Interactive particle tracing for the exploration of flow fields in virtual environments

  • Interaktive Partikelverfolgung für die Strömungsexploration in virtuellen Umgebungen

Schirski, Marc; Bischof, Christian (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2008)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Kurzfassung

Die Ergebnisse numerischer Simulationen sind aufgrund wachsender Datengröße und -komplexität zunehmend schwieriger zu verstehen. Daher ist die wissenschaftliche Visualisierung heutzutage ein unverzichtbares Hilfsmittel für die Auswertung von Strömungssimulationen. Insbesondere Methoden aus dem Bereich der Virtuellen Realität gewinnen immer mehr an Bedeutung, da sie eine Analyse komplexer, drei- bis vierdimensionaler Strömungsphänomene signifikant erleichtern. Allerdings verhindern große Datenmengen und komplexe Berechnungen einen direkten Einsatz von herkömmlichen Methoden zur Strömungsvisualisierung bei praxisrelevanten Datensätzen, da hierdurch oftmals wesentliche Anforderungen an interaktive Systemantwortzeiten nicht eingehalten werden können. Diese Arbeit stellt Ansätze für eine intuitive Untersuchung komplexer Strömungsphänomene in immersiven virtuellen Umgebungen vor – einschließlich großer, instationärer Datensätze, die regelmäßig die Speicherkapazität moderner Visualisierungsrechner übersteigen. Aufgrund ihrer hohen Aussagekraft liegt der Hauptfokus dieser Arbeit auf der interaktiven Partikelverfolgung. Indem die jeweiligen Stärken der einzelnen Komponenten heutiger heterogener Visualisierungsumgebungen ausgenutzt werden, wird ein Grad an Interaktivität jenseits aktueller Lösungen erreicht. Als theoretische Grundlage der vorgestellten Ansätze führt diese Arbeit Modelle für den interaktiven Explorationsprozess und aktuelle Visualisierungsinfrastruktur ein, sowie eine Erweiterung der klassischen Visualisierungspipeline. Basierend auf einer Analyse ihrer Ausführungsfrequenz werden einzelne Unteraufgaben einer Visualisierungsanfrage auf die Komponenten einer heterogenen Visualisierungsumgebung verteilt. Diese umfasst sowohl Hochleistungsrechner (high performance computing (HPC) cluster) als auch dedizierte Grafik-/Visualisierungsrechner, welche mit modernen Grafikprozessoren (graphics processing units – GPUs) ausgestattet sind. Für die interaktive Partikelverfolgung resultiert dies in einer HPC-basierten Datenreduktion, gefolgt von einer GPU-basierten Berechnung und Darstellung von Partikelbahnen. Damit wird ein Paradigmenwechsel bezüglich des Einsatzes von HPC-Infrastruktur für die interaktive Datenanalyse vollzogen. Für die Realisierung dieses Ansatzes wurde eine effiziente Methode zur Datenreduktion basierend auf Benutzervorgaben entwickelt, welche einen Teil eines gegebenenen unstrukturierten Gitters in ein kartesisches Gitter überführt. Ein effizienter Algorithmus zur Zellsuche und eine hierarchische Parallelisierungsstrategie ermöglichen eine exzellente Auslastung der vorhandenen HPC-Ressourcen. Um die Approximationsgüte des vereinfachten Strömungsfeldes zu beurteilen, werden globale und lokale Fehler abgeschätzt und an den Benutzer ausgegeben. Für die eigentliche Strömungsexploration wird Interaktivität erreicht, indem die Partikelverfolgung auf der GPU des Visualisierungsrechners durchgeführt wird. Neben einer direkten Unterstützung von Strömungsfeldern auf kartesischen Gittern wird in dieser Arbeit eine Methode für die Speicherung von Tetraedergittern im Grafikspeicher vorgestellt. Damit kann für die GPU-basierte Partikelverfolgung die optimierte Domänendiskretisierung aus der Simulationsphase beibehalten werden. Eine Unterstützung für zeitveränderliche Strömungsfelder auf kartesischen Gittern und statischen Tetraedergittern erhöht die Flexibilität der vorgestellten Ansätze weiter. Um große Mengen von Partikeldaten effizient darzustellen, werden in dieser Arbeit bildbasierte Zeichentechniken sowohl für instantane Partikel als auch für Partikelbahnen eingeführt. In beiden Fällen wird ihre Benutzbarkeit in immersiven virtuellen Umgebungen sichergestellt. Die vorgestellten Methoden wurden in das Visualisierungsrahmenwerk ViSTA FlowLib integriert. Diese Implementierungen wurden für eine gründliche Evaluierung dieser Ansätze verwendet. Dies umfasst sowohl Laufzeitanalysen als auch eine Beurteilung ihrer Benutzbarkeit, Anwendbarkeit und Ausdrucksstärke für eine interaktive Exploration verschiedener, praxisrelevanter Datensätze.

Identifikationsnummern