Методическая статья

Использование генеративного искусства для передачи прошлых и будущих климатических изменений

DOI:

10.3791/65073

⸱

31 марта 2023 г.

 , 
1Graduate School of Oceanography, University of Rhode Island, 2Rhode Island School of Design

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Здесь представлен протокол для визуализации климатических данных как генеративного искусства.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Способность понимать современный климат опирается на фундаментальное понимание прошлой изменчивости климата и способов, которыми планета стабилизируется взаимосвязанными обратными связями. В этой статье представлен уникальный метод перевода записей прошлых климатических переходов, сохранившихся в глубоководных отложениях, для широкой аудитории с помощью иммерсивной визуализации. Эта визуализация представляет собой мультимедийную инсталляцию, которая включает в себя геохимические записи ледниковых и межледниковых переходов и модельные прогнозы будущего антропогенного потепления, чтобы создать захватывающий опыт для зрителей, приглашая их взаимодействовать и размышлять о тонких, нюансированных различиях между подмножествами истории Земли. Эта работа демонстрирует пять интервалов времени, начиная с начала современной ледниково-межледниковой цикличности (~ один миллион лет назад), сравнивая прошлый климат с результатами моделирования прогнозируемого будущего антропогенного потепления (до 2099 года). Инсталляция состоит из нескольких экспериментальных проекций, по одной для каждого подмножества времени, отображаемых на разных поверхностях в комнате. По мере того, как зрители перемещаются по пространству, проекции медленно проходят через различные климатические переходы, используя такие методы анимации, как скорость, цвет, наслоение и повторение, и все это генерируется с помощью данных для конкретного места, чтобы передать уникальное поведение планеты в отношении глобального климата. Эта работа обеспечивает основу для уникальной визуализации научных данных с генеративной анимацией, созданной с использованием алгоритма Perlin Noise в центре установки. Исследовательские переменные, такие как температура поверхности моря, динамика питательных веществ и скорость изменения климата, влияют на формальные результаты, такие как цвет, масштаб и скорость анимации, которыми легко манипулировать и связывать с конкретными данными. Такой подход также позволяет публиковать данные в режиме онлайн и обеспечивает механизм масштабирования визуальных параметров до широкого спектра количественных и качественных данных.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Генеративное искусство и используемые здесь методы позволяют напрямую переводить количественные данные в анимацию, сохраняя при этом целостность данных. Художники используют генеративное искусство для изучения восприятия пространства и времени1,2, но генеративное искусство еще не широко используется с пространственными или временными научными данными. Представленная здесь работа обеспечивает простую основу для использования генеративных визуальных продуктов для демонстрации климатических данных. Эти продукты могут широко применяться, независимо от того, используются ли они для создания личных выставок или в качестве наглядного пособия для презентации или онлайн-публикации.

Использование геохимических измерений или оценок для масштабирования таких элементов, как цвет, форма, размер и скорость, обеспечивает средства визуальной передачи скорости и величины изменений, не требуя от зрителя чтения статьи, интерпретации графика или просмотра таблицы данных. В качестве альтернативы рандомизация выбранных переменных используется для того, чтобы сообщить об отсутствии данных или неопределенности, как в случае будущих прогнозов. Сопоставление геологического прошлого и будущего, возможно, является неотъемлемой частью эффективности этих продуктов в качестве инструментов научной коммуникации. Недавний опыт часто служит основой для сравнения современного изменения климата, что затрудняет понимание масштабов антропогенного изменения климата3.

Геохимические измерения, визуализированные в этой статье, охватывают переход к середине плейстоцена (MPT; от 1,2 миллиона до 600 000 лет назад), регистрируя изменения вблизи северной границы Южного океана с площадки U1475 4,5 Международной программы исследования океана. Данные MPT представлены в четырех анимациях, которые подчеркивают изменения в состоянии океана по мере охлаждения планеты и усиления ледниковой и межледниковой изменчивости6. Это обеспечивает геологическую основу, раскрывающую естественный ритм климата Земли, подчеркивая долгосрочную тенденцию похолодания, которая резко контрастирует с будущими климатическими прогнозами. Будущие оценки температуры представляют собой средние значения результатов 20 климатических моделей под воздействием репрезентативного углеродного пути 8.5 (RCP 8.5; сценарий с радиационным воздействием 8,5 Вт/м2 в 2100 году) для местоположения Нью-Йорк, Нью-Йорк7. RCP 8.5 представляет собой наихудший сценарий устойчивых выбросов, приводящих к повышению средней глобальной температуры на 3,7 °C к 2100 году8. Таким образом, в данной статье демонстрируется способ сравнения будущих прогнозов с геологическими данными для сравнения темпов изменения климата и изменчивости климата.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Воспроизведение существующих визуализаций

