Český matematik ukazuje světu nejostřejší Slunce!

Data od NASA

„Mysleli si, že jsem nějaký hacker,“ popisuje s nadsázkou Miloslav Druckmüller svou zkušenost při stahování surových snímků pořízených sondou SDO (Solar Dynamic Observatory) z archivu NASA. Ty jsou veřejnosti volně dostupné a každý si může nejen prohlédnout poslední záznam z družice v jakémkoliv z dostupných oborů spektra, ale vytvořit si i animaci. Miloslav Druckmüller ovšem ke své práci potřeboval obrovské množství dat a v plné kvalitě, což znamenalo invazivní stahování stovek gigabajtů snímků v kuse. Pracovníky v NASA to pochopitelně vyděsilo - považovali zpočátku za útok na jejich server. Samozřejmě se všechno vyjasnilo, dopadlo dobře a Miloslav Druckmüller ke své práci potřebné snímky získal a získává dál. To byl ovšem jen pouhý začátek obří práce, na jejímž konci jsou snímky (a zejména videa ve 4k a Full HD kvalitě) nejostřejšího Slunce.

Problémy s daty

Aby mohl Miloslav Druckmüller začít s daty pracovat, musel vytvořit ne jeden obsáhlý program, ale hned několik. Ten první se přitom zabýval tím relativně nejbanálnějším – přečíst informace ze snímku, aby jej pak jiný algoritmus mohl pixel po pixelu diagnostikovat a začít pracovat s jeho potenciálem. NASA surové snímky poskytuje ve standardním formátu FITS; ve formátu, jehož standard sice sama přesně definovala, ale který bohužel už moc nedodržuje. Proto se procedura na čtení dat ve formátu FITS, napsaná před několika lety, rozrostla o desítky příkazů řešících to, co nefungovalo, ale fungovat mělo. Jak ale bylo řečeno, toto byl jen pouhý začátek.

Zrození programu NAFE

„Planckian Mapping - Noise Adaptive Fuzzy Equalization“, tedy PM-NAFE, je ten pozoruhodný nástroj, který český matematik vytvořil, aby světu ukázal nejostřejší Slunce. Trvalo mu to zhruba 2 roky (jeho žena Zuzana by asi dodala: „...a 25 let před tím!“). Během těchto 2 let vytvořil 16 programů (asi 25 000 příkazových řádků) na stahování dat z Internetu, bezeztrátovou kompresi pro efektivní uložení dat, analýzu a kalibraci obrazových sekvencí, geometrické sesazení obrazů, NAFE algoritmus, syntézu barev, ale i závěrečné generování videa. Klíčovým algoritmem je NAFE, což je z matematického hlediska jakýsi „kříženec" mezi konvolucí a adaptivní ekvalizací histogramu, je algoritmus umožňující vizualizaci jemných detailů s nízkým kontrastem v obrazech s původně vysokým celkovým kontrastem, a to bez vytváření nereálných artefaktů. Vytvořit jedno video v NAFE v praxi znamená stáhnout 4000 – 6000 obrazů po 33 MB a dále 8-12 dní čistého času práce na plně vytíženém počítači s 8jádrovým procesorem i7 s frekvencí 3,6 GHz! Ovšem i tak, pokud to někoho láká, nabízí Miloslav Druckmüller svůj program se svou obří skromností a zapálením pro věc zcela zdarma a uvítá jeho plné využití jak k vědeckým, tak pochopitelně k popularizačním účelům. Výsledné časosběry totiž lákají kvalitou 4K!

Proč přepracovat data od NASA?

