UmaIntroduçãoàInteractive Data LanguageFIS-639 Astrofísica Observacional Milton Luiz Abrunhosa 19/11/2015 Uma (breve) história da IDL • 1970: no LSPA (Laboratory for Atmospheric

19/11/2015FIS-639 Astrofísica Observacional Milton Luiz Abrunhosa

IDLIt saves time for science

Uma Introdução à Interactive Data Language


Roteiro• Histórico• O que é IDL• Características• Código comunitário• Programas similares• Onde aprender IDL• Filosofia IDL• Quem usa IDL• IDL na Astronomia• Alternativas IDL• Hands on• Recursos on-line• Espectroscopia com IDL


Uma (breve) história da IDL

• 1970: no LSPA (Laboratory for Atmospheric and Space Physics) na Universidade do Colorado em Boulder, David Stern cria Rufus e SOL, primeiras línguagens orientadas a matriz, para analisar os dados do Mars Mariner;

• 1977: David Stern cria a RSI (Research Systems Inc.);• 1979: primeira versão da IDL licenciada para a NASA;• 1981: versão da IDL para VAX / VMS; • 1987: re-escrito em C para rodar em UNIX;• 1992-1994: Disponível para Linux, Windows e Mac;• 2000: passa ao controle da Eastman Kodak;• 2004: RSI se transforma em ITT Industries;• 2006: ITT Visual Information Solutions;• 2011: Exelis Visual Information Solutions.


O que é IDL ?

• é um produto e marca comercial registrada da Exelis Visual Information Solutions;

• é uma ferramenta para análise de dados e visualização;• é uma linguagem de programação (77) (cf. arquivos de

comp.lang.idl-pvwave);• pacote IDL contém: Intérprete / compilador, biblioteca de rotinas,

documentação e um ambiente de desenvolvimento;• é um software popular em astrofísica, física atmosférica,

imagiologia médica e hiperspectral (em alguns casos um padrão de fato);

• é proprietária e cara.


Características (1)

Como uma linguagem de progração, a IDL:

• é dinamicamente tipada;• namespaces separados para variáveis, funções e procedimentos,

mas nenhuma hierarquia para namespace;• era originalmente mono-tarefa, mas agora tem muitas funções e

procedimentos multi-threaded;• todos os argumentos de função passados “por referência”;• parâmetros nomeados, chamados palavras-chave, que são

passados “por referência”;• fornece herança de parâmetro nomeado nas chamadas de rotina

aninhadas, por referência ou valor;• não necessita que variáveis sejam pré-declaradas;• fornece declarações de bloco COMMON e variáveis de sistema

para compartilhar valores globais entre rotinas;


Características (2)

• fornece uma forma básica de programação orientada a objetos, um pouco semelhante ao Smalltalk, juntamente com a sobrecarga de operadores;

• implementa uma heap global persistente, para ponteiro e variáveis objeto, usando a contagem de referência para coleta de lixo;

• compila para um p-code intermediário interpretado, baseado em pilha (à la Java Virtual Machine).

• fornece uma sintaxe simples e eficiente para extrair dados de grandes matrizes.

• fornece vários tipos inteiros, bem como precisão simples e dupla de ponto flutuante para números reais e complexos;

• fornece tipos de dados compostos, tais como cadeias de caracteres, matrizes de tipo homogêneo, listas, tabelas de hash, e estruturas simples de registro (não-hierárquica) de tipos de dados mistos.


Melhores características

• contribuição da comunidade científica;

• operações otimizadas para matrizes;

• vasta gama de rotinas para cálculos, análise de dados e visualização;

• interativa;• alta qualidade dos gráficos de saída;• acesso a (quase) todo código;• rápida, i.e. não tão lenta;• estrutura de dados;• tipagem dinâmica de dados.


