Virtual Aurora

V_Auroraで表示した磁気圏MHDシミュレーションの磁力線群

V_Auroraで何ができるのか？
• 惑星磁気圏、電離圏の物理量を3次元動画で可視化できる。
• 動画再生機能。GFA形式保存。一部FBXも対応。

• もちろん、2次元画像も作成できる。
• mpeg、avi対応• 空間の物理量の断面図や固定点の時間変化が分かる。
• 空間の物理量をピックアップすることができる。
• 指定した空間の位置を通る磁力線を引くことができる。

V_Auroraで何ができるのか？
• 地球（惑星）磁気圏の磁場、磁気圧、プラズマベクトルなどの物理量の三次元可視化が可能。
• 空間の任意の点を通る磁力線を描画できる。これらの点や位置情報は外部のファイルから読み込むことも、バーチャルオーロラ上で指定することも出来る。
• 地球電離圏の表面の、電場などの物理量を表示することが出来る。
• 複数の3次元可視化画像から動画を作ることが出来る。
• 電離圏・磁気圏共通ファイルを読み込むと、電離圏と磁気圏の様子を別画面で同時に閲覧することが出来る。
• バーチャルオーロラ上で指定した直線上の物理量を、二次元グラフに表示することが出来る。

・V_Auroraの機能説明
・Virtual Auroraを使う準備
ソフトの準備（AVS、GCC）
データの準備（HDF5、xml）
・Virtual Auroraのインタラクティブモード
・Virtual Auroraのバッチモード
・流体要素追尾・並列分散処理への応用

AVS/Express （サイバネットシステム）• Virtual Aurora（V_Aurora)はAVS/Expressという可視化ソフトをベースに、関数を多数追加されて作りこまれた、惑星磁気圏・電離圏3次元可視化ソフトウェアである。
AVS/Expressそのものでもさまざまな可視化ができる。
たとえば、ジェット騒音、血管血流、雲の3次元構造の可視化に使用されている。
簡単操作（インタラクティブにモジュール群をつなぎ合わせていけばよい）→バッチ処理用にスクリプトを保存したり、実行ファイル形式で保存できる（V script）

V_auroraを使う準備１（2013年4月版）• ハードウェア• Linux(64bit)• ソフトウェア• AVS/Express（ライセンスも必要）• コンパイラ• gcc （v_auroraの関数を作る）• ライブラリ• FBXライブラリ(FBX出力用）• HDF5ライブラリ（オリジナル、AVS‐HDF5用）• SPLライブラリ• その他のソフトウェア• Xvfb(並列計算時にGUIを起動させない)V_auroraを使う準備２
AVS/Expressのインストール（C/C++のランタイム使用,gcc）→CDから（ライセンスはv_aurora実行スクリプト内で読み込む）
V_auroraのインストール（gcc使用、ライブラリ群使用）→ソースを展開してコンパイル。ライブラリのリンクと環境変数の変更の必要があります（共通インストールでは必要ありません）

データの準備1：シミュレーションデータ
• シミュレーションや観測データを使うことができる。
• AVSは指定したフィールドデータ形式のほか、HDF5、NetCDF形式を読み込むことができる。V_AuroraはHDF5形式を利用している。
• HDF5ファイルの命名形式は以下のとおりである
d290501_20130925131101.500.h5
データID_YYYYMMDDhhmmss.msc.h5
基本的に、HDF5データファイルの名前から、そのシミュレーションが何年何月何日のものかを検出するようになっている。
・データIDは、電離圏データはd290401、磁気圏データはd290501である。
一つのデータファイルには、一つの時刻のデータが含まれる

