Planetárium OpenCoeli: Cartes du Ciel for Java

12. 9. 2007 | Jan Kotek | Recenze | 5108×

Asi před půl rokem jsem potřeboval vytisknout pár astronomických map. Bohužel jsem nenašel žádný program splňující moje nároky. Mapy jsem nakonec vytiskl v Cartes du Ciel a ručně dokreslil. Zároveň s tím začalo vznikat zbrusu nové planetárium. Nedávno vyšel třetí milestone a už je na co koukat.

Předem bych upozornil, že většina zde popisovaných věcí jsou rozpracované plány. Program má za sebou půl roku vývoje a právě se dostal do alpha fáze. Relativně dokončené jsou části týkající se map a datových zdrojů, ale 80 % API a implementací pořád chybí. Tento článek vznikl hlavně z potřeby projekt trochu zpropagovat a naverbovat další vývojáře a testery. Ze stránek projektu lze stáhnout zdrojové kódy a binární distribuci.

Možná se zeptáte, proč jsem se nepřidal k existujícímu projektu a místo toho začínám "zase další program". Zkoumal jsem několik programů a nikde jsem nebyl spokojen. CdC má srozumitelný kód, ale je v podstatě neudržovatelný. KStars jsou dobře čitelné a zčásti zdokumentované. Jejich vývoj se také docela hýbe a rozhodně je na co se těšit. V KDE 4.0 a 4.1 lze čekat rychlejší indexování oblohy, podporu větších katalogů (konečně) a lepší ovládání dalekohledů. KStars mají ale jiné zaměření, je to hlavně výukový nástroj. Z těchto důvodů jsem tedy začal nový program. OpenCoeli ale nevznikl ve vzduchoprázdnu, části kódu pochází z CdC, KStars a specializovaných astronomických programů.

Hlavní rozdíl oproti ostatním programům je pod povrchem. OpenCoeli je psán v Javě s použitím jejích best practises. Jednotlivé části mají interface, abstraktní pomocné třídy a různé implementace. Vše je dobře zdokumentované s odkazy na podrobnější literaturu. Samozřejmě nechybí ani unit a integrační testy. Program je psán jako několik volně spojených knihoven. Existuje zde hromada extension pointů, listenerů, post/pre procesorů a filtrů. Celé je to pak spojeno XML konfiguračními soubory. Pokud znáte vnitřnosti Spring frameworku nebo Eclipse API, uděláte si dobrou představu.

Základním cílem je vytvořit planetárium rozšiřitelné pomocí pluginů. Pokud se to povede, může to dát astronomickému softwaru zcela nový směr. Vzorem pro mě je Eclipse a "ekosystém" jejích pluginů. Pak mám hromadu plánů, například hlasové ovládání dalekohledu. Zde ale popíšu jen dvě části, které už jsou rozpracované a polofunkční.

Mapy

Název OpenCoeli nebyl vybrán náhodně. Antonín Bečvář vydal v padesátých letech několik ručně kreslených atlasů s názvem Coeli. Ty v podstatě znamenaly začátek moderní astronomické kartografie a do osmdesátých let neměly konkurenci. Před několika lety bylo vydáno pokračování Coeli Novus 2000.0 a na přednášce jeho autorů vznikla myšlenka napsat OpenCoeli.

Takže co je špatně se současnými atlasy? Výstupy z počítače jsou nepoužitelné pro tisk. Jednotlivé popisky se překrývají, na některých místech objekty splývají. Navíc rastrová grafika kvalitě také příliš nepřidá. Mapu je tak před tiskem nutné ručně upravovat, ještě složitější je tvorba vícestupňových hledacích map.

OpenCoeli by tedy mělo tvořit mapy přímo použitelné pro tisk. K vykreslování se používá knihovna Java2D. Má velmi kvalitní antialiasing, například zobrazí i hvězdy s velikostí kotoučku 0.1 pixelu. Díky hardwarové akceleraci bez problému zobrazí najednou i desetitisíce objektů. Mapy jsou kompletně vektorové a lze je renderovat prakticky na jakékoliv zařízení, včetně obrazovky, tiskárny a PDF a SVG souborů.