Código comunitário

• código não é pré-compilado, altamente portátil;

• não requer instalação;

• nenhuma distribuição centralizada, as bibliotecas são publicadas on-line pelos cientistas (Chandra, SDSS, HST, Los Alamos e muitos outras universidades e centros de dados).

baixe as bibliotecas IDL e mantenha-as organizadas, verifique se eles estão adicionados ao seu! PATH


Programas similares• IRAF, MIDAS e IDL são utilizados para análise de dados

astronômicos. IDL não é um substituto para IRAF, mas é mais fácil de ler e personalizar.

• Fortran, C e IDL são linguagens de programação semelhantes. IDL é mais lento, mas também fornece um ambiente para análise de dados científicos.

• MATHEMATICA, MAPLE, MATLAB e IDL pode fazer matemática. IDL não pode resolver simbolicamente, mas tem gráficos mais poderosos e “sabe astronomia”.

• SUPERMONGO, PGPLOT e IDL produzem gráficos de alta qualidade. IDL não só traça gráficos dos dados, mas também calcula e analisa-os. É uma linguagem de programação.


Onde aprender IDL

• vários tutoriais on-line, inclusive YouTube;• site da Exelis (www.exelisvis.com);• site do David Fanning (www.idlcoyote.com);• https://atmos.colostate.edu/programming/#idl ;• arquivo de ajuda da IDL;• IDLWAVE Grupo Google.


Filosofia IDL

• não re-inventar a roda, em 99% dos casos já foi codificado;

• projetos de peso médio, preferencialmente ~ 100 linhas;

• datasets de tamanho médio, até 1Gb (carregado na RAM);

• evite laços (FOR), se puder.


Quem usa IDL ?

• principalmente:

– os astrônomos;– os astrofísicos;– físicos atmosféricos;– cientistas espaciais;– área de imagiologia médica.


IDL na Astronomia

• a situação:

– a IDL é amplamente utilizada em astronomia, desde 1977, incluindo várias missões espaciais;

– várias bibliotecas bem conhecidas (Astron, MPFIT, Solar suave, ...) usadas como “commodity” por cientistas;

– o código é bastante independente do SOP (VMS, vários Unix, OSX, Linux e também M$) e pode ficar durante muito tempo;

– codificação rápida, legal para testar idéias/modles/ processamento durante a análise de dados.


IDL na Astronomia

• razões da popularidade:

– sintaxe fácil;

– rápido aprendizado para alguém quem já sabe Pascal, Fortran, C, etc.;

– rápido desenvolvimento;

– muito fácil de depurar;

– “hands on de dados“;

– bibliotecas de código aberto (Astron, MPfit, ...);

– barato ... no início.


IDL na Astronomia

parece agradável e madura mas...têm problemas:

– dependência...é um software proprietário• IDL não é software livre de código aberto (FOSS);• não é possível ver os fontes;• algumas plataformas (Unix, VMS) já foram descontinuadas;• e se o suporte para minha plataforma for descontinuado ?• o que acontece se a empresa sai do negócio ?• apesar do apoio da NASA, o editor pode ser descontinuado;• algumas escolhas de projeto (widgets, saídas gráficas

limitadas, ...) não agradaram aos usuários.


IDL na Astronomia– sem alternativa de uso geral:

• atualmente, em Astronomia, Python pode tornar-se uma alternativa real, mas não era o caso há anos atrás;

• uma grande coleção de scripts úteis existe (ex: o astrolibNASA);

• pesquisadores não são susceptíveis a aprender mais uma linguagem: falta vontade e/ou tempo.

– o preço!• 4500 € para uma licença;• 500 € por ano para atualizações;• caro para um laboratório que pode precisar de 10 ou mais

licenças!

– proprietária e cara;


IDL na Astronomia

• solução ? – ter um “clone” livre !!

GNU Data Language (GDL)uma implementação livre e de código aberto da IDL


GDL• objetivo: desenvolver um substituto de código aberto para IDL;• fundador e líder do projeto : Marc Schellens;• equipe do projeto:

– voluntários de todo o mundo;– usuários que enviam relatórios de erros, patches, comentários...– empacotadores.

