构建宇宙并非易事。需要考虑的移动部分非常多，从浩瀚宏观到微观渺小。但在伊利诺伊大学北部边缘一栋普通的校园建筑里，Robert Patterson正驾驶着他与同事们创造的星系，一遍又一遍地检查路径，以兼顾物理学和生理学。毕竟，他希望创造一次真实的宇宙之旅，但又不希望引起任何人的不适。
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Patterson在高万维可视化实验室担任电影导演和摄像编排工作，自1985年以来，他与同事们一直致力于构建超高质量、高分辨率、数据驱动的3D可视化内容。您可能没听过AVL（高级可视化实验室），但很可能见过他们的作品；他们擅长制作博物馆穹顶影院的主力——大型格式制作。他们在最近的IMAX影片《哈勃3D》中创作了令人惊叹的数据可视化，目前他们的作品还在纽约美国自然历史博物馆和旧金山加州科学院等地上映。
这些作品并非仅凭创意而生，而是源于复杂的计算科学，AVL恰好处于这个交叉点上。利用伊利诺伊大学国家超级计算应用中心（HAL 9000的神秘发源地）提供的超级计算能力，AVL能够理解其他人无法处理的海量数据集，使其成为将复杂数据转化为科学驱动的艺术化电影领域的佼佼者。
AVL主任Donna Cox表示：“当你有PB级别的数据时，可视化就是一个超级计算问题。很多地方没有我们这样的超级计算能力，所以我们专注于利用最先进的计算机图形学工具，并将它们嵌入到超级计算环境中，这样我们就可以将所有这些处理器投入到可视化问题中。”
这些问题非常庞大——大到即使是技术精湛的数据可视化专家也并非总是能够胜任。以詹姆斯·韦伯太空望远镜为例，它将于2014年发射，届时将成为世界上最强大的望远镜。NASA戈达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center）的计算模型已经能相当好地描绘出韦伯望远镜睁开眼睛时将看到的情景，那里的研究人员希望分享这些成果。但即使有NASA庞大的人才库和巨大的计算资源，戈达德团队也意识到，数据的大小和复杂性带来了严峻的可视化挑战。
戈达德太空飞行中心电视和多媒体执行制片人Wade Sisler表示：“我们在NASA很幸运，拥有世界上一些最出色的数据可视化专家，所以我们从拥有优秀人才的前提开始。但当涉及到可视化时间和空间的宏大结构时，我们意识到即使拥有在这里的优秀人才，也无法将其充分展现。”
Sisler在几年前就认识了AVL——他称赞他们1996年首映的、由摩根·弗里曼（Morgan Freeman）旁白的IMAX影片《宇宙之旅》（Cosmic Voyage）令人惊叹。他最近对他们2006年数字穹顶制作《黑洞：无限的另一面》（Black Holes: The Other Side of Infinity）中的黑洞可视化印象深刻，他的团队于是聘请AVL将韦伯望远镜的模型转化为电影短片。
《星系碰撞》：AVL利用戈达德太空飞行中心模型中的计算数据，创作了这张描绘宇宙早期暴力星系形成的动画，用于詹姆斯·韦伯太空望远镜项目。完整影片可在NASA的JWST页面观看。
Sisler说：“我们意识到他们可能是地球上最擅长可视化时间和空间结构能力的组织。它需要非常特殊的能力来控制摄像机在复杂模型中穿梭。”
这种能力既包括智力才能，也包括技术实力。AVL的可视化团队是一个由科学家、视觉艺术家、数学家、电影制作人和软件设计师等组成的混合体，每个人都能相互学习。Cox称他们为“文艺复兴团队”，这个词是她创造的，用来描述他们的跨学科性质。
还有技术方面，四分之一世纪的软件开发和技术工具制造，将AVL的能力推向了其他数据可视化公司之上。该团队经常从头开始编写自定义软件，以解决特定数据集的问题或创建特定类型的渲染。他们为现成的程序编写了大量插件，并开源了自己的大部分代码。Cox表示，其中一些工具自1986年以来就一直在开发中，再加上NCSA的超级计算能力，便构成了一套强大的制作组合。
