Effiziente Methoden zur Visualisierung in tele-immersiven Anwendungen
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Lehrstuhl für IT-Management, Institut für Informatik
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Stephan Olbrich
Abschlussbericht
Effiziente Methoden zur Visualisierung
in tele-immersiven Anwendungen
Finanzierung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Geschäftszeichen: OL 241/1-1
Kooperationspartner
Zentrum für Informations- und Medientechnologie (ZIM),
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Forschungszentrum L3S, Leibniz Universität Hannover
Norddeutscher Verbund für Hoch- und Höchstleistungsrechnen
(HLRN)
Regionales Rechenzentrum für Niedersachsen (RRZN),
Leibniz Universität Hannover
Institut für Meteorologie und Klimatologie,
Leibniz Universität Hannover
01.09.2009
Abschlussbericht DFG-Projekt EVITA
Inhaltsverzeichnis
1 Allgemeine Angaben .................................................................................... 3
1.1 DFG-Geschäftszeichen ................................................................................................. 3
1.2 Antragsteller................................................................................................................. 3
1.3 Institut/Lehrstuhl ......................................................................................................... 3
1.4 Förderungszeitraum ..................................................................................................... 3
1.5 Publikationen ............................................................................................................... 4
1.6 Technische Berichte ..................................................................................................... 5
1.7 Vorträge und Demonstrationen................................................................................... 5
2 Arbeits- und Ergebnisbericht ........................................................................ 8
2.1 Ausgangssituation und Zielsetzung.............................................................................. 8
2.2 Durchgeführte Arbeiten ............................................................................................. 11
2.2.1 Unterstützung von Infrastrukturen und Middleware ...................................... 11
2.2.2 Parallele Isosurface-Extraktion mit integrierter Polygonsimplifizierung ......... 12
2.2.3 Parallele Strömungslinien-Extraktion mit merkmalsbasiertem Postfiltering .. 13
2.2.4 Netzverteiltes Volumen- und Haptik-Rendering komplexer Zeitserien .......... 14
2.3 Perspektiven in der Anwendung und in der Forschung............................................. 15
2.4 Wirtschaftliche Verwertbarkeit ................................................................................. 15
2.5 Projektmitarbeiter/innen und Kooperationspartner ................................................. 16
2.6 Qualifikation des wissenschaftlichen Nachwuchses .................................................. 17
3 Zusammenfassung ..................................................................................... 18
3.1 Wissenschaftliche Fortschritte und ihre Anwendungsaspekte ................................. 18
3.2 Präsenz in den Medien: Zeitungs-, Rundfunk- und Fernsehberichte ........................ 18
4 Anhang ....................................................................................................... 19
2 Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Effiziente Methoden zur Visualisierung in tele-immersiven Anwendungen
1 Allgemeine Angaben
1.1 DFG-Geschäftszeichen
OL 241/1-1
1.2 Antragsteller
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Stephan Olbrich
Direktor des Zentrums für Informations- und Medientechnologie (ZIM)
sowie des Lehrstuhls für IT-Management am Institut für Informatik
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Privatadresse:
Max-Born-Str. 64
D-40591 Düsseldorf
Tel.: 0211/5988676, Mobil: 0175-5904347
1.3 Institut/Lehrstuhl
seit dem 01.12.2005:
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Institut für Informatik
Lehrstuhl für IT-Management
Universitätsstr. 1
D-40225 Düsseldorf
bis zum 30.11.2005:
Leibniz Universität Hannover
Regionales Rechenzentrum für Niedersachsen (RRZN)
Schloßwender Str. 5
D-30159 Hannover
1.4 Förderungszeitraum
01.04.2005 – 31.12.2007
Durch die Annahme des Rufs an die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, während
die geförderten Mitarbeiter am Forschungszentrum L3S an der Leibniz Universität
Hannover weiter beschäftigt waren, wurde die Projektleitung zunehmend ineffizient.
Um das Projekt dennoch zu einem erfolgreichen Abschluss führen zu können, erfolgte
eine Ergänzung durch Beiträge zweier wissenschaftlicher Mitarbeiter (seit 01.01.2007
bzw. 01.06.2007) aus der Grundausstattung des Lehrstuhls für IT-Management.
Der Berichtszeitraum erstreckt sich daher bis zum 31.03.2009.
© 2009 3
Abschlussbericht DFG-Projekt EVITA
1.5 Publikationen
1. Manten, S.; Vetter, M.; Olbrich, S.: Evaluation of a Scalable In-Situ Visualization
System Approach in a Parallelized Computational Fluid Dynamics Application.