• situação atual (2010/8/20 – 0.9rc1):– compilador / intérprete: praticamente completo;– rotinas de biblioteca: parcial (cerca de 400 rotinas);– documentação: praticamente nada (docs IDL estão na web);– ambiente de desenvolvimento: não há planos.

• mais informações: http://gnudatalanguage.sourceforge.net


GDL FEATURES:=============

• Full syntax compatibility with IDL up to version 7.1 (for 8.0 and later see below).

• All IDL language elements up to IDL version 7.1 are supported, including:

• Pointer, objects, structs, arrays, system variables, common blocks, assoc variables, all operators, all datatypes, _EXTRA, _STRICT_EXTRA and _REF_EXTRA keywords...

• Supported IDL 8.0 language elements:

• FOREACH loop• negative array indices• garbage collection pointers and objects• call methods on an object using “.” (e. g. object.aMemberProcedure,arg1)• empty arrays and !NULL system variable• automatic promotion of FOR loop variable types• LIST and HASH types


• Not yet supported:• simplified property access on objects (e. g. object.aProperty = value &

print,object.aProperty)

• GUI support (widgets) is now officially provided (not complete yet).

• The file input output system is fully implemented including full support of F77_UNFORMATTED. (Exception: For formatted I/O the C() sub-codes are not supported yet)

• netCDF files are fully supported.• HDF4 files are supported.• Basic support for HDF5 files.

• DICOM files are supported via the GDLffDICOM object (http://idl.barnett.id.au/idl-projects) (files in the src/pro/dicom subdirectory).

• Overall more than 400 library routines are implemented. For a list enter HELP,/LIB at the command prompt and look for library routines written in GDL in the src/pro subdirectory.


• Graphical output is almost completely implemented (no object-graphics). • The PLOT, OPLOT, PLOTS, XYOUTS, SURFACE, CONTOUR and TV

commands (along with WINDOW, WDELETE, SET_PLOT, WSET, TVLCT, LOADCT) are working (most keywords, !P system variable tags and multi-plots are supported) for X windows, z-buffer and postscript output.

• GDL has an interface to python.• Python can be embedded into GDL and GDL can be compiled as a python

module. See the file PYTHON.txt for details.

• For the thread pool OpenMP is utilized if the compiler supports it.


a idéia por trás da GDL é tornar isso mais simples para cientistas...


GDL - Prós

• herdados da IDL:

– pode-se processar os dados e obter gráficos personalizados

com poucas (dezenas) de linhas de código;

– abre muitos formatos de dados: texto, binários, netCDF, HDF,

FITS, GRIB...


GDL - Prós• específicos da GDL :

– é de graça! e você pode modificá-la e expandí-la para atender às suas necessidades;

– numéricos com base em bibliotecas open-source confiáveis como GSL, FFTW,...;

– CLI melhorada graças a “readline”;– suporte a SVG & GRIB;– módulos GDL podem ser escritos em Python;– GDL pode ser compilado como um módulo Python;– pode-se, facilmente, incluir códigos em C++ dentro da GDL;– compila em diversas plataformas (Linux, BSDs, OSX, Solaris,

Cygwin, ...).


GDL - Contras

• herdados da IDL:

– sintaxe já arcaica, com elementos construtivos de várias

linguagens, de Fortran à C++ e nomenclatura inconsistente das

rotinas da biblioteca. . .mas quem se importa, foi idealizada para

ser mais um BASH do que um Python da computação científica,

isto é, a intenção é scripts curtos e uso interativo.


GDL - Contras

• específicos da GDL :

– nem todas as rotinas da biblioteca estão implementadas...ainda;

– faltam algumas palavras-chave úteis;

– ligeiramente mais lento do que IDL em média;

– falta de documentação (mas docs IDL estão na web).


