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SimTech: Visualisierung für integrierte Simulationssysteme

Von links nach rechts: Visualisierung von kohärenten Strukturen im Diffusionstensorfeld eines Gehirns und im Spannungstensorfeld eines Hüftknochens. Hierarchisch beschleunigte Vektorfeld-Visualisierung eines umströmten Hindernisses. Visualisierte Berechnungsfehler der beschleunigten Methode.

Dieses Projekt ist Teil des Projektnetzwerkes 8 „Integrated data management, workflow and visualization to enable an integrative systems science“ (Integriertes Daten Management, Workflows und Visualisierung um eine integrierte Systemwissenschaft zu ermöglichen) im SimTech Exzellenzcluster. Das Ziel des Projektnetzwerkes ist es, eine Simulationsumgebung zu schaffen, die den Anwender bei der Handhabung komplexer Simulationen unterstützt. Das System soll dem Anwender unter anderem notwendige, aber lästige Arbeit abnehmen, wie z.B. das Protokollieren der Ergebnisse und mit welchen Parametern und Schritten diese jeweils erzeugt wurden. Auch die Erstellung und Ausführung von Simulationsabläufen soll vereinfacht werden. Basis hierfür ist Workflow-Technologie, wie sie auch im Bereich der Geschäftsprozesse eingesetzt wird. Diese ermöglicht den Aufbau von Simulationen aus modularen Komponenten, die flexibel kombiniert und wiederverwendet werden können. Um dem Anwender ein möglichst effizientes Arbeiten mit Simulationen zu ermöglichen, ist dabei die Integration von Visualisierungskomponenten in dieses System ein wichtiger Teilaspekt des Projekts. Der Anwender hat dadurch über ein einziges System einheitlichen Zugriff auf alle Schritte, die bei der Arbeit mit Simulationen notwendig sind – Entwurf und Planung der Simulation, Durchführung der Simulation und (visuelle) Auswertung der resultierenden Ergebnisse.

Mit der steigenden Komplexität von Simulationen wachsen auch die Anforderungen an die Visualisierung der erzeugten Daten. Die Visualisierung muss dabei für jede Frage- oder Aufgabenstellung „maßgeschneidert“ werden. Häufig tauchen bei der Betrachtung und Analyse von Daten neue Fragestellungen auf. Eine möglichst flexible Visualisierungsumgebung kann dem Anwender dabei helfen, schneller und gründlicher die Ergebnisse der Simulationen zu analysieren. Die dabei benötigte Visualisierung soll daher ebenfalls modular aus verschiedenen Teilkomponenten zusammengesetzt werden können. Bei Simulationen mit hohem zeitlichem Aufwand hat auch die Überwachung des Simulationsablaufs eine große Bedeutung. Visualisierung kann diese Aufgabe, z.B. durch die Darstellung von Teilergebnissen, unterstützen und erlaubt so die frühzeitige Erkennung von Fehlern in der Simulation.

Weiterhin sollen auch neue Visualisierungstechniken für den Bereich Simulationstechnologie entwickelt werden. Dies umfasst zum einen die Visualisierung von unsicheren bzw. unscharfen Daten und Systemen, zum anderen auch Methoden zum visuellen Vergleich verschiedener Simulationsergebnisse. Um einen möglichst umfassenden Einblick in die Daten zu bekommen, ist auch die gleichzeitige Anwendung und Kombination verschiedener Visualisierungsmethoden von Interesse.

Im Rahmen des Projekts wurden unter anderem bereits neue Methoden auf dem Gebiet der Vektor- und Tensorfeld-Visualisierung entwickelt. Eine Methode zur Visualisierung von kohärenten Strukturen in Vektorfeldern konnte auf Tensorfelder übertragen werden. Eine Anwendung hierfür ist z.B. die Visualisierung von Daten, die mit der Diffusions-Tensor-Magnetresonanztomografie gewonnen werden. Unter anderem können hierbei Gebiete mit kohärentem Faserverlauf von Nerven im menschlichen Gehirn visuell voneinander abgegrenzt werden. Auch kohärente Gebiete der Spannungsausbreitung in einem simulierten Hüftknochen konnten so visualisiert werden. Weiterhin konnte der Berechnungsaufwand einiger etablierter Methoden der Vektorfeld-Visualisierung von linearer auf logarithmische Komplexität verringert werden. Eine zeitabhängige Visualisierung in Form einer 3D-Animation konnte mit der beschleunigten Methode z.B. in nur 6 Minuten statt in 3,5 Stunden berechnet werden.

Publikationen

2015

Dissertation

Visualization for Integrated Simulation Systems
Hlawatsch, Marcel: Visualization for Integrated Simulation Systems. Diss., Universität Stuttgart (2015).

2013

Artikel

Scale-Stack Bar Charts
Hlawatsch, Marcel; Sadlo, Filip; Burch, Michael; Weiskopf, Daniel: Scale-Stack Bar Charts.
Computer Graphics Forum 32 (3), S. 181-190 (2013).
Predictability-Based Adaptive Mouse Interaction and Zooming for Visual Flow Exploration.
Hlawatsch, Marcel; Sadlo, Filip; Weiskopf, Daniel: Predictability-Based Adaptive Mouse Interaction and Zooming for Visual Flow Exploration..
International Journal for Uncertainty Quantification 3 (3), S. 225-240 (2013).

2011

Artikel

Flow Radar Glyphs - Static Visualization of Unsteady Flow with Uncertainty
Hlawatsch, Marcel; Leube, Philipp; Nowak, Wolfgang; Weiskopf, Daniel: Flow Radar Glyphs - Static Visualization of Unsteady Flow with Uncertainty.
IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 17 (12), S. 1949-1958 (2011).
Hierarchical Line Integration
Hlawatsch, Marcel; Sadlo, Filip; Weiskopf, Daniel: Hierarchical Line Integration.
IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 17 (8), S. 1148-1163 (2011).
Coherent Structures of Characteristic Curves in Symmetric Second Order Tensor Fields
Hlawatsch, Marcel; Vollrath, Joachim E.; Sadlo, Filip; Weiskopf, Daniel: Coherent Structures of Characteristic Curves in Symmetric Second Order Tensor Fields.
IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 17 (6), S. 781-794 (2011).