Invited paper, Buchbeitrag zum Dagstuhl-Seminar „Virtual Realities“, 2009. (in
Vorbereitung)
2. Manten, S.; Breuer, I.; Olbrich, S.: Parallel isosurface extraction including poly-
gon simplification via self adapting vertex clustering. Proceedings of 9th IASTED
International Conference on Visualization, Imaging and Image Processing (VIIP
2009), 13.-15.07.2009, Cambridge, United Kingdom.
3. Vetter, M.; Manten, S.; Olbrich, S.: Exploring unsteady flows by parallel
extraction of property-enhanced pathlines and interactive post-filtering.
Proceedings of 14th Eurographics Symposium on Virtual Environments (EGVE
2008), Eindhoven, 29.-30.05.2008. (Paper, Poster)
4. Letzel, M. O.; Krane, M.; Raasch, S.: High resolution urban large-eddy simulation
studies from street canyon to neighbourhood scale. Atmos. Env., 42, 2008.
5. Letzel, M. O.; Gaus, G.; Raasch, S.; Jensen, N., Kanda, M.: Turbulent flow around
high-rise office buildings in downtown Tokyo. Online-Publikation inklusive Video.
Dynamic Visualization in Science – DyVis: Peer-reviewed Online Journal, 2008.
http://www.dyvis.org/DyVis?Sig=13100
6. Olbrich, S.; Manten, S.: Hochleistungsrechnen und parallele Programmierung –
Service für und Gegenstand von Forschung und Lehre. In: Labisch, A. (Hrsg.):
Jahrbuch der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf 2006/2007, Düsseldorf,
2007.
7. Olbrich, S.; Manten, S.; Jensen, N.: Scalable Isosurface Extraction in a
Parallelized Streaming Framework for Interactive Simulation and Visualization.
Proceedings of 10th International Conference on Humans and Computers, Düs-
seldorf, 13.-15.12.2007.
8. Manten, S.; Jensen, N.; Olbrich, S.: Parallele Isosurface-Extraktion mit integrier-
ter flexibler Polygonsimplifizierung. Tagungsband zum 4. Workshop „Virtuelle
und Erweiterte Realität“ der GI-Fachgruppe VR/AR, Bauhaus-Universität Wei-
mar. 15.07.2007.
9. Olbrich, S.; Raasch, S.; Manten, S.; Gaus, G.: A Parallelized Streaming Framework
for Simulation and Visualization Grids. Research Poster and Abstract (peer-
reviewed), International Supercomputing Conference 2007, Dresden, 26.-
28.06.2007.
10. Jensen, N.; Gaus, G.; von Voigt, G.; Olbrich, S.: Design and Psychophysical Study
of Volume Compression for Haptic Rendering. Proceedings of Second Joint
4 Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Effiziente Methoden zur Visualisierung in tele-immersiven Anwendungen
EuroHaptics Conference and Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Envi-
ronment and Teleoperator Systems (WHC 2007), Tsukuba, 22.-24.03.2007.
11. Olbrich, S.; Jensen, N.; Gaus, G.: EVITA – Effiziente Methoden zur Visualisierung
in immersiven Anwendungen. In: Labisch, A. (Hrsg.): Jahrbuch der Heinrich-
Heine-Universität Düsseldorf 2005/2006, Düsseldorf, 2006.
12. Jensen, N.: Real-time synchronised 3D-perceptualisation. Proceedings of Science
and Supercomputing in Europe, Casalecchio die Reno (Bologna), Italy, 2005.
13. Jensen, N.; von Voigt, G.; Nejdl, W.; Bernarding, J.: Efficient 1-pass prediction for
volume compression. Proceedings of 14th Scandinavian Conference on Image
Analysis, Joensuu, Finnland, 2005.
1.6 Technische Berichte
1. Olbrich, S.: Simulate your climate in 3D virtual reality. Beitrag zum Jahresbericht
2007 des Forschungszentrums L3S, Universität Hannover, 2008.
2. Jensen, N.: Generating Simplified Meshes from Distributed Volume Data. Techni-
cal Report tr-l3s-20060301, Forschungszentrum L3S, Universität Hannover,
2006.
1.7 Vorträge und Demonstrationen
1. Olbrich, S.; Vetter, M.: Virtueller Tornado. 3D-Stereo-Präsentation auf Basis der
im Projekt entwickelten „property-enhanced pathlines and interactive post-
filtering“ auf einem Desktop-Passivstereo-3D-Display (Planar3D). Campus-Messe
2009, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, 06.06.2009. (vgl. Abbildung 1)
2. Olbrich, S.; Manten, S.: Virtuelle Welten zum Greifen nahe – 3D-Filme für For-
schung und Lehre. Vortrag und 3D-Stereo-Großbildpräsentation am „Tag der
Forschung“, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, 02.11.2008 1.