Onde já esta sendo usada

• Observatório de Paris:– séries temporais de análise (vários satélites)– modelagem e inversão do tempo de resposta de vários

detectores: detectores IR, bolometros– métodos de deconvolução 2D para rádio interferometria (Clean,

MEM, e alternativo)– ensinando vários temas, em diferentes níveis: FFT,

processamento de imagem ...

• Observatório de Lyon;– substituindo IDL pela GDL na conversão automática de um

determinado formato (PDS utilizado em missões planetárias) para um novo (Observatório Virtual, XML ...). Ganhando perenidade na escala de tempo muito longo (missões espaciais: 10 a 30 anos).


Onde já esta sendo usada• Observatório de Estrasburgo:

– cálculos pesados sem bloquear licenças IDL (GDL citado em um artigo MNRAS!);

• Universidade de Varsóvia:– medições de aeronaves & LIDAR análise de dados e

visualização;– ensino de processamento de dados meteorológicos:

• geosci: dados de saída do modelo: interpolação, subsetting, estatísticas;

• processamento de sinais: FFT, wavelets, componentes principais, filtragem;

• imagem de satélite e de previsão de tempo / processamento;• plotagem, formatos de dados: CSV, netCDF, HDF4, HDF5,

GRIB;– visualização previsão do tempo “operacional” (GRIB + SVG)


Onde já esta sendo usada• NASA (GSFC, JPL, ...) & MIT;• Montana State University:

– acesso remoto baseado em web para ambiente de análise de dados para os alunos de um curso de IDL;

• Laboratórios Max Planck;• Lockheed Martin (solar e astrofísica):

– deconvolução de imagens de telescópios solares usando GDL+CUDA (poster na conferência NVIDIA!);

• Laboratório da Universidade de Stanford (2 trabalhos em conf. sobre GDL);

• contatos na Austrália, Brasil, Índia, Israel, Japão, Espanha, Suíça, Reino Unido, EUA, Venezuela ... (astrofísicos e geofísicos);

• pessoas na comunidade de imagiologia médica (pacote GDLffDICOM);

• e muitos mais ... (assumindo a partir do número de downloads, pacotes e “posts” em fórum).


Como obter a GDL• pacotes pré-compilados (sem problemas, rápido, sem opções, só

releases):– Fedora: 32/64 bits, atualizado até mesmo recursos

experimentais disponíveis;– Debian: um pouco desatualizado (2009-09);– Ubuntu: obsoleto (2008-04).

• pacotes pré-configurados (nenhum problema, algumas opções, sóreleases):– Gentoo: atualizado, rico conjunto de recursos.

• código fonte (todas as opções, problemas acontecem, só releases);

• CVS (todas as opções, mais novos recursos / correções, espere problemas).













Hands on!


Hands on!


Hands on!


Hands on!


Hands on!


Resumo• IDL está para GDL assim como Matlab para Octave/SciLab e M$

Office para OpenOffice, etc.• GDL é um projeto vivo:

– respeita a sintaxe da IDL;– já inclui um conjunto muito grande de procedimentos e funções;– pode executar a maioria dos códigos ASTRON, MPfit lib, save /

restore...;– funciona em x86 e x86_64.

• GDL é executado em Linux e OSX;• do lado da computação, GDL é competitivo com IDL

(funcionalidades, velocidade, escalabilidade);• no lado gráfico, GDL não está, neste momento, ao nível da IDL

(faltam algumas palavras-chave, postscript limitado);• mas desempenho gráfico com PLplot são próximos aos da IDL.


Recursos On-line• principais páginas

– http://gnudatalanguage.sourceforge.net/ (ok, 18/11/2015)– http://sourceforge.net/projects/gnudatalanguage/ (ok, 18/11/2015)

• CVS:– http://gnudatalanguage.cvs.sourceforge.net/viewvc/gnudatalanguage/gdl/ (ok,

18/11/2015)

• Ubuntu:– http://doc.ubuntu-fr.org/gdl (ok, 18/11/2015) (em francês)– http://packages.ubuntu.com/xenial/gnudatalanguage (ok, 18/11/2015)

• miscelânea:– como compilar

• http://aramis.obspm.fr/~coulais/IDL_et_GDL/memo_GDL.html (ok, 18/11/2015) (em francês)

– o que está disponível?• http://aramis.obspm.fr/~coulais/IDL_et_GDL/Matrice_IDLvsGDL.html (ok, 18/11/2015)


Espectroscopia com IDL/GDL• lançado em 1995, pela ESA / NASA, o Solar and Heliospheric

Observatory (SOHO) é a maior missão espacial de física solar do mundo e revolucionou a compreensão do Sol.

