建構宇宙並非易事。其中牽涉到諸多因素，從天文尺度到微觀尺度，無所不包。但在伊利諾大學北郊一棟普通的校園建築裡，羅伯特·帕特森正飛速穿梭於他與同事們共同建構的星系之中，反覆檢查路徑，力求兼顧物理學和生理學原理。畢竟，他想創造一趟真實的宇宙之旅，但又不想讓任何人感到不適。
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帕特森在高級視覺化實驗室 (AVL) 負責影片導演和攝影指導。自 1985 年以來，他和他的同事一直致力於建立超高品質、高解析度、數據驅動的 3D 視覺化作品。您或許沒聽過 AVL，但您很可能了解他們的作品；他們專長於大型製作，而這些作品正是博物館穹頂影院的標準配備。他們為近期上映的 IMAX 電影《哈伯 3D》創作了一些令人驚嘆的數據視覺化效果，目前他們的作品正在紐約美國自然歷史博物館和舊金山加州科學院等地展出。
這些作品並非僅源自於創意，而是源自於複雜的計算科學，而AVL正是在這一交會點上找到了自己的用武之地。憑藉伊利諾大學國家超級運算應用中心（傳說中HAL 9000的誕生地）的超級運算能力，AVL能夠處理其他機構無法理解的大量資料集，使其成為將複雜資料轉化為科學驅動的電影藝術領域全球頂尖的機構之一。
「當資料量達到TB級時，視覺化就是一個超級運算難題，」AVL主任唐娜·考克斯說。 “很多地方沒有我們這樣的超級計算能力，所以我們專注於利用最先進的計算機圖形工具，並將它們嵌入到超級計算環境中，這樣我們就可以把所有這些處理器都用於解決可視化問題。”
這些問題非常棘手——事實上，即使是經驗豐富的數據視覺化專家也可能無法應對自如。以詹姆斯韋伯太空望遠鏡為例，它將於2014年發射，屆時將成為世界上最強大的望遠鏡。美國太空總署戈達德太空飛行中心的計算模型已經相當清楚地描繪出韋伯望遠鏡開啟觀測視野後的景象，那裡的研究人員也希望與大家分享這些成果。然而，即便擁有美國太空總署龐大的人才庫和強大的運算資源，戈達德團隊也意識到，數據的規模和複雜性為視覺化帶來了嚴峻的挑戰。
「我們NASA很幸運，擁有世界上一些最優秀的數據視覺化專家，所以我們一開始就認為我們已經擁有了優秀的人才，」戈達德太空飛行中心電視和多媒體執行製片人韋德·西斯勒說道。 “但是，當需要將更宏大的時空結構可視化時，我們意識到，即使我們擁有如此傑出的人才，我們仍然缺乏足夠的資源來完美地呈現它。”
西斯勒幾年前就對AVL有所了解——「他們在《宇宙之旅》中的出色表現讓我嘆為觀止，」他談到這部由摩根·弗里曼旁白、於1996年首映的熱門IMAX影片時說道。最近，AVL在2006年數位穹頂影片《黑洞：無限的另一面》中對黑洞的視覺化效果也給他留下了深刻的印象，他的團隊因此與AVL合作，將韋伯望遠鏡的模型製作成了電影短片。
星系碰撞：AVL利用戈達德太空飛行中心模型提供的計算數據，為詹姆斯韋伯太空望遠鏡製作了這段動畫，描繪了宇宙早期劇烈的星系形成過程。完整版影片可在NASA的JWST網頁上觀看。
「我們意識到，他們可能是地球上最擅長視覺化時空結構的機構，」西斯勒說。 “要控制攝影機在複雜模型中的飛行，需要非常特殊的能力。”
這種能力一部分源自於智力天賦，一部分源自於技術實力。 AVL的視覺化團隊匯集了科學家、視覺藝術家、數學家、電影製作人和軟體設計師等各行各業的精英，每個人都能從其他人身上學習。考克斯稱他們為“文藝復興團隊”，這個詞是她創造的，用來描述他們的跨學科特性。
此外，還有技術方面的優勢，過去四分之一世紀的軟體開發和技術工具製造，使AVL的能力超越了其他資料視覺化機構。團隊經常從零開始編寫客製化軟體，以解決特定資料集的問題或建立特定類型的渲染圖。他們為現成的程式編寫了大量插件，並將許多程式碼開源。 Cox表示，其中一些工具自1986年以來一直在開發中，再加上NCSA的超級運算能力，它們構成了一套強大的生產套件。
這些工具中最重要的是「虛擬導演」（Virtual Director）程式。有了它，帕特森可以坐在巨大的3D螢幕前，以驚人的速度穿梭於數據之中，進行縮放、平移、路徑規劃等操作，從而構建宇宙。透過筆記型電腦和六自由度軌跡球控制器，「虛擬導演」讓帕特森化身為觀眾，只需靈巧地輕拂指尖，便可引導他們穿梭於原行星盤或黑洞的劇烈坍縮之中。
