NVIDIA und Celestia:
Das Fenster zum Universum

 
 
image1.jpg „Die Celestia-Software spricht jeden an, vom Fünftklässler bis hin zu den Wissenschaftlern und Technikern bei der NASA. Dank NVIDIA lässt sich diese Highend-Grafik jetzt auch auf ganz normaler Hardware realisieren – in jedem Klassenzimmer, in jedem Wohnzimmer. Celestia ist einfach eine fantastische Programmierleistung. Jetzt hat jeder sein eigenes Fenster zum Universum!“ Alan Federman, Senior Engineer, Raytheon Technical Services Co., LLC, NASA Ames Research Center.

Grafik: Hochauflösende Grafik des Mars, angezeigt in Celestia

Eine echte Sternstunde
Natürlich war Chris Laurel ein guter Grafikprogrammierer. Doch seine große Liebe galt der Wissenschaft – und dort besonders der Astronomie und Raumfahrt. Warum also nicht diese beiden Interessen kombinieren? Laurel tat es – und schuf mit Celestia eine völlig neue 3D-Visualisierungssoftware, die inzwischen Wissenschaftler und Weltraumfans auf der ganzen Welt begeistert. Celestia läuft auf jedem Windows-, Linux- und Mac-Rechner und zeichnet sich besonders auf Systemen mit einer NVIDIA Quadro® oder NVIDIA GeForce™ Grafiklösung durch seine sehr hohe Grafikqualität aus.

Und was macht Celestia nun? Ganz allgemein gesagt ist es ein Open-Source-Astronomieprogramm, das hochauflösende Grafiken wie das oben dargestellte Marsbild anzeigt. Für optimale Leistung bedient es sich dabei der beschleunigten Sonderfunktionen für Bump Mapping und hochauflösende Texturen, die auf Systemen mit einer NVIDIA Grafiklösung zur Verfügung stehen. Was für einen großen Unterschied diese technischen Kniffe ausmachen, zeigt sich zum Beispiel, wenn man sieht, wie deutlich die großen Erhebungen am Rande des „hellen“ Gebiets in der obigen Grafik dargestellt werden. (Beim höchsten dieser Berge handelt es sich übrigens um Olympus Mons – den größten Vulkan im gesamten Sonnensystem und dreimal so hoch wie der Mount Everest.)

Seine Daten erhält Celestia aus Sternen- und Galaxienkatalogen sowie Bildarchiven der NASA. So kann dank Celestia jedermann und -frau einen “virtuellen Rundflug” durch das Universum unternehmen. Das Beste daran: Celestia steht auf der NVIDIA Website kostenlos zum Download zur Verfügung!

Eine ganz neue Perspektive
Vielleicht träumte auch Laurel als Kind einmal davon, Astronaut zu werden. Schließlich war er schon immer vom Weltraum fasziniert und interessierte sich für alles, was etwas mit Astronomie zu tun hat. Letztendlich entschied er sich jedoch für eine etwas bodenständigere Karriere und schlug eine Laufbahn als Softwareentwickler ein – inzwischen übrigens in der 3D-Grafik bei NVIDIA. Eine Entscheidung, über die sich die Wissenschaft rückblickend betrachtet nur freuen kann.

Der Hintergrund: Chris Laurel wollte wissen, wie gut er 3D-Grafik programmieren kann. Das Ergebnis: Celestia, ein neues Programm, das die Planeten, Raumsonden und Galaxien in unserem Universum realistisch visualisiert.

Das Problem: Celestia sollte plattformunabhängig sein. Die Grundfunktionalität für die Visualisierung konnte in SGI OpenGL® realisiert werden, Laurel wollte jedoch außerdem eine möglicht klare, realistische Bilddarstellung. Auch die Zuverlässigkeit war ein wichtiges Thema – viele OpenGL-Treiber erwiesen sich als zu instabil und fehlerbehaftet.