• o Coronial Diagnostic Spectrometer (CDS) é um instrumento único, projetado para detectar radiação solar ultravioleta extrema que permite investigar as condições na corona solar.

• os espectros gravados pelo CDS fornecem informações sobre temperatura, densidade, composição elementar e fluxos de plasma muito quente preso no campo magnético do Sol.

• está disponível a CDS IDL library, com mais de 200 rotinas para tratamento dos espectros recebidos.

• fornece instruções detalhadas para:– solicitar e projetar observações CDS;– localizar e ler os dados;– limpar e calibrar os dados;– análise dos dados.


Espectroscopia com IDL/GDL




Espectroscopia com IDL/GDL• PINGSoft

– um conjunto de rotinas IDL destinados a visualizar, manipular e analisar dados de espectroscopia de campo integral (IFS), independentemente da forma de instrumento original.

• PINGSoft 2– um melhoramento relativamente grande no que diz respeito à

primeira versão: a funcionalidade global e a disposição foram melhoradas, ao passo que a sintaxe do comando foi simplificada. Esta versão inclui novas rotinas que oferecem poderosa visualização espacial e espectral dos dados, a melhoria das rotinas de extração, e novas ferramentas de análise.

• O PINGSoft 2 IDL Integral Field Spectroscopy Software estádisponível gratuitamente no endereço http://califa.caha.es/pingsoft/ .


Espectroscopia com IDL/GDL• Marc Buie's IDL library

– funções de uso geral e procedimentos em IDL.

Spectroscopy– AVGSPEC Robust average of a set of 1-D spectra from FITS files.– CAVGSPEC Robust average of a set of 1-D spectra.– CLNSPEC Interactive cleaning of bad pixels in an OSIRIS XD spectrum.– CLSCAN Scan a group of raw OSIRIS XD frames and find rough spectral location.– FLAGSPEC Interactive marking of bad pixels in an OSIRIS XD spectrum.– GETPAIR Read two OSIRIS XD data files and return the difference strip image.– GETSPEC Extract a point source spectrum from OSIRIS XD data.– GETSTRIP Extract a 2-d rectangular strip image from a OSIRIS XD image.– INSLIT Compute flux passing through a slit assuming a gaussian image.– LCLXTREM Find local minima or maxima in a 1-d vector.– LDCALIR Load calibration information for OSIRIS XD data from a calib file.– NIC1SCAN Scan for best spectrum location of a weak-signal NICMOS spectrum.– NIC1SRC Improved 1 source extraction from single NICMOS Grism image data.


Espectroscopia com IDL/GDL– NIC2SRC Detangle two sources from single NICMOS Grism image data.– NICINIT Extract initial spectrum and profile from NICMOS Grism image data.– NICPLOT Create a summary plot of the contents of a NICMOS Grism data structure.– NICPROF Update NICMOS observation structure based on a new centerline.– OBJRATIO Ratio object spectra to one or more comp star spectra.– OPTSPEC Optimal extraction of a point source spectrum from OSIRIS XD data.– OSICLEAN Automatic cleaning of bad and low signal data from OSIRIS XD spectrum– OSIDVFIT Find the linear fit coefficients for a spectrum for each order– OSISLOPE Correct an IR OSIRIS spectrum for the slope problem.– OSISMEAN Compute mean of a set of OSIRIS XD spectra.– PLOTSN Analyze a vector and retrieve the signal-to-noise ratio.– PLOTSPEC Plot OSIRIS XD spectral data with wavelength scale.– RDNICOBS Read a NICMOS observation set description file.– SIGRATIO Compute the relative signal level between a set of spectra (1-d vectors).– SS_ET Simple spectral extraction tool– SS_EXTIN Simple Spectra - detemine differential extinction– SS_GROUP Simple Spectr– TBLPARSE Determine properties and problems from the table file with OSIRIS data– WRCALIR Write calibration information for OSIRIS XD data to a calib file.– XDAVG Interactive tool for combining and correcting OSIRIS XD spectra.– XDSPEC End-to-end reduction tool for OSIRIS XD spectral data.