3. Olbrich, S.: Effiziente In-situ-Visualisierung in massivparallelen Anwendungen.
ZKI-Arbeitskreis Supercomputing, TU Ilmenau, 18.09.2008.
4. Olbrich, S.: Scalable simulation and visualization – Challenges in and solutions
for massively parallel computing and networked virtual reality applications.
Dagstuhl-Seminar „Virtual Realities“, Eingeladener Vortrag, Schloss Dagstuhl,
Dagstuhl, 01.-06.06.2008.
5. Olbrich, S.: Zusammenhänge erkennen – Ein Bild sagt mehr als tausend Worte.
Simulation und 3D-Visualisierung durch HPC. Eingeladener Vortrag und 3D-
1
http://www.zim.uni-duesseldorf.de/Meldungen/meldung_lang?id_main=8523
© 2009 5
Abschlussbericht DFG-Projekt EVITA
Demonstration. DBUS-Jahrestagung 2008. Deutsche Bull User Society, Bamberg,
28.-29.05.2008.
6. Olbrich, S.: DSVR – Skalierbare Visualisierungsverfahren zur Integration in mas-
sivparallelen Simulationen und netzverteilten VR-Anwendungen. JSC Informati-
onsforum „Visualisierung wissenschaftlicher Daten“, Forschungszentrum Jülich,
31.03.2008.
7. Pressekonferenz an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, inkl. 3D-Stereo-
Großbildpräsentation im neu ausgestatteten Multimedia-Seminarraum, anläss-
lich einer Spende der Firma Hewlett-Packard zur Unterstützung der Projektakti-
vitäten sowie des Lehrstuhl-Aufbaus: „Informatiker simulieren Wetter“,
07.12.2007.
8. Olbrich, S.; Manten, S.: Virtuelle Welten zum Greifen nahe – 3D-Filme für For-
schung und Lehre. Vortrag und 3D-Stereo-Großbildpräsentation am „Tag der
Forschung“, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, 28.10.2007.
9. Olbrich, S.; Raasch, S.; Manten, S.; Gaus, G.: A Parallelized Streaming Framework
for Simulation and Visualization Grids. Research Poster, 3D-Demonstration, In-
ternational Supercomputing Conference 2007 (ISC 07), Dresden, 26.-28.06.2007.
10. Olbrich, S.: Erkenntnisgewinn und -vermittlung durch moderne Informations-
und Medientechnologien – Computersimulation und Virtual Reality. Vortrag und
3D-Stereo-Großbildpräsentation im Rahmen des Seminars „Medienmanage-
ment, Medienszene“" (Prof. Dr. Manfred Lotsch), Heinrich-Heine-Universität
Düsseldorf, 10.05.2007 2.
11. Olbrich, S.: Parallelisierte, streamingbasierte Visualisierungsmiddleware: DSVR –
Konzept und 3D-Anwendungen zur Volumen- und Strömungsvisualisierung.
HLRN-Workshop „Graphisches Post-Processing“, HLRN/RRZN, Leibniz Universität
Hannover, 25.04.2007.
12. Olbrich, S.: Virtuelle Welten zum Greifen nahe – 3D-Filme für Forschung und Leh-
re. Antrittsvorlesung und 3D-Stereo-Großbildpräsentation, Heinrich-Heine-
Universität Düsseldorf, 16.01.2007.
13. Raasch, S.: Stürmisch und turbulent – Die Atmosphäre in 3D. Saturday Morning
Lecture – Physik für Aufgeweckte. Vortrag und stereoskopische 3D-Präsentation
im Audimax der Leibniz Universität Hannover, 02.12.2006 3.
14. Olbrich, S.: Parallelisierungs- und Streamingverfahren zum netzverteilten Hoch-
leistungsrechnen und -visualisieren. ZKI-Arbeitskreis Multimedia und Graphik /
2
http://www.uni-duesseldorf.de/home/Informationen/Informationen/pressemeldung?nr=6368
3
http://www.rrzn.uni-hannover.de/saturday_morning_lecture.html
6 Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Effiziente Methoden zur Visualisierung in tele-immersiven Anwendungen
Kolloquium „Ausgewählte Themen der Datenverarbeitung“, Lehrstuhl für Infor-
matik (Prof. Dr. Ulrich Lang), Universität Köln, 09.11.2006.
15. Olbrich, S.; Gaus, G.: A Parallelized Streaming Framework for Simulation and
Visualization Grids. Ausstellungsstand und 3D-Demonstration auf der IEEE Con-
ference on Visualization 2006, Baltimore, USA, 29.10.-03.11.2006.
