PhysioIllustration

(se teksten på Engelsk for original-versjonen) For lenge siden gjorde Leonardo da Vinci store fremskritt i forståelsen av menneskelig fysiologi. Han utmerkede seg som en kunstner, som illustratør, og som forsker. For PhysioIllustration prosjektet ved Universitetet i Bergen var det en viktig antagelse at integrering av moderne kunnskap om fysiologi og avanserte former for formidling kan føre til verdifulle bidrag til vårt kunnskapsbaserte samfunn. Tidligere suksesshistorier i illustrativ visualisering, som viser at visualisering av komplekse strukturer kan støttes av interaktive løsninger, motiverte oss i tillegg. Leonardo da Vinci var i stand til å integrere rollene til en forsker, en kunstner og en illustratør i en person. I dag er det nødvendig å stole på samarbeid mellom ulike fagområder. PhysioIllustration-prosjektet ble derfor utarbeidet av et tverrfaglig forskergruppe, som kombinerer tre komplementære felt: bioinformatikk, vitenskapelig illustrasjon og visualiseringsforskning. I begynnelsen gjorde PhysioIllustration viktige skritt i den illustrative visualiseringen av molekylære strukturer. Så fokusserte vi på den fysiologiske prosessen DNA-reparasjon. Regelmessig blir vårt DNA skadet av visse påvirkninger, for eksempel UV-stråling. Heldigvis er en sofistikert reparasjonsmekanisme på plass for å oppdage og reparere skaden. Vi undersøkte design, modellering og rendering av en vitenskapelig animasjon som illustrerer denne prosessen, og vant første pris for den beste vitenskaps- og utdanningsfilmen på den internasjonale filmfestivalen 2015 i Nice, Frankrike! Kortfilmen er tilgjengelig fra prosjektets nettside. Basert på dette fysiologiske scenariet, undersøkte vi hvordan dagens visualiseringsteknologi kan avanseres slik at det blir mulig å beregne og representere slike prosesser på en omfattende måte. Vi utviklet flere akselerasjonsteknikker, innebygd i en ny forskningsprogramvare kalt cellVIEW, og vi kan nå gjengi molekylære scener med milliarder atomer ved en interaktiv oppdateringshastighet. Vi undersøkte nye metoder under tittelen "Illustrative Timelapse", integrering av sømløs temporal zooming, den visuelle abstraksjonen av molekylære baner, og en bestemt linseoppløsning for å visualisere den Brownian bevegelsen av molekyler sammen med biokjemiske reaksjonshendelser. Vi har også gjort en grundig undersøkelse av en generell modell for komparativ visualisering av flere elementer i et helt datasammenstel som representerer et bestemt fysiologisk fenomen av interesse. Vi studerte hvordan semi-rumlig abstraksjon kan integreres med en automatisk optimaliseringsprosess, hvor en komparativ visualiseringsdesign beregnes som best passer til brukerens krav når det gjelder interesse eller interesse. Dette arbeidet ble presentert i Baltimore, USA, på den beste visualiseringskonferansen (IEEE VIS 2016). Så forsket vi på den interaktive visualiseringen av fysiologiske prosesser som involverer molekylær dynamikk. Ligander, bindende til store proteiner, trenger tilgang til bindingsstedet, som ofte er "skjult" innenfor det mye større proteinmolekylet. Molekylær dynamikk simulering, som fører til store datasett med svært mange tidstrinn, gir utfordrende datascenarier for interaktiv visualisering. I vårt prosjekt jobbet vi med løsninger som muliggjør studier av slike prosesser, for eksempel gjennom komparative visualiseringsteknikker, delvis romlig abstraksjon og akselerasjon av visualiseringsteknikker, noe som resulterer i flere relaterte publikasjoner. Vårt arbeid med komparativ visualisering av sekundære strukturer ble ikke bare presentert på BioVis-symposiet 2016 i Baltimore, USA, men også vunnet den best paper award på dette høyt respekterte arrangementet! PhysioIllustration-forskningen har ført til mange internasjonalt anerkjente publikasjoner, inkludert flere artikkeler i nivå 2-tidsskrifter, samt mange presentasjoner og poster (i Norge, men også i USA, Storbritannia, Korea, Tyskland, Østerrike, Tsjekkia, Slovakia og Nederland). Prosjektforskerne har (sam-)organisert to workshops (VisBio 2013 i Bergen, Norge og VisBio 2014 i Wien, Østerrike) og deltok i Forskningsdagene 2014. Vi arrangerte også den felles VCBM- og MedViz-konferansen 2016 i Bergen med over 100 deltakere. Å vinne prisen for den beste vitenskaps- og utdanningsfilmen på en internasjonal filmfestival, regnes for en sterk anerkjennelse av vår PhysioIllustration-forskning, samt suksessen med best paper award på BioVis 2016-symposiet i USA. Videre implementerer vi også våre ideer innenfor rammen av forskningsprototypeprogramvare, som vi gjør tilgjengelig via vår nettside.

Physiological processes are of multi-scale and multi-system nature. In general they are very difficult to comprehend. This project proposes an entirely novel research agenda within the data visualization research field to enable understanding, communicati on, and evaluation of physiology through interactive and easy-to-understand visualization. The visualization metaphors investigated in the context of this project are inspired by textbook illustrations and handcrafted animated illustrations. My primary fo cus is on development of novel graphics data representations, visual representations, occlusion handling, visual guidance and storytel-ling, zooming, interaction and integration of physiological models and medical imaging. The visualization technology wil l be developed and evaluated on multiple scale levels, from molecular machines, up to the organ level. The physiological context for the technological development and evaluation will be primarily the muscular system. The outcome of the project is new visu alization technology in form of algorithms, con-cepts, and proof of concept implementations. The utilization of the outcome can lead to advances in the field of physiology by providing intuitive visual representation, which the user can observe and intera ct with.