其中一项重要的工具是Virtual Director，该程序允许Patterson坐在巨大的3D屏幕前，以令人难以置信的速度在数据中穿梭，缩放、平移、规划路径，并以其他方式构建宇宙。使用他的笔记本电脑和一个六自由度轨迹球控制器，Virtual Director让Patterson成为观众，用指尖的轻微摆动，将观众温柔地引导穿过原行星盘或黑洞的暴力挤压。
利用AVL自主开发的工具，Patterson可以规划数据路径，在自由空间中检查路径，并对3D制作进行调整。然后，他可以与非常熟悉数据及其含义的科学家分享他的工作进展。AVL以其艺术性而自豪，但它更强调忠实于科学。
宇宙在再电离时期（宇宙诞生仅2000万年后）开始组织成一种“宇宙网”，并一直持续至今。AVL的这项可视化展示了这可能如何发生，并且是一个更长影片的一部分，该影片可在NASA的JWST页面观看。
Patterson说：“我们在初期会与科学家进行非常深入的合作，以便深入了解。然后，一旦我们制定了计划，我们会分享我们迄今为止的工作，确保我们在科学上方向正确。之后，可能会更多地关注美学方面；调整颜色，确保我们拥有想要的深度等等。有一个科学评审，然后还有一个类似电影的评审。”
通常，科学和电影必须相互启发才能使可视化作品有效。AVL处理的许多数据集——特别是天体物理学数据——包含戏剧性的尺度范围。从非常大到非常小无缝过渡，要求Patterson——因此也要求观众——在时间和空间中快速移动，同时尺度也发生数个数量级的增长或缩小。
Patterson说：“在《哈勃3D》中，我们的眼睛张开了大约5万光年宽，以便看到我们附近宇宙的结构，然后我们会急剧缩小。但我们已经做了更具戏剧性的瞳距动画，当我们身处银河系时，我们的眼睛可能宽几秒差距，然后当我们离开时，它们就会急剧增大。”
但在充满观众周边视觉的数字穹顶或IMAX环境中，所有这些缩放和尺度调整实际上会产生一种物理运动感，Patterson利用了这种感觉——在一定程度上。
Patterson说：“很多时候，当我为大屏幕制作摄像机移动时，我倾向于将摄像机视为影院。所以如果你向下倾斜摄像机，你就可以想象人们实际上是在向前倾斜、向后倾斜或滚动，这确实会产生物理冲击。我喜欢让人们获得一种有趣、有代入感、引人入胜的体验——一种穿越数据的旅程——但我在这方面很小心。”
JWST将使天文学家能够深入太空，看到年轻恒星和行星正在形成处的密集云层。AVL的这项可视化是一个更长影片的一部分，该影片可在NASA的JWST页面观看。
这些沉浸式、大规模、3D数字穹顶制作为博物馆之旅增添了色彩，但这些可视化内容超越了简单的娱乐。Cox说，AVL不仅仅是制作电影，还在于理解信息。这在当今是一个相当有前途的商业模式。
Cox说：“数据是我们未来最大的挑战，”她指的是AVL以及更广阔的世界。“数据正在被广泛收集，不仅在科学领域，在人文学科也是如此。我们从国土安全部到捕捉PB数据的望远镜，到处都在生成数据。”
堆积如山的 डाटा如果不能以一种有意义的方式呈现，对科学家乃至公众而言都毫无意义。虽然天体物理学仍然是AVL的专长，但Cox的文艺复兴团队渴望承担更多样化的项目。目前，他们最兴奋的是进入地球科学领域，她希望不久后他们将更积极地进入生命科学的可视化领域。最终，她希望将人文学科和科学融合，形成能够顾及整个世界的宏大可视化。
她说：“未来，我们希望将社会和人口统计学（例如迁徙和生态系统的迁徙）的抽象关系数据库，与我们的大规模地球科学数据相结合。我们将通过融合各种数据，使其具有意义，从而帮助我们理解自然的复杂性。”
在更近的未来，AVL将继续将复杂数据转化为艺术，用于公众宣传，将科学现象如同舞台上的演员一样进行导演。Sisler已期待AVL与NASA的下一次合作，这次是为2011年底或2012年初计划的博物馆穹顶展，尽管他尚未准备好透露具体内容。
鉴于AVL将最复杂的数据转化为艺术的过往记录，这次的内容可能与宇宙中的任何事物有关。