16. Letzel, M. O.: Die Erforschung des Unsichtbaren – Faszinierende Einblicke in at-
mosphärische Turbulenz durch Supercomputer und Hochleistungsgrafik. Vortrag
anlässlich der Studentischen Meteorologen-Tagung (StuMeTa) 2006, Hannover,
25.05.2006.
17. Olbrich, S.: Einsatzszenarien der Virtuellen Realität zur netzverteilten Exploration
numerischer Simulationen. Vortrag im Rahmen der Mitgliederversammlung der
GI-Regionalgruppe Düsseldorf, 17.05.2006.
18. Olbrich, S.: Effiziente Datenextraktion und 3D-Visualisierung in verteilten Syste-
men. Vortrag im Rahmen des Meteorologischen Kolloquiums, Institut für Mete-
orologie und Klimatologie, Leibniz Universität Hannover, 11.05.2006.
19. Raasch, S.: Der Einsatz von Höchstleistungsrechnern in der Meteorologie und
Klimatologie am Beispiel von Turbulenzsimulationen für Stadtgebiete. Vortrag im
Rahmen der 175-Jahr-Feier der Leibniz Universität Hannover, Nacht der Wissen-
schaften, Hannover, 09.05.2006.
20. Gaus, G.: 3D-Filme für Forschung und Lehre – Virtuelle Welten zum Greifen nahe!
3D-Demonstration im Rahmen der 175-Jahr-Feier der Leibniz Universität Han-
nover, Nacht der Wissenschaften, Hannover, 09.05.2006.
21. Olbrich, S.: Vorstellung des Rechenzentrums / Simulation und 3D-Visualisierung
in verteilten Systemen. Vortrag im Rahmen eines Treffens des IHK-Arbeitskreises
Software, Universitätsrechenzentrum, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf,
21.03.2006.
Abbildung 1. Virtual Reality auf dem Desktop: Präsentation auf Basis der im Projekt entwickelten
„property-enhanced pathlines and interactive post-filtering“ auf einem Passivstereo-3D-Display
(Planar3D). Campus-Messe 2009, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, 06.06.2009.
© 2009 7
Abschlussbericht DFG-Projekt EVITA
2 Arbeits- und Ergebnisbericht
2.1 Ausgangssituation und Zielsetzung
Zur Visualisierung der außerordentlich großen Datenmengen, die aus hochaufgelös-
ten, zeitabhängigen Simulationsrechnungen resultieren, können traditionelle Verfah-
ren, die auf einem separaten Postprocessing basieren, nicht mehr angewandt wer-
den. Insbesondere in Echtzeit gekoppelte, interaktive Visualisierungsszenarien erfor-
dern besondere Skalierungseigenschaften, um den auf Parallelrechnern erreichbaren
Speed-Up nicht zu beeinträchtigen. Eine Lösung dieses Problems bietet der Einsatz so
genannter verteilter Visualisierungsumgebungen. Die Datenaufbereitung zwecks Vi-
sualisierung wird hier schon während der Simulationsrechnungen auf den Rechnern,
welche diese durchführen, vorgenommen. Parallel werden die generierten Medien-
daten – hier: Sequenzen von 3D-Szenen – zwecks Zwischenspeicherung oder direkter
Visualisierung zu anderen Rechnersystemen weitergeleitet.
Die Entwicklung eines Lösungsansatzes erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Institut
für Meteorologie und Klimatologie an der Leibniz Universität Hannover (IMUK).
Das am IMUK implementierte parallelisierte Large-Eddy Simulationsmodell PALM ist
eine Anwendung zur Simulation instationärer Strömungsphänomene in hoher Auflö-
sung. PALM wurde die für Hochleistungsrechner, insbesondere mit paralleler Archi-
tektur (Rechencluster) optimiert und arbeitet auf den heutigen Hoch- und Höchst-
leistungsrechnern mit einem Rechengitter mit bis zu 1010 Datenpunkten, wobei an
jedem Gitterpunkt eine Vielzahl von Skalar- und Vektorwerten (thermodynamische
Zustandsgrößen) gehalten werden. Turbulente Phänomene werden üblicherweise in
Zeitschritten gerechnet, deren Anzahl in der Größenordnung von 10.000 liegt. Die ro-
hen Rechenergebnisse weisen daher ein Datenvolumen in der Größenordnung von
1.000 TeraByte (= 1 PetaByte) auf, die – wenn überhaupt – nicht in angemessener
Zeit auf Dateien gespeichert werden können.