利用AVL自主研發的工具，帕特森可以規劃資料路徑，在自由空間中檢視自己的軌跡，並在三維空間中調整作品。之後，他可以與精通數據及其意義的科學家分享正在進行中的作品。 AVL以其藝術性為傲，但更注重對科學的忠實遵循。
宇宙從再電離時期（當時宇宙只有2000萬年歷史）開始，逐漸形成了一種“宇宙網”，並一直延續至今。這段AVL視覺化圖像描繪了這個過程，它是NASA詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）網頁上更長影片的一部分。
帕特森說：「一開始我們會和科學家們進行非常深入的合作，學習很多東西。然後，一旦我們制定了計劃，我們就會分享我們一路走來所做的工作，確保我們的方向符合科學。之後，它可能會更注重美學方面；調整顏色，確保達到我們想要的景深等等。這包括科學審查和電影般的審查。」
通常，科學與電影必須相互啟發才能使視覺化效果出色。 AVL處理的許多資料集——尤其是天文物理資料——都包含巨大的尺度跨度。從極大尺度到極小尺度的無縫轉換，要求帕特森（以及觀眾）在時空穿梭中快速移動，同時也要經歷幾個數量級的放大或縮小。
「在哈伯3D模型中，我們的雙眼寬度一度達到約5萬光年，以便我們能夠觀測到附近宇宙的結構，然後又迅速縮小，」帕特森說。 「但我們也製作過更為誇張的雙眼間距動畫，在銀河系中時，我們的眼球寬度可能達到幾個秒差距，而當我們離開銀河系時，眼球寬度則會急劇增大。”
但在充滿觀眾週邊視野的數位圓頂或 IMAX 環境中，所有這些縮放和放大實際上可以創造一種物理運動感，而帕特森在一定程度上利用了這種感覺。
「很多時候，當我為大螢幕設計鏡頭運動時，我傾向於把攝影機想像成舞台，」帕特森說。 「所以，如果你把攝影機向下傾斜，你就可以想像人們真的會向前傾斜、向後傾斜或翻滾，這確實能產生一種真實的視覺衝擊。我喜歡給人們帶來一種有趣、身臨其境、引人入勝的體驗——一次穿越數據的旅程——但我會非常謹慎地控制它。”
詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）將使天文學家能夠深入太空，觀測到年輕恆星和行星正在形成的緻密星雲。這段AVL視覺化影像是NASA JWST網頁上提供的一部更長影片的一部分。
這些沉浸式的大型3D數位圓頂作品為博物館之旅增添了趣味，但這些視覺化技術遠不止於簡單的娛樂。考克斯表示，視聽實驗室（AVL）的目標不僅是製作影片，更重要的是理解資訊。而這在當今時代，無疑是一種相當具有前瞻性的商業模式。
「數據是我們未來面臨的最大挑戰，」考克斯說道，他指的不僅是AVL，而是整個世界。 「數據正被收集到各個領域，不僅在科學領域，在人文領域也是如此。從國土安全部到能夠捕獲PB級數據的望遠鏡，我們都在產生數據。”
如果無法以易於理解的方式呈現，不僅對科學家而言如此，對公眾而言亦是如此，那麼堆積如山的數據就毫無意義。雖然天文物理學仍然是AVL的強項，但考克斯的復興團隊渴望承接更多不同類型的項目。目前，他們最熱衷於進軍地球科學領域，考克斯希望他們很快也能更積極參與生命科學的視覺化工作。最終，她希望將人文科學和自然科學融合到涵蓋整個世界的宏大視覺化作品中。
「未來，我們希望將關於社會和人口統計的抽象關係資料庫——例如人口遷移和生態系統遷移——與我們的大規模地球科學數據相結合，」她說。 “我們將把所有不同的數據融合到可視化圖表中，從而幫助我們理解自然界的複雜性，並從中提取有意義的信息。”
在不久的將來，AVL將繼續把複雜的數據轉化為藝術作品，用於科普，如同在舞台上表演演員一般，引導科學現象的呈現。西斯勒已經開始期待AVL與NASA的另一次合作，這次是為一個博物館穹頂展覽做準備，預計將於2011年底或2012年初舉行，但他目前還不方便透露展覽的具體內容。
鑑於 AVL 曾經將最複雜的數據轉化為藝術作品，這件作品的主題可能涉及宇宙中的任何事物。