Die Lösung: : Wissenschaftler, Schüler und alle anderen Interessenten brauchen einfach nur eine NVIDIA Grafiklösung, um den Weltraum mit Celestia in bester Grafikqualität zu genießen. Celestia ist für NVIDIA Quadro- und GeForce-Produkte optimiert und ermöglicht auf diesen Plattformen beispielsweise realistisches Bump-Mapping, exakte Schatten und Atmosphäreneffekte.

Die Vorteile: Die hochwertigen, zuverlässigen NVIDIA Treiber sind das ideale Fundament für den effizienten, optimierten Celestia-Code. Die äußerst realistische Grafik trägt dazu bei, der nächsten Generation von potenziellen Weltraumforschern die Faszination des Weltalls zu vermitteln.
Eine 3D-Grafikanwendung zu programmieren, ist keine ganz leichte Aufgabe – doch gerade das machte die Arbeit für Laurel so interessant. Er wollte etwas Neues, Interessantes erschaffen, und seine Leidenschaft für die Astronomie war der perfekte Ausgangspunkt. Platz für neue Erfindungen gab es genug: Die bis dahin verfügbaren Weltraum-Visualisierungsprogramme, hauptsächlich Planetariumssoftware, waren auf reine 2D-Darstellung beschränkt und konnten lediglich ein Bild des Himmels aus der Erdperspektive anzeigen.

Also machte sich Laurel an die Arbeit – mit durchschlagendem Erfolg. Denn dank seiner Software Celestia kann jetzt jeder PC-Anwender am Schreibtisch einen Ausflug ins Weltall unternehmen. Kein Wunder, dass sie überall in den höchsten Tönen gelobt wird: Von der NASA bis hin zu Lehrern und ihren Schülern reichen die begeisterten Celestia-Fans. Schließlich stellt Celestia ja auch einen bedeutenden Fortschritt gegenüber der bis dato erhältlichen Software dar, die sich zudem meist nur für die Kuppelprojektion in einem Planetarium eignete.

„Die Celestia-Software spricht jeden an, vom Fünftklässler bis hin zu den Wissenschaftlern und Technikern bei der NASA“, erklärt Alan Federman, leitender Ingenieur am Ames Research Center der NASA. „Dank NVIDIA lässt sich diese Highend-Grafik jetzt auch auf ganz normaler Hardware realisieren – in jedem Klassenzimmer, in jedem Wohnzimmer. Celestia ist einfach eine fantastische Programmierleistung. Jetzt hat jeder sein eigenes Fenster zum Universum!“

Eines der Hauptanliegen in der Öffentlichkeitsarbeit der NASA ist es, Missionsdaten und -informationen möglichst nutzerfreundlich auch für Laien aufzubereiten. Außerdem will man zeigen, wie viel Spaß Wissenschaft machen kann. Dazu arbeitet man aktiv mit Pädagogen und Lehrern zusammen und entwickelt Materialien und Techniken, die dem wissenschaftlichen Nachwuchs das Thema Raumfahrt schmackhaft machen sollen. Denn, wie Federman erklärt: „Wir brauchen schließlich auch morgen noch Astronauten und Wissenschaftler. Also möchten wir Kindern schon in jungen Jahren einen Anreiz geben, sich näher mit dem Thema zu beschäftigen. Wir wollen zeigen, wie interessant Wissenschaft, Technik und Mathematik sein können – und hoffen natürlich, dass dies dazu motiviert, später einmal eine entsprechende Laufbahn einzuschlagen. In dieser Hinsicht ist Celestia ein wunderbares Mittel, um jungen Menschen auf der ganzen Welt die Faszination der Raumfahrt zu vermitteln.“

