Benölken, Paul (2005)
Effiziente Visualisierungs- und Interaktionsmethoden zur Analyse numerischer Simulationen in virtuellen und erweiterten Realitäten.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Bibliographie

Kurzbeschreibung (Abstract)

Das Ziel meiner Arbeit war die Entwicklung von Werkzeugen zur interaktiven Visualisierung von Simulationsergebnissen in Virtual- und Augmented-Reality Umgebungen. Dabei sollten unterschiedliche Interaktions- und Visualisierungsmethoden bereitgestellt werden, welche dem Anwender eine möglichst effiziente und intuitive Interpretation der Daten erlauben. Im Vordergrund standen daher fortgeschrittene Verfahren wie die direkte Volumenvisualisierung, die Erzeugung und Animation von Strömungstexturen, sowie die interaktive Berechnung und Darstellung von Partikelbahnen. Diese Verfahren wurden für die interaktive Visualisierung nicht-regulärer Gitterstrukturen so erweitert, das sie die Echtzeitanforderungen von VR- und AR-Umgebungen erfüllen. Um einen möglichst optimalen Nutzen der verfügbaren Hardwareressourcen zu gewährleisten, wurden die Möglichkeiten programmierbarer Graphikkarten handelsüblicher PC-Systeme untersucht. Durch den gezielten und kombinierte Einsatz von hardwarenahen Methoden und optimierten Softwareverfahren konnte die für VR- und AR-Anwendungen erforderliche Darstellungsgeschwindigkeit erzielt werden. Dabei ist die erreichte Bildqualität mit den Ergebnissen nicht-interaktiver Methoden vergleichbar. Verfahren zur Geometriekompression ermöglichen es zudem auch größere Datensätze mit hinreichenden Bildwiederholraten darzustellen. Die realisierten Methoden wurden in ein neu entwickeltes Softwaresystem integriert, welches dem Benutzer die erforderlichen Interaktionsmöglichkeiten zur Navigation sowie zur Kontrolle der Darstellungen in virtuellen und erweiterten Realitätsumgebungen bereitstellt. Mit Hilfe neuer Interaktionskomponenten kann der Anwender die zur Volumenvisualisierung erforderliche Klassifikation in interaktiver Weise vornehmen und profitiert dabei von der 3D-Darstellung der jeweiligen Transferfunktion. Weitere 3D Bedienelemente dienen zur interaktiven Manipulation und Animation von Strömungstexturen, der Positionierung von Startpunkten, sowie der anschließenden schnellen Berechnung und Darstellung von Strömungsproben. Die entwickelten Methoden bieten dem Anwender vielfältige Möglichkeiten zur interaktiven Visualisierung von Simulationsergebnissen in virtuellen und erweiterten Realitätsumgebungen. Darüber hinaus lassen sich die präsentierten Lösungen auch für weitere Anwendungsbereiche einsetzen. So eröffnet der Einsatz von Augmented Reality Techniken neue und effiziente Möglichkeiten zum unmittelbaren Abgleich von physikalischen Experimenten und numerischen Simulationen. Die im Rahmen dieser Arbeit realisierten Methoden bieten zudem verschiedene Möglichkeiten für weitere Entwicklungen, wie z.B. den Einsatz von PC-Cluster Systemen zur zusätzlichen Steigerung der Darstellungsleistung, oder die Einbeziehung weiterer Interaktionsformen. The aim of my thesis was the development of novel tools for the interactive visualization of simulation results in virtual and augmented reality environments. The main objective was the provision of different interaction and visualization facilities for enabling a convenient and efficient data interpretation and analysis. Hence the main focus has been on advanced techniques as direct volume rendering, the generation and animation of flow textures as well as the interactive computation and display of particle traces. These methods have been extended for the interactive visualization of non regular grid structures such that they fulfil the real time requirements of augmented and virtual reality environments. In a first step the potential of programmable graphic cards has been considered for assuring the optimal benefit of the available hardware resources. The display rates required in virtual and augmented reality applications are achieved by the directed use of hardware accelerations which have been successfully combined with optimized software methods. Generally the achieved image quality is comparable with the results from non-interactive techniques. In addition we applied geometry compression methods for visualizing larger data sets with sufficient frame rates. All methods which have been developed within this work are integrated into a software system that provides the required facilities for interaction and navigation, as well as for controlling the visualization in virtual and augmented reality environments. New interaction components are provided for the interactive classification of volume data, which is a substantial part in the direct volume rendering process. In a 3D environment the user benefits from spatial representation of the transfer function. Further 3D interaction components provide the interactive manipulation and animation of flow textures as well as for the placement of seed points and the subsequent fast computation and display of stream probes. In general the implemented methods offer versatile facilities for the interactive visualization of simulation results in virtual and augmented reality environments. Beyond this the presented solutions can be applied in further application fields. The usage of augmented reality techniques opens new options for a direct evaluation of simulation results with real world measurements. In addition the algorithms presented within this work offer new potentials for further research activities, as the extension of PC clusters for increasing the display performance or the integration of new interaction techniques.

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