  1. Загрузите программное обеспечение для кодирования и визуализации (см. Таблицу материалов).
    1. Загрузите данные и код. В этой статье используются «степени неопределенности» с данными Marcks et al.4 и Cartagena-Sierra et al.5 по возрастной модели Starr et al.9.
      ПРИМЕЧАНИЕ: «Степени неопределенности» содержат пять файлов кодирования: Файл дополнительного кодирования 1, Файл дополнительного кодирования 2, Файл дополнительного кодирования 3, Файл дополнительного кодирования 4 и Файл дополнительного кодирования 5, с содержимым, относящимся к каждому периоду времени визуализации (MPT 1, MPT 2, MPT 3, MPT 4 и Future соответственно). Каждый из них содержит библиотекикодирования 10, используемые для визуализации, а также папки «Script», содержащие загруженные данные в .csv формате, код, используемый для генерации визуальных элементов «частица.js», и индексный файл «index.html», который связывает все соответствующие данные и код вместе.
  2. Откройте программное обеспечение для редактирования кода из «степеней неопределенности».
  3. Перетащите файл (MPT 1, MPT 2, MPT 3 или MPT 4) в редактор кода, чтобы визуализировать его.
    1. Файлы отображаются в меню EXPLORER в левой части окна. Проверьте процедуру визуализации данных из папки «Будущее» на шаге 1.7.
  4. В меню EXPLORER щелкните папку (MPT 1, MPT 2, MPT 3 или MPT 4), чтобы открыть раскрывающееся меню, щелкните сценарий, а затем нажмите на index.html.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Код появится в правой части окна.
  5. Щелкните левой кнопкой мыши часть окна с кодом для 'index.html' и выберите в меню пункт Открыть с помощью действующего сервера .
    ПРИМЕЧАНИЕ: Откроется окно интернет-браузера, в котором начнется воспроизведение визуализации.
  6. Закрытие и повторное открытие редактора кода может потребоваться между визуализациями при загрузке визуального элемента из другого подмножества времени. Повторите шаги 1.4-1.6 для каждого подмножества времени.
  7. Чтобы просмотреть визуализацию, основанную на будущих прогнозах, откройте папку «Будущее» на компьютере и перетащите папку «Накопление» или «Переход» в редактор кода. Разница между анимациями описана в разделе результатов.
  8. Выберите имя папки в окне EXPLORER и нажмите на index.html. Щелкните левой кнопкой мыши часть окна с кодом для 'index.html' и выберите в меню пункт Открыть с помощью действующего сервера .
    ПРИМЕЧАНИЕ: Откроется окно интернет-браузера и начнется воспроизведение визуализации, которую можно сохранить локально на компьютере путем записи экрана.

2. Редактирование визуализаций

ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы отредактировать визуализации, при необходимости выполните шаги 1.1-1.4 выше, чтобы загрузить соответствующие данные.

  1. Выберите интересующую папку в окне EXPLORER редактора кода и откройте основной файл скрипта, нажав на sketch.js.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Файл 'sketch.js' в MPT 1 (Supplementary Coding File 1) содержит наиболее подробные аннотации; Таким образом, данный файл может оказаться наиболее полезным для ознакомления с кодом.
    1. Код появится в правой части окна редактора кода. Внесите изменения в параметры визуализации в этом коде. Ищите аннотации к коду с подробными описаниями кода и его функций, которые следуют за двойной косой чертой «//» и далее обозначаются зеленым текстом (дополнительный рисунок 1).
    2. Определите переменные, которые будут связаны с данными или использоваться для настройки визуальных параметров (дополнительный рисунок 1).
    3. Загрузите данные в рабочую область (дополнительный рисунок 2).
    4. Определите визуальные параметры холста. Используйте цикл for, чтобы связать данные с конкретными характеристиками; здесь размер связан с изотопным значением азота «d15N» (дополнительный рисунок 3).
    5. Используйте цикл for, чтобы определить длину хвоста для каждого шара. Хвост относится к промежутку времени, в течение которого шары остаются на экране после появления, создавая накопление цвета по мере визуального развития (дополнительный рисунок 4).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь длина хвоста масштабируется до скорости накопления c37 алкенонов.
    6. Наконец, нарисуйте анимацию, применив алгоритмPerlin Noise 11 для определения формы визуальных элементов (дополнительный рисунок 5).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь в качестве базовой формы используется круг с шумом, приложенным к точкам по окружности круга. Они будут «покачивать» границу круга, создавая органическую шарообразную форму, которая отклоняется от круга на величину, определенную командой «покачивание».
    7. При необходимости отредактируйте код, используя аннотации для облегчения изменений.

