QCD-Audio

Eine neue Methode der Darstellung von Daten ist die Sonifikation - definiert als die Verklanglichung zum Zweck der Informationsvermittelung. Insofern ist sie das Gegenstück zur Visualisierung, und besonders geeignet, hochkomplexe und mehr-dimensionale Datensets darzustellen. In den letzten Jahrzehnten entwickelte sich die Methode aufgrund von neuer Echtzeit-Audiosynthese Software und dem wachsenden Bewusstsein des menschlichen Hörens. Explodierende Datenmengen in Gesellschaft und Wissenschaft fördern die Suche nach neuen Repräsentationsmöglichkeiten. Ein schnell wachsendes Gebiet ist die Computerphysik, die numerische Lösungsmethoden für physikalische Probleme bietet und so ein neues Paradigma einführte. Die Weiterentwicklung von Computern und Algorithmen hat auch hier zu vielen qualitativen und quantitativen Ergebnissen geführt, aber typischerweise werden nur einfache Observable analysiert. Unser interdisziplinärer Antrag QCD-Audio verbindet Sonifikationsstrategien mit Daten aus numerischen Modellen der Physik. Sonifikation bietet eine Reihe von Methoden, um komplexe Datenstrukturen darzustellen und damit zu analysieren. Zum einen ist die Audifikation der direkteste Ansatz; höher dimensional Datenstrukturen werden auf eine 1-d Wertefolge projiziert, die als Schallwelle gespielt wird. Da das menschliche Ohr ein sehr sensibles Messinstrument für dynamische Veränderungen ist, hört man die Daten hochkomprimiert, und nimmt trotzdem subtile Unterschiede in Klangfarbe und Tonhöhe wahr. Zum anderen können verschiedene Klangkomponenten durch bestimmte Dateneigenschaften gesteuert werden: die Kombination von Tonhöhe, Lautstärke, Klangfarbe, Lokalisation, (Mikro-)Rhythmus usw. resultieren in charakteristische Klangeinheiten. Diese sind leicht zu erkennen, auch wenn man sie parallel spielt. Die Methode heißt parameter mapping, und erlaubt das Darstellen von mehrdimensionalen und dynamischen Daten. Auch andere Methoden der auditiven Darstellung kommen in der Wissenschaft zur Anwendung: modell-basierte Sonifikation, auditive Graphen, earcons und auditory icons. Ihre Nützlichkeit für QCD-Audio wird untersucht werden, und neue Audifikationen und Sonifikationen werden den Daten angepasst entwickelt werden. Während des Vorläuferprojekts "SonEnvir - Sonification Environment" wurden relativ einfache diskrete Spinmodelle (Ising- und Pottsmodell) sonifiziert. Im vorliegenden Projekt geht es darum, diese Forschung fortzusetzen. Die erste Herausforderung werden kontinuierliche Modelle, wie das XY-Modell, sein. Dieses zeigt topologische Strukturen, die mit klassischen analytischen Methoden schwer zu fassen sind. Ein weiteres Fallbeispiel wird die QED - die Quantenelektrodynamik - sein, um auf das eigentliche Ziel vorzubereiten: Daten der QCD (Quantenchromodynamik) zu sonifizieren, der Theorie der grundlegensten Teilchen, die wir heute kennen. Diese Daten sind vierdimensional und weisen topologische Strukturen auf, die unter starken kurzreichweitigen Quantenfluktuationen verborgen sind. Es ist zu hoffen, dass Sonifikation eine neue, erstmals direkte, Filtermethode für diese langreichweitige Strukturen bietet. In SonEnvir wurden Sonifikationen für verschiedenste Wissenschaftsgebiete erarbeitet - von Neurologie zur Soziologie und Physik. Viele neue Methoden wurden entwickelt und zwischen den SonEnvir Wissenschaftern und der Community des Auditory Display (ICAD) ausgetauscht. Die Entwicklung von Sonifikation in einem Gebiet kann also zu Fortschritten in anderen führen. Das Institut für Theoretische Physik der Karl-Franzens Universität Graz wird Daten und Expertenwissen zur Verfügung zu stellen. Das Institut für Elektronische Musik und Akustik der Kunstuniversität Graz biete die Expertise in der Soundsynthese und die Infrastruktur für high-end interaktive auditive Darstellung (z.B. mit einem Multi-Kanal Sound System mit Motion Tracking System). Die Ziele von QCD-Audio sind einerseits neue Blickpunkte auf die Daten und neue Darstellungsmethoden im Gebiet der Computerphysik, die auch in anderen Disziplinen angewandt werden können. Andererseits wird neben der reinen wissenschaftlichen Darstellung Sonifikation oft als Basis für elektronische Kompositionen und Medienkunst verwendet. Im Trend mit diesem neuen Kunstzweig wird ein weiteres Ergebnis dieses Projekts eine Mehrkanal-Soundinstallation sein, die sowohl Spezialisten als auch Amateuren aktuelle Gitter-QCD-Daten vermitteln.

