilmiöitä, jolla on luonnollinen avaruudellinen muoto, kuten tähtisumujen kehitystä tai jäätiköiden dynamiikkaa.

Informaation visualisoinnissa kuvataan abstrakteja tilastollisia asioita kuten pörssikurssien kehitystä tai verkkosivuilla vierailuja.

– Terminologia johtaa helposti vääriin mielikuviin, sillä informaationkin visualisoinnissa voidaan havainnollistaa tieteellistä dataa. Molemmat menetelmät saattavat olla käytössä yhden ja saman aihealueen datojen havainnollistuksessa, Hokkanen tähdentää.

Tieteellisessä visualisoinnissa datapisteet esitetään usein pintoina tai tilavuuksina tai niihin liitetään esimerkiksi virtauksen etenemisviivoja osoittavia nuolia. Informaation visualisoinnissa pääpaino on tilastollisten menetelmien valinnalla ja käytöllä. Tulokset esitetään yleensä kaavioina.

Visualisointi ei aina rajoitu pelkästään tutkimusprosessin viimeiseen vaiheeseen, sillä myös välituloksia visualisoidaan. Esimerkiksi tietokonesimuloinnin reaaliaikainen visuaalinen esittäminen mahdollistaa simuloinnin parametrien ohjaamisen laskennan aikana siten, että malli saadaan kuvaamaan tutkittavaa ilmiötä tarkemmin.

Tieteellistä visualisointia voimakkaasti hyödyntäviä tiedealoja ovat molekyylitutkimus, lääketieteellinen kuvantaminen, biologia, ja monet fysiikan osa-alueet kuten mekaniikka ja tähtitiede. Oma luokkansa julkisia tieteellisiä visualisointeja ovat ilmakehäsimulaatiotulokset, eli säätiedotukset.

Jäätikön murtumisen visualisointi. CSC:llä laskettu tietokonesimulaatio. Kuvaan on lisätty laiva sadan metrin mitan havainnollistukseksi. Åström J., Vallot D., Schäfer M. et al. Termini of calving glaciers as self-organized critical systems. Nature Geosci 7, 874–878 (2014).

 

Visualisoinnin vaikeus

Visualisointi tehdään usein samalla tietokoneohjelmalla millä data on tuotettu. Haastavammissa tapauksissa tämä ei onnistu, ainakaan halutulla laadulla, jolloin tarvitaan erityisiä visualisointiohjelmia. Suurten datojen siirtämiseen tietokoneiden välillä voi kestää päiviä, joten visualisointi pyritään tekemään siellä missä data sijaitsee. Joskus tämä ei kuitenkaan ole mahdollista.

Kun data on visualisointiohjelman ulottuvissa, se muokataan ohjelman ymmärtämään muotoon. Suurten datojen uudelleenkirjoittaminen voi olla hidasta. Kun data on oikeassa muodossa ja luettu visualisointiohjelmaan, sitä katsellaan interaktiivisesti eri puolilta ja datakappaleita jaetaan osiin ja leikkeisiin muuttujien merkityksen selvittämiseksi.

Dataa käänneltäessä tietokone voi joutua piirtämään kuvia kapasiteettinsa äärirajoilla. Tällöin näyttö toimii nykien ja viiveellä kun näyttökortin tuhannet prosessorit eivät suoriudu laskuistaan reaaliajassa.

Visuaalinen vaikuttavuus vai tieteellinen todenmukaisuus?

Tiedelehden kansikuvalla on eri tehtävä kuin tutkimusjulkaisun kuvilla. Kansi kiinnittää huomiota eikä sen tarvitse tarjota tarkkaa tutkimustietoa. Tutkimuspapereissa taas odotetaan visuaaliselta tyyliltä kuivaa asiallisuutta, vakavasti otettavuutta.

– Tutkijatkin joutuvat mainostamaan tutkimustyötään. Vaikuttavat kuvat ovat tärkeä osa tutkimuksen näkyvyyttä ja sitä kautta rahoitusta, kertoo Hokkanen.

Lue lisää CSC:n visualisointipalveluista

CSC:n palvelimilla on käytettävissä lukuisia visualisointipainotteisia ohjelmia kuten molekyylikemian VMD ja pyMOL. CSC ylläpitää myös kahta yleisvisualisontiohjelmaa ParaView ja VisIt jotka molemmat ovat Open Source -ohjelmina ladattavissa valmistajiensa sivuilta ja asennettavissa paikallisesti pöytäkoneeseen, tai virtuaalikoneeseen kuten cPouta.

Lisää tästä aiheesta » Siirry sisältöihin ja uutisiin »

Hannu Mourujärvi