O dobré zobrazení se stará celá řada algoritmů. Překrývající popisky může vyřešit algoritmus pro polohování. Byl už několikrát implementován v GIS programech, takže je z čeho vybírat. Překrývání objektů lze vyřešit vhodně zvoleným z-order, objekty se prostě seřadí podle velikosti. Překrývání lze také vyřešit částečnou průhledností. V OpenCoeli se používají obě možnosti.

Dalším problémem je velikost kotoučků hvězd. Na mapě může být i několik tisíc hvězd s rozsahem 15 magnitud a je třeba zajistit, aby navzájem nesplynuly do jednolité bílé plochy. Velikost kotoučku by tedy měla být závislá na MHV a použitém zvětšení. V současnosti se používá logaritmická škála. V budoucnu se přejde na složitější algoritmus pracující s počtem hvězd a celkovou plochou zabranou hvězdnými kotoučky.

OpenCoeli používá abstrakci nad Java2D, podporuje 50 různých projekcí, má vlastní systém souřadnic... Celý popis této části je mimo rozsah článku, podrobnější info rád poskytnu mailem nebo ze zdrojových kódu.

Databáze

Hlavní úložiště dat by měla být SQL databáze. Datový model je proto navržen co nejvíce konzistentně, vše používá stejné jednotky, názvy sloupců a indexy. Samozřejmě lze data a strukturu ručně upravovat. Výhoda je také pro ostatní aplikace, získají přístup k hromadě astronomických dat bez nutnosti parsovat datové soubory.

Vzorem byla terabytová astronomická databáze Skyserver. Můj projekt je trochu menší, v plné konfiguraci bude databáze obsahovat 1 miliardu hvězd + několik set milionů objektů a její velikost dosáhne stovek gigabajtů. Manipulace s tímto monstrem není příliš praktická, a tak bude možné import omezit na jednotlivé části, například vybrané katalogy či souhvězdí. V základní verzi pak bude 35 milionů hvězd z GSC, 5 milionů objektů a velikost databáze okolo 5 gigabajtů.

OpenCoeli nepoužívá přímo SQL, ale mezivrstvu JPA (Java Persistence API). Díky tomu odpadá vytváření databázového schématu, to je generováno přímo z objektového modelu. Díky JPA lze do databáze uložit data z jakéhokoliv zdroje použitého v OpenCoeli, cachovaní výsledků z webových služeb se přímo nabízí. JPA také podporuje několik desítek databází, takže rozhodně nezůstane jen u integrované Derby.

Novinkou je způsob indexování oblohy. OpenCoeli využívá Hierarchical Triangular Mesh, to umožňuje rozdělit oblohu na očíslované trojuhelníhové oblasti. HTM znamená malou revoluci v astronomii, protože operace s plochami překládá na operace s čísly. Jednoduchým SQL selectem lze zjistit všechny objekty v určité vzdálenosti od objektu nebo v dané oblasti. Počítání zákrytů tím dostává zcela nový rozměr :-).

GUI

Klientská část OpenCoeli využívá Swing, Jide a Netbeans RCP. Díky tomu odpadá 80 % práce spojené s programováním desktopové aplikace. RCP například řeší lokalizaci, akce, obsluhu chyb, threading... Mattise a průvodci v Netbeans IDE pak práci ještě více zrychlují. Navíc knihovna Jide obsahuje spoustu komponent, které ve Swingu chybí. O toto část je tady velmi dobře postaráno.

Bumbrlíček

V současné době má distribuční balík 25 megabajtů. Předpokládám, že finální 1.0 se rozroste až na 50 megabajtů. Data přitom zabírají jen pětinu, zbytek připadá na závislosti. Hlavní důvod je usnadnění vývoje, všechno je v jednom balíku a jsou přidávány i knihovny, které mohou být potenciálně užitečné. To by měla odstranit verze 1.1, kdy dojde k rozdělení projektu na více samostatných modulů. Základní distribuční balík by tak měl být okolo 10 megabajtů.