Es besteht der Wunsch, die zeitabhängigen Skalar- und Vektorfelder in Form eines
navigierbaren 3D-Virtual-Reality-Films explorativ untersuchen zu können. Dies kann
aufgrund der hohen Datenmengen und Rechenaufwände nur durch den Einsatz von
parallelen Methoden – nicht nur zur Simulation, sondern auch zum so genannten
„Visualization Mapping“ (Aufbereitung der Rohdaten in 3D-Szenen; z. B. eingefärbte
Schnittflächen, Isooberflächen, Stromlinien) – und von Streamingverfahren (zeitlich
überlappte Datenerzeugung, -übertragung und -verarbeitung) im Zusammenhang mit
einem Zwischenspeicher (Streamingserver) geschehen, der die Betrachtung der 3D-
Szenensequenz mit fester Bildrate in einer Virtual-Reality-Umgebung unterstützt.
Mit der netzverteilten Prozesskette Distributed Simulation and Virtual Reality Envi-
ronment (DSVR) ist ein gut skalierbarer Ansatz implementiert worden, der eine flexib-
le Unterstützung der gewünschten Visualisierungsszenarien bietet: Postprocessing als
Teil eines Batchlaufs, Online-Visualisierung zur Betrachtung von Zwischenergebnissen
sowie interaktive Simulationssteuerung.
8 Heinrich-Heine-Universität DüsseldorfEffiziente Methoden zur Visualisierung in tele-immersiven Anwendungen
3D Generator 3D Viewer
Data Source Filter, Mapper Rendering Presentation
(Simulation) (Isosurface, …) (Graphics) (Display)
Raw Data 3D Geometries 2D Pixel Images
Communication, Storage, Play-Out
(Network, Server, Archiving)
3D Streaming Server
Abbildung 2. Die abstrakte Visualisierungspipeline wurde an der 3D-Schnittstelle explizit partitioniert.
Die Prozesskette beinhaltet die folgenden drei Instanzen (vgl. Abbildung 2):
1. Erzeugung von 3D-Szenen – „3D-Generator“.
Hier werden besondere Merkmale aus den Rohdaten extrahiert und visuell
repräsentiert. Dazu wird eine Unterprogrammbibliothek libDVRP bereitgestellt,
die auf Basis des MPI-Standards parallele Simulationsumgebungen unterstützt.
2. 3D-Streaming-Server.
Die Sequenzen von 3D-Szenen werden unmittelbar zu einem Streamingserver
übertragen und dort gespeichert. Dieser beinhaltet Funktionen zum Transport,
zur Speicherung und zur Ausspielung kontinuierlicher 3D-Medienströme.
3. Präsentation der 3D-Szenen – „3D-Viewer“.
Die 3D-Szenensequenz wird als 3D-Film präsentiert, in dem während der
Ausspielung frei navigiert werden kann. Sofern vorhanden, werden stereo-
skopische 3D-Displays sowie 3D-Interaktions- und Trackinggeräte unterstützt.
Das DSVR-Framework implementiert auf diese Weise sämtliche Module der abstrak-
ten Visualisierungspipeline (Datenquelle, Filter, Mapper, Rendering, Präsentation) in
einem netzverteilten System.
Die beschriebenen drei Instanzen sind in Abbildung 2 farbig gekennzeichnet. Die rot
und blau eingefärbten Module (3D-Generator bzw. 3D-Viewer) sind 3D-Streaming-
Clients, die 3D-Szenensequenzen erzeugen bzw. konsumieren. Sie können in asyn-
chronen (Postprocessing, 3D-Filme „on demand“) oder synchronen (Echtzeit- bzw.
„Live“-Visualisierung) Modi betrieben werden. Konzeptionell ist auch ein Rückkanal
vorhanden, der zur interaktiven Simulationssteuerung („interactive steering“) einge-
setzt werden kann oder zur Fernsteuerung von Filter- oder Mapper-Parametern.
DSVR wurde als Visualisierungskomponente in PALM integriert sowie im Rahmen des
DFG-Projekts EVITA weiter entwickelt und dabei als Framework für grundlegende Un-
tersuchungen eingesetzt.
© 2009 9Abschlussbericht DFG-Projekt EVITA
In Abbildung 3 sind einige Anwendungsbeispiele von PALM/DSVR dargestellt.
(a) (b) (c)
Abbildung 3. Nutzung von PALM/DSVR in Simulations- und Visualisierungsanwendungen:
(a) Atmosphärische Konvektion, (b) Staubteufel, (c) Gebäudeumströmung.
Vor Projektbeginn beinhaltete das DSVR-Framework zur Volumenvisualisierung einen
einfachen parallelen Marching-Cubes-Algorithmus und zur Strömungsvisualisierung
Ausgabefunktionen für Kugeln, Linien und Polygone. Ausgehend von diesem Entwick-
lungsstand war geplant, effiziente, skalierbare Algorithmen zur Aufbereitung gebiets-
zerlegt vorliegender Skalar- und Vektordaten zu entwickeln.