3. Сохранение правок

  1. Сохраните изменения, одновременно нажав клавиши command и S .
  2. Чтобы просмотреть обновленные визуальные элементы, перейдите к файлу index.html в окне проводника, щелкните левой кнопкой мыши и выберите в меню пункт Открыть с помощью действующего сервера .
    ПРИМЕЧАНИЕ: Откроется окно интернет-браузера и начнется воспроизведение визуализации, которая может быть сохранена локально на компьютере путем записи экрана.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В этой работе получены шесть визуализаций, соответствующих пяти уникальным интервалам геологического времени, с визуальными аспектами, масштабированными до количественных данных, измеренных либо на глубоководных отложениях (рис. 1, рис. 2, рис. 3, рис. 4, видео 1, видео 2, видео 3 и видео 4), либо смоделированных на основе сценариев RCP Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) (...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Эта работа подчеркивает полезность генеративного искусства для научной коммуникации. Рабочий процесс можно использовать для преобразования существующих данных в элементы анимации. Хотя выходные данные анимации в этой работе уникальны тем, что каждый раз при запуске кода создается другая версия анимации, визуальные элементы масштабируются до данных геохимической и климатической модели; Таким образом, такие элементы, как цвет, скорость и размер, остаются постоянными до тех пор, пока входные данные остаются неизменными. Это...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы признают, что в настоящее время не существует каких-либо известных конфликтов интересов

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Мы хотели бы выразить признательность за поддержку, полученную от Джорджии Родс и Стюарта Коупленда в начале этого проекта - их поддержка и наставничество были необходимы для нашего успеха. Мы также хотели бы подчеркнуть полезность https://p5js.org/reference/ как ресурса в обучении программированию на JavaScript. Этот материал основан на работе, частично поддержанной Национальным научным фондом в рамках Соглашения о сотрудничестве EPSCoR #OIA-1655221 и их программой Vis-a-Thon, а также морским грантом Род-Айленда [NA23OAR4170086].

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
МольбертUlineH-1450SILТелескопический мольберт для удержания доски с пенопластовым сердечником
Плакатная доскаRoyal Brites#753064Доска с пенопластовым сердечником используется в качестве холста для проекции
Live ServerMicrosoft; Издатель: Ritwick DeyVersion 5.7.9Программное расширение для Visual Studio Code, позволяющее просматривать анимацию в окне браузера. Загружено в: https://marketplace.visualstudio.com/items?itemName=ritwickdey.LiveServer
Throw ProjectorOptoma796435814076Любая модель проекционного проектора, которая будет работать для проекционной поверхности/желаемого расстояния 
Visual Studio CodeMicrosoftверсии 1.74 для MAC OSПрограммное обеспечение для редактирования и выполнения кода. Загружено по адресу: https://code.visualstudio.com/

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Anadol, R. efik Refik Anadol. , Refik Anadol Studio, LLC. refikanadol.com/information/ (2023).
  2. Lieberman, Z. Paint with your Feet. , YesYesNo. www.yesyesno.com/nike-collab-paint-with-your-feet (2011).
  3. Moore, F. C., Obradovich, N., Lehner, F., Baylis, P. Rapidly declining remarkability of temperature anomalies may obscure public perception of climate change. Proceedings of the National Academy of Sciences. 116 (11), 4905-4910 (2019).
  4. Marcks, B. A. δ15N in planktonic foraminifera species G. bulloides and G. inflata from IODP Site 361-U1475. [Dataset]. PANGAEA. , (2022).
  5. Cartagena-Sierra, A. Latitudinal migrations of the subtropical front at the Agulhas plateau through the mid-Pleistocene transition. Paleoceanography and Paleoclimatology. 36 (7), e2020PA004084(2021).
  6. Ford, H. L., Chalk, T. B. The mid-Pleistocene enigma. Oceanography. 33 (2), 101-103 (2020).
  7. U.S. Climate Resilience Toolkit Climate Explorer. , U.S. Federal Government. Available from: https://crt-climate-explorer.nemac.org/ (2021).
  8. Stocker, T. IPCC: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. , Cambridge University Press. Cambridge. 1535(2013).
  9. Starr, A., et al. Antarctic icebergs reorganize ocean circulation during Pleistocene glacials. Nature. 589 (7841), 236-241 (2021).
  10. Li, Q., McCarthy, L. L. P5.js. , p5js.org/ (2023).
  11. Perlin, K. Improving noise. Proceedings of the 29th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques. , 681-682 (2002).
  12. Lisiecki, L. E., Raymo, M. E. A Pliocene-Pleistocene stack of 57 globally distributed benthic δ18O records. Paleoceanography. 20 (1), PA1003(2005).
  13. Robinson, R. S. Insights from fossil-bound nitrogen isotopes in diatoms, foraminifera, and corals. Annual Review of Marine Science. 15, 407-430 (2023).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи