Молниеносная облачная томография: новый алгоритм ставит климатические исследования с ног на голову
Исследователи разработали эффективный вычислительный метод, который позволит восстанавливать трехмерное распределение облаков.
Облака — это не просто пушистые белые фигуры на небе. Во-первых, они жизненно важны для регулирования климата нашей планеты, во-вторых, именно они влияют на круговорот воды, динамику атмосферы и даже энергетический баланс, пишет SciTechDaily.
Однако изучать облака крайне непросто. Один из способов, которым пользуются исследователи, основывается на использовании космических сканеров, но он, увы, несовершенен — ученые сталкиваются с проблемами эффективности и масштабируемости.
У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!
В новом исследовании ученые Идо Чернинский и Йоав Шехнер с факультета электротехники и вычислительной техники Витерби Израильского технологического института Технион попробовали преодолеть ограничения, с которыми ранее сталкивались исследователи во время изучения облаков. Для этого они разработали вычислительный метод, который позволяет восстановить трехмерное распределение облаков.
Исследователи полагают, что их новая структура может быть использована для компьютерной томографии на основе рассеяния. Отметим, что в более ранних исследованиях ученые уже применяли КТ рассеяния, однако тогда они столкнулись с рядом проблем, в том числе:проблемой вычислительных затрат и применимости к крупномасштабным сценариям. Кроме того, рассеяние света в облаках зависит от ряда факторов, например:
- длины волны света;
- размера капель вод;
- размера других частиц в воздухе.
В ходе исследования ученые использовали новый алгоритм, чтобы ускорить обратный рендеринг — вычислительный метод, используемый в компьютерной графике и позволяющий оценить свойства 3D-изображения, таких, как: форма, освещение, свойства материалов объектов. И все это основываясь на двумерном изображении. Далее исследователи провели ряд экспериментов и продемонстрировали точность изображения трехмерного анализа облаков, полученного на основе нового алгоритма. В экспериментах использовались как смоделированные, так и реальные данные.
Несмотря на определенный прогресс в изучении облаков, ученые отмечают, что все еще существуют некоторые проблемы. Например, изучение обратной связи климата и облаков требует точного описания микрофизики последних, что также включает в себя и изучение процессов, происходящих непосредственно внутри самого облака. Новый же алгоритм включает в себя оптические, но не размерные и материальные параметры, а потому в дальнейших исследованиях ученые планируют расширить новый алгоритм, включив в него и микрофизические параметры.
Отметим, что ключевым новшеством авторов, по сути, является алгоритм, который ускоряет работу над обратной задачей рендеринга изображения. Как правило, обратный рендеринг требует нескольких повторений для уточнения переменных, что отнимает достаточно много времени, да и сам процесс обратного рендеринга не самый быстры.
В новом алгоритме ученые решили данную проблему — для этого они научили алгоритм повторно использовать пути из предыдущих повторений во время процесса обратного рендеринга. Этот подход использует пути из предыдущих повторений для оценки градиента потерь на текущем повторении, что весьма сокращает время выполнения итерации.
Ранее Фокус писал о том, что ученые снимают с облаков ответственность за изменение климата.