Skalierbarkeit erfordert dabei die effiziente Parallelisierung sowie – trotz deutlich zu-
nehmender Problemgröße – eine Steuerung des Datenvolumens der Datenextrakte.
Letzteres dient der Begrenzung der Zeiten für den Datentransport und das 3D-
Rendering, insbesondere um den Interaktionsgrad und die Echtzeitfähigkeit bei der
Ausspielung des 3D-Films zu erhalten. Dies macht eine Reduktion der erzeugten An-
zahl grafischer 3D-Primitive (Punkte, Linien, Polygone) notwendig, die wiederum effi-
zient skalieren muss.
Es war geplant, zu den folgenden parallelen Aufbereitungstechniken neuartige Ansät-
ze zu entwickeln, zu optimieren und zu bewerten:
a) Zur Volumenvisualisierung (zeitabhängige Skalarfelder auf 3D-Gitter)
• Eng verzahnte Isosurface-Extraktion und Polygonsimplifizierung;
• Einsatz von „Direct Volume Rendering“ für Daten auf rektilinearen Gittern;
• Ergänzung durch komplexe, zeitabhängige haptische Präsentation.
b) Zur Strömungsvisualisierung (zeitabhängige 3D-Vektorfelder auf 3D-Gitter)
• Extraktion von Kurvendarstellungen in gebietszerlegten 3D-Vektorfeldern;
• Merkmalsbasierte Filtermechanismen zur interaktiven Exploration.
Es wurde das Ziel verfolgt und erreicht, einen Beitrag zur 3D-Visualisierung komple-
xer, zeitabhängiger Daten in massivparallelen Simulationsumgebungen zu leisten und
dabei interaktive, netzverteilte Nutzungsszenarien zu unterstützen.
10 Heinrich-Heine-Universität DüsseldorfEffiziente Methoden zur Visualisierung in tele-immersiven Anwendungen
2.2 Durchgeführte Arbeiten
Der Bericht zu den durchgeführten Arbeiten gliedert sich in die folgenden Abschnitte:
• Unterstützung von Infrastrukturen und Middleware
• Parallele Isosurface-Extraktion mit integrierter Polygonsimplifizierung
• Parallele Strömungslinien-Extraktion mit merkmalsbasiertem Postfiltering
• Netzverteiltes Volumen- und Haptik-Rendering komplexer Zeitserien
2.2.1 Unterstützung von Infrastrukturen und Middleware
Zunächst wurde der „3D-Generator“ libDVRP der DSVR-Software, wie geplant, erfolg-
reich auf den Norddeutschen Verbund für Hoch- und Höchstleistungsrechnen (HLRN)
portiert. Es handelt sich dabei um einen Cluster von IBM-p690-Knoten mit je 32 CPUs.
Später zeigte sich der zusätzliche Bedarf, DSVR auch auf dem NEC-Vektorrechner, be-
stehend aus 24 SX-6-Knoten mit jeweils 8 CPUs, des Deutschen Klimarechenzentrums
(DKRZ) zur Verfügung zu stellen. Zur Erleichterung der Entwicklung und Erprobung an
der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, für Produktionsläufe auf dem HLRN-II-
System (seit 2008) sowie für lokale Präsentationen (Offline-Nutzung, z. B. mit Note-
book auf Konferenzen) wurde DSVR außerdem für Linux-Betriebssysteme sowie für
Windows (mit Cygwin), basierend auf Intel-CPUs, bereit gestellt und eingesetzt.
Auch der 3D-Streaming-Server sowie der 3D-Viewer wurden weiter entwickelt und
auf verschiedenen Systemen eingesetzt. Dabei wurden die Betriebssysteme Linux
und Windows unterstützt. Durch Nutzung der Cygwin-Software konnte der Portie-
rungsaufwand unter Windows in Grenzen gehalten werden.
Für Anwendungen, in denen der Zugriff auf einen entfernten 3D-Streamingserver
grundsätzlich nicht oder leistungsmäßig (Latenz, Bandbreite, Ausfallsicherheit eines
Netzwerks während einer Präsentation) nur unzureichend gegeben ist, war geplant,
Werkzeuge zur lokalen Offline-Nutzung bereit gestellt. Dazu wurde der 3D-Server so
modifiziert, dass er auf dem gleichen Rechner wie der 3D-Viewer lauffähig ist. Ein
derart installiertes System wurde auf einem Ausstellungsstand auf der IEEE Confe-
rence on Visualization 2006 in Baltimore (Maryland, USA) präsentiert. Dabei liefen
sowohl der Server als auch die Präsentation auf einem handelsüblichen Notebook un-
ter Windows XP, bei anderen Demonstrationen unter Linux. Die dafür nötigen 3D-
Szenensequenzen wurden vorher auf die Festplatte des Notebooks kopiert.