Trotz des überwältigenden Erfolgs ruht sich Chris Laurel nicht auf seinen Lorbeeren aus: Celestia bleibt seine ganze Leidenschaft, und in seiner Freizeit arbeitet er immer wieder an neuen Verbesserungen. Allerdings kann er es dabei etwas ruhiger angehen lassen, denn inzwischen tragen noch eine Reihe anderer Entwickler zur Arbeit an dem auf 100.000 Codezeilen angewachsenen Programm bei, darunter auch die NASA. Federman erklärt das große Interesse der NASA: „In den Schulen ist Celestia jetzt schon ein Riesenhit, und wir glauben, dass es sich auch für Besucherzentren und Museen perfekt eignen würde. Wir haben eine ganze Reihe von Ideen, wie wir Celestia noch stärker bei der NASA einsetzen können. Später wollen wir vielleicht sogar echte 3D-Stereografik einbauen und den Zuschauern 3D-Brillen geben – das wäre eine tolle Sache! Auf jeden Fall steckt in Celestia ein riesiges positives Potenzial.“

Mit Celestia lässt sich auch der Weg der Cassini-Sonde bis zu ihrem Eintritt in die Saturnumlaufbahn am 1. Juli 2004 verfolgen.


Die Fahrkarte ins Weltall

Laurels Celestia-Software, die bisher schon über drei Millionen Downloads verzeichnen konnte, ist gleichzeitig so etwas wie ein Portal zu der ständig wachsenden Basis von Weltraumdatenbanken und -katalogen. Enorme Datenmengen wie beispielsweise Sternen- und Galaxienkataloge oder bei Weltraummissionen gesammelte Bilddaten verwandeln sich dank Celestia in ein virtuelles Universum, das der Anwender auf seinem Desktop-PC oder Notebook bequem bereisen kann. Dabei ist Celestia sehr flexibel, was die Darstellung angeht:

Variable Zeitpunkte: Warum denn immer nur in der Gegenwart bleiben? Mit Celestia wird auch die Zukunft sichtbar

– zum Beispiel der letzte, noch ausstehende Reiseabschnitt der Saturnmission Cassini. So lässt sich mit Celestia der Weg der NASA-Raumsonde bis hin zu ihrem Eintritt in die Saturnumlaufbahn am 1. Juli 2004 nachverfolgen. Im Januar 2005 dann soll Cassini das Landegerät Huygens auf dem Saturnmond Titan absetzen. Von Huygens erwartet man sich unter anderem erste Bilder von der Oberfläche des Titan – die auch zeigen werden, ob es dort wirklich Seen aus flüssigem Ethan gibt, wie die Wissenschaftler spekulieren.

Doch natürlich ist auch eine Reise in die Vergangenheit möglich, zum Beispiel zu den frühesten astronomischen Großereignissen, die sich in den Geschichtsbüchern finden. Wie wäre es etwa mit der Sonnenfinsternis, die in Shakespeares König Lear erwähnt wird? (Allgemein wird angenommen, dass es sich dabei um die Sonnenfinsternis vom 2. Oktober 1605 handelt, als die Einwohner von London in einem seltenen Schauspiel sahen, wie die Sonne fast vollständig vom Mond verdunkelt wurde.)

Dynamische Wege durch die Daten: Die Reisewege vergangener und aktueller Weltraummissionen lassen sich ganz einfach nachfliegen.

Himmelskörper ganz nah im Blick – von der Erde über unser Sonnensystem bis hin zu entfernten Galaxien: Die Oberfläche unserer Nachbarplaneten lässt sich per Zoom-Funktion unter die Lupe nehmen. Ebenso stehen detaillierte 3D-Modelle von in der Vergangenheit gestarteten Raumsonden zur Verfügung.