Wie sollen Elementarteilchen klingen? Kann man den Unterschied zwischen verschiedenen Phasen der Gitter- Quantenchromodynamik (QCD) hören? Mit diesen und ähnlichen Fragen befasste sich das Forschungsprojekt QCD-audio. Es wurden mögliche Anwendungen von Sonifikation in der Computerphysik untersucht. Sonifikation ist die Übersetzung von Information für die Hörwahrnehmung, mit Ausnahme der Sprache. Sie ist also ein Analogon zur Visualisierung und kann auch auf wissenschaftliche Daten angewandt werden, wo visuelle Darstellung oft gar nicht möglich ist, weil die Daten groß und vieldimensional sind. Die Fähigkeiten im Hören und der Mustererkennung eröffnen Möglichkeiten für die Datenexploration und die Formulierung neuer Hypothesen. Die Daten in QCD-audio stammten von Simulationen der Computerphysik. Dieses Gebiet entwickelt Algorithmen, um analytische Probleme, z.B. in der Teilchenphysik, zu lösen. Die Datensets die aus diesen Simulationen hervorgehen wachsen stetig mit zunehmender Computerleistung, und dienten daher als komplexe Testfälle, um neue Sonifikationstechniken zu entwickeln. Zum Beispiel ist es nun möglich, Größe und Form von Clustern zu hören, die aus sogenannten Polyakov-Loops der QCD abgeleitet sind, wobei nur perkolierende Cluster hörbar sind; topologische Strukturen im XY Spin-Modell kommen durch eine geschickte Phasenmodulation automatisch in den Vordergrund; Granularsynthese ermöglicht einen "akustischen Überblick" über die verschiedenen Phasen des Isingmodells; und in Kollaboration mit dem CERN wurde der Messprozess eines seiner Detekoren (die Time Projection Chamber) hörbar. Diese und weitere Beispiele zeigen wie die entwickelten Sonifikationswerkzeuge angewandt werden können, aber sie sind natürlich auch für völlig andere Daten verwendbar. Im Projekt wurde außerdem mit metaphorischer Sonifikation gearbeitet. Dabei geht es darum, Klänge von Anfang an so zu synthetisieren, wie es für die Hörenden intuitiv ist. Z.B. ist die Schallausbreitung in Höhlen eine Metapher für die Größe und Form von Clustern im oben erwähnten Beispiel, und PhysikerInnen am CERN wurden befragt, wie Elementarteilchen klingen sollten. Um ein besseres Verständnis für die Sonifikationen zu schaffen, wurden Notationsmodule entwickelt, die als Bindeglied zwischen der mathematischen Beschreibung der Daten und der Klangsynthese fungieren. Weitere Projektergebnisse sind der Datenhörraum, eine interaktive Audio-Installation unter Verwendung eines Motion-Tracking Systems, in dem Daten der Quantenelektrodynamik räumlich akustisch exploriert werden konnten, und die Abhaltung des Workshops Science By Ear II in dem erstmals ein objektive Vergleichsmethode getestet wurde, um verschiedene Sonifikationen miteinander zu vergleichen. Hörbeispiele und weitere Informationen finden Sie auf www.qcd-audio.at.