In der Datenextraktionsbibliothek libDVRP wurde eine Funktion RectilinearGridSort
zur Spezifikation rektilinearer Gitter ergänzt, die zugleich die rektilineare Gebiets-
zerlegung unterstützt. Damit werden für die gebietsübergreifenden Entwicklungen –
insbesondere in den Arbeitsbereichen Isosurface-Extraktion (Abschnitt 2.2.2) und
Strömungslinien-Extraktion (Abschnitt 2.2.3) – Daten zur Verfügung stellt, um aus den
Ortskoordinaten das Teilgebiet und damit die Nummer des entsprechenden Rechen-
knotens berechnen und dann mit MPI auf dessen Daten zugreifen zu können.
Das Streaming-Protokoll wurde erweitert, um die in Abschnitt 2.2.3 beschriebenen
neuen Filterfunktionen des 3D-Streamingservers vom 3D-Viewer aus interaktiv steu-
ern zu können.
© 2009 11Abschlussbericht DFG-Projekt EVITA
2.2.2 Parallele Isosurface-Extraktion mit integrierter Polygonsimplifizierung
Es wurden parallelisierte Verfahren zur Verzahnung des Marching-Cubes-Algorithmus
von Lorensen und Cline (1987) zur Isosurface-Exktraktion mit dem Vertex-Clustering-
Algorithms von Rossignac und Borrel (1993) implementiert. Vorteile der engen Integ-
ration gegenüber der Aneinanderreihung dieser beiden Algorithmen entstehen durch
die Bereitstellung der Clusterkriterien über das zugrunde liegende rektilineare Daten-
gitter bereits statt der aufwändigen Analyse im Nachhinein sowie durch die Vermei-
dung der temporären Erzeugung und Speicherung einer großen Menge von Drei-
ecken. Problematisch ist jedoch die effiziente Parallelisierung, da sich die jeweiligen
Cluster-Gebiete gegebenenfalls über Teilgebietsgrenzen der Gebietszerlegung erstre-
cken können. Daher wurden zwei Varianten entwickelt: Die Methode (a) arbeitet ge-
bietsübergreifend und erfordert daher einen Datenaustausch (MPI) über Gebiets-
grenzen hinweg, während Methode (b) ohne Interprozesskommunikation auskommt,
dafür aber zusätzliche Polygonkanten an den Teilgebietsgrenzen erzeugen muss. Bei
gegebener Clusterung von dxdxd Gitterzellen beträgt der Polygonreduktionsfaktor für
die Variante (a) ca. d² und für die Variante (b) ca. 0,5d². Eine Erprobung im PALM-
Kontext bezog sich auf die Nutzbarkeit zur Visualisierung von Konvektionszellen (vgl.
Abbildung 4) und auf die Evaluierung der parallelen Effizienz.
Die Verfahren wurden noch weiter
Original Marching Cubes:
verfeinert, um adaptiv – abhängig 10,4 Mio. Dreiecke, 470 MByte
von der Krümmung und der Kon-
nektivität – einen weiteren Clus-
terschritt durchzuführen, die Drei-
ecke effizienter zu codieren (Tri- 2x2x2-Clustering: 46,7 %
angle-Fans) und die Kommunikati-
onslatenz durch Einsatz von asyn-
chronem MPI-Funktionen zu redu-
zieren bzw. zu verstecken. In Test- 3x3x3-Clustering: 19,5 %
fällen mit 1080³ Gitterpunkten
konnte gezeigt werden, dass der
parallelisierte Algorithmus bis 200
Rechencores gut skaliert. Die Iso- 4x4x4-Clustering: 10,1 %
surface-Extraktion benötigte dabei
inklusive der Polygonreduktion mit
3x3x3-Clustering und dem zweiten,
adaptiven Clusterschritt (Ergebnis:
5x5x5-Clustering: 6,4 %
640.000 Dreiecke) 0,095 Sekunden
und ist somit geeignet, um Zeitse-
rien in Echtzeit aufzubereiten und
als flüssige Animation darzustellen. Abbildung 4. Temperaturfeld einer atmosphärischen Si-
Die Ergebnisse sind in Manten et mulation mit PALM (Konvektionszellen, 760 x 760 x 192
Gitterpunkte), visualisiert als Isosurface mit integriertem
al. (2007), Olbrich et al. (2007) und Polygonreduktionsalgorithmus b bei verschiedenen Ver-
Manten et al. (2009) publiziert. tex-Clustering-Konfigurationen im DSVR-System.