Kein anderes 3D-Visualisierungswerkzeug bietet derart vielfältige Möglichkeiten, unser Universum ganz bequem am PC zu erkunden. Und da Celestia auf einem ganz normalen PC mit einer handelsüblichen Grafiklösung (am besten natürlich von NVIDIA) arbeitet, steht dieses Erlebnis einem breiteren Publikum offen als je zuvor. Lehrer vermitteln ihren Schülern mit Celestia die Faszination der Wissenschaft, Forscher bei der NASA und anderen wissenschaftlichen Instituten nutzen Celestia, um ihre Daten auf realistische Art und Weise zu visualisieren. Doch auch die interessierte Öffentlichkeit kann mit Celestia einen Blick ins All werfen – zum Beispiel auf die neuesten Marsbilder, übermittelt von der Sonde Mars Global Surveyor, die gerade den Roten Planeten umkreist. Sowohl als lauffähiges Programm als auch in Quellcode-Form steht Celestia auf der NVIDIA Website kostenlos zur Verfügung – eines der Entwicklungsziele war schließlich ein möglichst offenes und flexibles Programm. Laurel hofft, auf diese Weise seinen Teil zu neuen Weiterentwicklungen in der wissenschaftlichen Visualisierung beizutragen. Mit Erfolg: „Bei der NASA sind wir begeistert von Celestia – und tun einiges, um die Entwicklung der Software zu unterstützen“, meint beispielsweise Patrick Hogan, verantwortlich für das NASA Learning Technology Project.

Nicht nur die Sonde Global Surveyor kann man in Celestia auf ihrer Marsumlaufbahn beobachten – auch hochauflösende Bilder von Planeten, Sternen und anderen Sonnensystemen stehen zur Verfügung.


Noch besser mit NVIDIA

Celestia läuft auf verschiedenen Betriebssystem-Plattformen und ist unabhängig von der verwendeten Grafikkarte. Optimale Leistung bekommt der Anwender jedoch in Verbindung mit einer NVIDIA Grafiklösung, wie Chris Laurel erklärt: „Am besten sieht die Grafik auf einer NVIDIA Quadro- oder GeForce-Grafikkarte aus. Mit den dort unterstützten Vertex- und Pixelshadern lassen sich Planetenoberflächen mit Bump-Mapping, exakte Schatten für Finsternisse und realistische Atmosphäreneffekte rendern.“

Weitere Vorteile der NVIDIA Grafiklösungen sind ihr großer Grafikspeicher (bis zu 256 MB) und ihre hohe Speicherbandbreite (bis 27,7 GB/s). Die hohe Speicherkapazität und Geschwindigkeit ermöglicht es Celestia, noch detailgenauere Texturen zu erzeugen und somit die Grafikqualität für den Betrachter weiter zu verbessern.

Natürlich kennt sich Laurel seit seiner Arbeit an Celestia auch ziemlich gut im Markt für Desktop-Grafiklösungen aus. Für NVIDIA ist er voll des Lobes – besonders, was die Zuverlässigkeit und Qualität der Treibersoftware angeht, wie er anmerkt: „Andere OpenGL-Treiber kann man teilweise komplett vergessen, weil sie schlicht und einfach zu viele Fehler haben. Bei NVIDIA dagegen brauche ich für alle Grafikkarten nur einen einzigen Treiber, und der ist wirklich extrem stabil. Als ich dann bei der Entwicklung doch einmal einen Fehler im NVIDIA Treiber entdeckte, hatte NVIDIA gleich nach drei Tagen eine passende Lösung parat.“


Die überlegene Leistung der NVIDIA Hardware und die Zuverlässigkeit der Treiber beeindruckten Laurel schließlich so sehr, dass er sich für eine Stelle bei NVIDIA bewarb. Seine Beweggründe: „Ich wollte für das beste Unternehmen im Bereich der 3D-Grafik arbeiten, und das ist nun einmal NVIDIA. Schon damals während der Arbeit an Celestia hat mir die Zusammenarbeit mit NVIDIA viel Spaß gemacht, und jetzt sitze ich sozusagen an der Quelle – und arbeite mit an der Entwicklung der Plattformen, auf denen Celestia irgendwann einmal mit noch mehr Funktionen laufen wird.“

Celestia gibt's hier zum Download! (.exe, 10 MB)

Auf NVIDIA Grafikchips kann Celestia realistische Dunsteffekte darstellen.


 
 
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