Další problém jsou paměťové nároky programu; hned po startu si řekne o 70 megabytů a alokovat 500 MB není velký problém. Java je v tom nevinně, program je ve fázi vývoje a tedy bez optimalizací. Dalším důvodem je pak cachovaní všeho možného. Největším jedlíkem paměti je integrovaná databáze, několikagigová DB prostě potřebuje aspoň 200 MB paměti na indexy.

Takže asi tak. Počkejte rok a uvidíte, co z toho vznikne. Pokud chcete projekt trochu urychlit, můžete se přidat. Stačí si projít zdrojové kódy a případně napsat email na [opencoeli zavinac gmail tecka com].

Na závěr pár screenshotů

Kulová hvězdokupa M 13 s hvězdami do 19 magnitudy z katalogu USNOA

M 1

Střelec s množstvím objektů

Detail Střelce.

Souhvězdí Orion s hvězdami do 9 magnitud

Celá obloha s hvězdami do 9 magnitud

       

Komentáře

[Fluttershy, yay!]

Hezké.

Ještě něco jednoduchého na geometrii, k tomu nějaký ten CAD, účetní program a pořádné ovladače a MS Windows můžeme zahodit.

[Fracty]

Nevim, jak vy ale ja normalne ucto pouzivam. Ucto 2007 bezproblemu funguje vcetne tisku

[pushkin]

QCAD je vyhovující, doporučuji zkusit. Opensourcnutá (fuj) je sice zatím jen verze 2.0.5 (komerční je tuším někde kolem 2.1.3), ale i ve 2.0.5 lze kompletně nakreslit synchronní generátor...

[Rudolf Novak]

Vypada to moc hezky. Skoro jako nase DOSove programy co kreslily MegaStar (GSC) - asi ten program tae znate. To byl pro DOS asi nejlepsi program... Kreslili jsme to na cernobile monitory, 14ky VGAcka a kolega Hollan tam pridal takovou featurku. Slabe hvezdy jsou krome mensiho symbolu take oskalovany (bila-seda), takze slabe hvezdy jsou jednak male a hlavne ,,sviti'' na monitoru mnohem min. S tim kdyz si pohrajete, tak to asi nakopne ty celooblohove snimky k dokonalosti :) Drzim palce a rozhodne budu pouzivat! Dik!

[peter_h]

Nema to take modre panely? Brat to pouziva este teraz.
Inak neni toto trosku tazkotonazne? Ja som robil nieco podobne ale v delphi, ale uz ma to moc neinteresuje, inak by som sa pridal.

[kotyz]

modry panely melo snad albiero. taky sem to jeden cas pouzival. pak sem mel nocni oblohu a ted mam kstars a stellarium.

[jk]

Vsak si taky pamatuju jak si me v Upici do Megastaru zaucoval

[Leoš Literák]

drzim palce

[xXx]

Nieco podobne (s podobnym typom vykreslovania) som mal v plane robit ale nie s tak vela featurami a hlavne bez gui s priamym vystupom do ps/pdf ale vidim ze uz nemusim.

[Jiri Bajer]

Vypada to slibne a hlavne precizne navrzene, to dneska dela malokdo. Planujete take nejakou spolupraci s projektem Stellarium? At uz na urovni algoritmu, datovych podkladu, nebo uzivatelskeho rozhrani...

[Trained.Monkey]

Ze Stellaria chci pouzit obrazky objektu. Spolupraci se nebranim, ale oba projekty maji jine zamereni.

[helemesecotonese]

xephem mi prisel dosti profesionalni...

[HS]

Program vyzera fakt slubne. Aj ked nemam moc rad javovske aplikacie, ale myslim, ze tuto by som pouzival s radostou.

Co sa tyka dat, mozno by nebolo odveci dat moznost dotahovat data z internetu. Takuto funkciu ma napr. program XEphem. Vyzera, to asi tak, ze ked sa vela zazoomuje, program dotiahne slabe hviezdy pre dany kusok oblohy z internetu.

[Michal Švanda]

No Rysu, vidím, že ses od srážkoměrů a utilitek pro DOS dostal o dost dál -- gratuluju! Hodně štěstí při další práci.