データの準備2：ヘッダ情報(xml)<?xml version="1.0" encoding="UTF‐8"?><StarsEventList st="2455291.9" et="2455291.9"> • XML(SPL)ヘッダファイル。この中には、イベントIDやユー<User id="1338"></User>
ザID、ミッションID（ここまで<Mission id="223103">は決まっている）データID、<Team id="223601">
フォルダ、シミュレーション<Data id="290501" folder="D290501"><File name="d290501_20100405083700.000.h5" データファイル、が書かれてdir="." st="2455291.9" et="24いる。
55291.9" flag="1" avsdata="sp04440.data"/><File name="d290501_20100405083700.500.h5" • V_Auroraはこれを読み込ん
dir="." st="2455291.9" et="24
で、「いくつのHDF5ファイルを55291.9" flag="1" avsdata="sp04441.data"/>処理するか」を考える。
</Data></Team>• オプションで、点情報（その</Mission>点を通る磁力線を引くとき）</StarsEventList>
2つのデータファイルを読み込む場合の書かれたcsvファイルを指定することもできるインタラクティブモード
• インタラクティブモードはデータファイル(HDF5)、ヘッダファイル(xml)があれば描画可能。
• インタラクティブモードで、表現したい物理量を決定し、そのパラメータを「パラメータファイル」に保存す
ると、ほかのデータを読み込んだときに同じパラメータが表示される
1.Ex.あるエリアの大きさで磁気圧断面を表現したい
2.どのデータファイル、xmlを開いても、同じパラメータファイ
ルを開けば操作なしに1.のパラメータで表現される。
Xml
HDF5

データ、ヘッダ情報

V_Aurora
Interactivemode
Parameter File

movie
GFA
ObjectHDF5(複数)可視化

V_auroraインタラクティブモード

バッチモード• インタラクティブモードで、表示したい物理量や色合いなどを決定し、そのパラメータを「パラメータファイル」に保存する• そのパラメータファイル内にxmlファイル名を記述することで、そのままGFAファイルを作ることもできる。
→画像結合処理もV_Auroraの機能の一つ。
Parameter file
Xml
HDF5

ステップ数
指定

V_Aurora
Batch
mode

Object
HDF5
（複数）
GFA
可視化

インタラクティブモード、バッチモードでできること

地球モデル

領域座標軸ベクトル

磁力線

等数値面

断面固定線上グラフ

電離圏断面断面線コンタ

電離圏断面線コンタ

流線の描画（磁力線の引き方）• AVSでの流線の定義• 初期位置を示すプローブ(点)を指定する• （点、線、面、球面、ユーザ定義点を指定できる）• 物理量のない”点”をベクトル成分を補間しながらつなぎ合わせる• 初期位置の(Bx,By,Bz)とその方向ベクトルを求め、特定の微少距離をそのベクトルで移動させる。これを繰り返すことで流線を描く。

ベクトルの大きさVx,Vyのとき、流線の長さは次のとおり
X=Vx＊δx Y=Vy＊δyδx＝0.7＊±＊セルの幅／（ベクトルの大きさ＊定数）
定数は、セル内でいくつ積分するかを定義する。
V=(1,1)で定数1のときは、大体半分くらい。

点の追尾（V_Auroraの機能ではない）• シミュレーションデータには、プラズマの速度Vx,Vy,Vzが含まれている。
• 高時間分解能のシミュレーションであれば、高い精度で仮想的な粒子点（追尾点）の追跡が可能である。
位置を指定する→線形補間でその場の速度ベクトルを求める→速度ベクトルを用いて時間分解能分の移動距離を算出• その追尾点から磁力線を引くことで、磁力線の追尾が可能である。
• ただし、プラズマの磁場凍結が成り立っている場合

仮想的な粒子の追尾（未）シミュレーションの時間間隔0.5秒
高い精度で仮想的な粒子（プラズマ）を追尾できる
ある時刻tの(x,y,z)に対してその場の速度(Vx,Vy,Vz)
X成分に対しては次の時間でのx座標x’は
x’=x+Vx/δt （δtはタイムステップ）y,zについても同様。これはHDF5にする前のオリジナルのシミュレーションデータを使ってFortranプログラムで行っている。