• Optimal Spectrum Extraction Package for IDL– este pacote extrai um espectro de um frame de dados

espectrógraficos reduzidos,utilizando o algoritmo ótimo descrito em "An Optimal Extraction Algorithm for CCD Spectroscopy" (K. Horne, 1986, PASP 98: 609-617).

– o achatamento inicial e subtração do viés devem ser feitos fora do pacote, junto com qualquer subtração de céu e cálculos das estimativas de variância iniciais.

– o procedimento de básico ajusta o fundo, gera uma estimativa, máscara os raios cósmicos, e extrai o espectro ideal.

– extensões ao algoritmo do artigo incluem ajustes médios e Gaussiano.

– há também uma opção para endireitar o rastreio de dados antes do calcular.



Espectroscopia com IDL/GDL• PRISM: Processing Routines in IDL for Spectroscopic

Measurements– usando as funções do PRISM, pode-se comparar os espectros

de materiais de composição desconhecida com espectros de referência de materiais conhecidos;

– esta análise espectroscópica permite que a composição do material seja identificada e caracterizada;

– o PRISM contém rotinas para o armazenamento de espectros em arquivos de banco de dados, importação / exportação de bibliotecas ENVI espectrais, importação de espectros de campo, correção de espectros de reflectância absoluta, operações aritméticas em espectros, remoção do contínuo interativo e comparação de características espectrais, correção de dados do espectrômetro de imagem para refletância calibrada e identificação e mapeamento de materiais usando análise baseada em recurso espectral de dados de reflectância.






• Princeton/MIT SDSS Spectroscopy Home Page

– nesta página, há instruções para que se possa obter os dados disponíveis publicamente, ou para colaboradores do SDSS, para obter os dados ainda proprietários.

– descreve as ferramentas para visualizar, consultar e utilizar esses dados usando IDL, SuperMongo ou IRAF.

– há também arquivos ASCII que contêm posições sumárias, magnitudes, informações de classificação e redshifts.



• Spectroscopy Made Easy (SME)

– é um software IDL e uma biblioteca externa compilada que ajusta espectro estelar de alta resolução observado com um espectro sintético para determinar parâmetros estelares.

– o artigo original descrevendo SME: Spectroscopy made easy: A new tool for fitting observations with synthetic spectra. Valenti, J. A.; Piskunov, N. Astronomy and Astrophysics Supplement, v.118, p.595-603, 09/1996.



• STools: IDL Tools for Spectroscopic Analysis

– página de Carlos Allende Prieto do McDonald Observatory and Department of Astronomy of University of Texas at Austin, com várias rotinas IDL para análise espectroscópica.



• pacote de software para redução e análise de dados HSFA2.



• RHESSI Spectrum Software

• OSPEX - Object Spectral Analysis Executive


Obrigado !


ReferênciasIDL

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ReferênciasGDL

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ReferênciasEspectroscopia com IDL/GDL

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Referências

IDL/GDL vídeos

• https://www.youtube.com/watch?v=7rbT7NidF8s• https://www.youtube.com/watch?v=ZYSWP6-GdHE• https://www.youtube.com/watch?v=2Lr1y-0SQSk• https://www.youtube.com/watch?v=glDZXcCse6I• https://www.youtube.com/watch?v=fLNNR-ASeiA

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