„Kosmická sonda NASA SDO, pozorující Slunce od roku 2010, poskytuje denně asi 1,5 TB dat. Její přístroj AIA pozoruje sluneční korónu v daleké ultrafialové části spektra s rozlišením asi 0,5 úhlové vteřiny na pixel. Obrazy mají 4096 x 4096 pixelů, dynamický rozsah 14 bit/pixel a mají celkově fantastickou kvalitu. Tyto obrazy obsahují velké množství detailů pro lidský zrak neviditelných, pokud nejsou vhodně matematicky zpracovány," vysvětluje Druckmüller důvod jeho zájmu o data. To, že můžeme obrazy pořízené na vlnových délkách 9,4 až 30,4 nm vidět, je dáno tím, že si je např. na monitoru počítače zobrazíme pomocí záření, které jsme schopni vidět. To je pochopitelně triviální fakt. Pokud ovšem chceme obraz vidět barevně, musíme nějakým, pro lidský zrak srozumitelným způsobem barvy „vytvořit“. Kamera AIA na družici SDO snímá sluneční korónu v několika různých spektrálních pásmech: 9,4 nm, 13,1 nm, 17,1 nm, 19,3 nm, 21,1 nm, 33,5 nm a 30,4 nm. Běžně používaná metoda, jak vytvořit barevný obraz, je vybrat trojici obrazů pořízených v různých spektrálních pásmech a použít je jako RGB složky barevného obrazu. Takto vzniklý obraz má často efektní barvy, avšak těžko pochopitelné. Abychom získali obraz s pochopitelnými „přirozenými“ barvami, je nutné vymyslet postup, jak matematicky simulovat pohled na nějaký fyzikální děj, která známe. A právě to je produktem revolučního programu prof. Druckmüllera.

Co tedy snímky a videa člověku ukazují?

Videa samozřejmě ukazují člověku Slunce poněkud falešně. Ovšem nikoliv nesprávně! V nově vytvořených videích je použité zobrazení barev odvozeno od tzv. charakteristické teploty jednotlivých spektrálních pásem. Charakteristické teplotě pak lze přiřadit barvu simulací záření absolutně černého tělesa o této teplotě. Charakteristické teploty pro spektrální pásma pozorovaná SDO  AIA jsou však natolik vysoké, že záření absolutně černého tělesa o této teplotě by spadalo někam do rentgenové části spektra. Tyto teploty Druckmüller transformuje na teploty nižší podobně tak, jako transformuje neviditelné záření na viditelné. Tímto postupem vzniknou obrazy s barvami, které mají srozumitelný význam. Jinými slovy – takto bychom Slunce očima neviděli. Ale snahou profesora bylo především zviditelnit ty nejzajímavější jevy na Slunci, probíhající v očima neviditelných oborech spektra, a to v té nejvyšší možné kvalitě. Na snímcích a videích tak můžete vidět bouřlivé jevy jako erupce a protuberance ve viditelném oboru, ale i děje probíhající současně např. v ultrafialovém světle. Odhalují se tím v plně dostupné kvalitě komplexní souvislosti jevů horkého, ale i chladného plazmatu v neuvěřitelně silném magnetickém poli nad viditelným povrchem naší mateřské hvězdy. Jak ale český matematik upozorňuje, nemá smysl videa shlížet komprimovaná (např. na Youtube), ale stáhnout si je z jeho stránek v plné kvalitě. Teprve pak plně pochopíte jejich přínos.

O Miloslavu Druckmüllerovi

Miloslav Druckmüller (nar. 1954) je český matematik, fotograf a profesor na fakultě Strojního inženýrství Vysokého učení technického v Brně. Zabývá se především matematickými metodami ve zpracování digitální fotografie, v čemž dosahuje světových úspěchů. Jeho nejznámějším přínosem jsou revoluční snímky sluneční koróny při úplných zatměních Slunce. Prof. Druckmüller je rovněž nositelem dvou významných ocenění České astronomické společnosti – Astrofotograf roku (2006) a čestné Kopalovy přednášky za rok 2010. Ve světě se rovněž dočkal několika uznání: vyjma zasloužených úspěchů ve vědecké komunitě bylo rovněž několik jeho snímků publikováno NASA jako prestižní Astronomický snímek dne. Více o prof. Druckmüllerovi v síni slávy Astro.cz a další snímky a videa najdete na jeho webových stránkách.

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Stránky prof. Druckmüllera - program NAFE
[2] Program NAFE ke stažení
[3] Miloslav Druckmüller v síni slávy ČAS
[4] Snímky z družice SDO
[5] Odborný článek na webu The Astrophysical Journal
[6] Astronomický snímek dne NASA: Vzplanutí na ostřejším Slunci