時間ステップごとに複数の点を追尾して保存
Xmlにファイル名を記述することで、V_Aurora
では、まるでプラズマ粒子を追跡しているような動画を作成することができる。

磁力線の追尾（未）追尾点の引き戻し（V_Auroraを呼び出す)• 追尾点は、データのあるところでしか行われない。
粒子は太陽風に流されて地球から遠ざかる・・・↓追尾点はベクトルが０でないため、いずれはフレームア
ウトする。
↓
磁力線があるにもかかわらず、基準点がフレームアウト
すると磁力線もかけない↓
フレームアウトする前に、磁力線に沿って引き戻す↓
V_Auroraの流線描画機能を利用して引き戻す

追尾点引き戻し• フレームアウトしそうな領域に入った追尾点を、バーチャルオーロラの機能を使って引き戻す。上記は‐60Re<X<‐50Reのデータを引き戻している。（この値は研究者が決定する）

引き戻し対象になる点が引き戻されても、再度引き戻しの対象になる→いずれはフレームアウトする

引き戻し対象になる点が引き戻されて、引き戻し対象外の点になる→追尾可能。何度か引き戻して継続的に追尾できるようになる。

引き戻し対象領域

磁力線の電離圏フットプリント• オーロラは磁力線に沿ってプラズマ粒子が流れ込み、大気をたたいて発光する現象↓• 磁力線に沿って大気に入り込むところ、つまり地球と磁力線の交わるところを、磁力線のフットプリントとして表示。
↓• この動きは実際のオーロラ現象や、極電離層電流に関連するものであることが期待される（電離圏のシミュレーションが詳しい）

オーロラが発生するところV_Auroraで描いたfootprint（点で表示）並列分散処理• 計算環境• Gfarm/Pwrake• 総ノード数41、総コア数458（HTをすればもっと）で計算可能• （現時点で最大ノード数36、最大コア数392で計算実績あり）• 2.2GBのHDF5ファイル14400処理に7時間半程度（非並列で16日）• 磁気圏の物理量を表示するオブジェクトファイル群(HDF5形式)• Pressureコンタースライス断面×３(SLICE.*****.h5) ★
• Pressure等圧面（CONT.*****.h5)• 速度ベクトル(VEC.*****.h5)• 磁力線（STREAM.*****.h5)★
• 球（点）（STREAM.*****P.h5) ★
★ 並列分散処理後3次元可視化しているもの

磁力線の追尾の3次元動画（GFA）を作成
する流れ
追尾点ファイル作成

シミュレーションデータ（各時間ごとのファイル）
スパコンからGfarm領域へ移動

HDF5形式データファイル、SPLヘッダファイルの生成（各時間ごとのファイル）
初期値は研究者が決定する（各時間ごとのファイル）

パラメータファイル作成（各時間ごとのファイルでテンプレートに追尾点情報とヘッダファイル情報を加えたもの）

V_Auroraの機能でオブジェク
トファイル群を作成
太線枠：並列分
散処理化されている部分

GFAファイルに結合

Developement• 粒子（球）の並列分散可視化• 磁力線と粒子（球）の並列分散処理化• 表示できる磁力線の制限がなくなった• 電離圏フットプリントの表示• （今後、並列分散環境で計算できるようにする）• 追尾点引き戻し機能• （今後、長時間にわたる磁力線の追尾が可能になる）

Future• 並列分散処理で、さまざまなパラメータを、さまざまな表現方法で可視化する• 現在、磁力線・粒子はともに3種類の着色• 磁力線と粒子を異なる色で表現する必要も↑ 並列分散処理によって書き出されたオブジェク
トファイルを結合するツールを作成
ユーザーがカスタマイズできる必要がある• 電離圏モードの充実• 電離圏・電離圏結合にかかわる現象を、どのようなパラメータで可視化したらよいか。