12 Heinrich-Heine-Universität DüsseldorfEffiziente Methoden zur Visualisierung in tele-immersiven Anwendungen
2.2.3 Parallele Strömungslinien-Extraktion mit merkmalsbasiertem Postfiltering
Vor Projektbeginn stellten die DSVR-Komponenten zur Darstellung von Trajektorien
lediglich die benötigten 3D-Grafik-Primitive bereit. Es wurde nun ein parallelisierte
Funktion zur Datenextraktionsbibliothek libDVRP ergänzt, die auf der Basis eines ge-
gebenen, optional veränderlichen Vektorfeldes unter Berücksichtigung der Gebiets-
aufteilung dieser Rohdaten, Bahnlinien von vorgegebenen Saatpunkten aus erzeugt.
Bei der Erzeugung der Punkt-Spur kann in der parallelisiert ablaufenden Simulation
ein Gebietswechsel stattfinden. Daher werden – basierend auf MPI – gegebenenfalls
Bahnlinien zwischen Teilgebieten bewegt. Für die Integration stehen Euler-Verfahren
sowie Runge-Kutta-Verfahren bis zur vierten Ordnung wahlweise zur Verfügung.
Die Saatpunkte können entweder einzeln vorgegeben werden oder über ein räumlich
gleichförmiges oder mit einem stochastischen Jitter versehenen Schema verteilt wer-
den. Die Einzelspezifikation erlaubt der nutzenden Anwendung, aus dem jeweiligen
Kontext heraus Kriterien zur Saatpunktwahl heranzuziehen. Das generalisierte Sche-
ma ermöglicht einen Gesamtüberblick, der jedoch oftmals schwer visualisierbar ist,
insbesondere ohne stereoskopische Betrachtung (vgl. Abbildung 5 a). Eine interaktive
Hervorhebung charakteristischer Teile der Strömung durch eine direkte Interaktion
mit der Datenextraktion ist in der Regel aufgrund der langen Rechenzeiten (Batchbe-
trieb) und nicht machbaren Abspeicherung der Rohdaten jedoch nicht möglich. Daher
wurde der 3D-Datenstrom um Merkmalsdaten an den jeweiligen Stützstellen der Tra-
jektorien ergänzt. Durch die Einführung parametrisierbarer Filterungsfunktionen
(„Post-Filtering“) in den 3D-Streamingserver und den 3D-Viewer sowie die Bereitstel-
lung von Dialogen im 3D-Viewer können nun wahlweise remote vom Server Aus-
schnitte ausgespielt oder lokal im Viewer in Abhängigkeit dieser ergänzenden Attri-
bute (z. B. Betrag des Strömungsvektors, vgl. Abbildung 5 b) dargestellt werden.
Die Ergebnisse sind in Vetter et al. (2008) publiziert. Vorteile dieses Ansatzes sind:
• Erhaltung eines Interaktionsgrades bei der Betrachtung, wobei der Batchbetrieb
bei der Datenextraktion und Erzeugung der 3D-Grafik beibehalten wird
• Deutliche Reduktion des Datenvolumens gegenüber den Rohdaten: Bei Annahme
einer konstanten Anzahl von Bahnlinien, O(n³) Gitterpunkten und O(n) Stützstel-
len pro Bahnlinie erfolgt eine Reduktion um einen Faktor von O(n²)
• Weitere Verringerung der Datenrate durch interaktives Post-Filtering
(a) Ungefilterte Bahnlinien-Visualisierung mit gene- (b) Gefiltert mit Schwellwert 0,185 für
ralisiertem Saatpunkt-Schema: ca. 30.000 Linien Betrag des Vektors: ca. 4.500 Linien
4
Abbildung 5. Visualisierung einer Tornado-ähnlichen Strömung im DSVR-System (Crawfis-Datensatz).
4
Vgl. auch Videoclips unter http://www.L3S.de/evita/film[1-4].mpg
© 2009 13Abschlussbericht DFG-Projekt EVITA
2.2.4 Netzverteiltes Volumen- und Haptik-Rendering komplexer Zeitserien
In die DSVR-Prozesskette wurde Direct Volume Rendering integriert. Im Gegensatz zu
bisher üblichen Verfahren, die zwecks effizienter Abbildung der Daten über den 3D-
Texturspeicher der Grafikkarte äquidistante Gittertypen fordern, werden hier Skalar-
daten auf einem rektilinearen Gitter unterstützt. Darüber hinaus können diese auf
Basis einer Gebietszerlegung auf mehreren Rechenknoten verteilt vorliegen. Auf den
Generator-Prozessoren werden die Rohdaten neu gesampelt und in 3D-Texturteile
überführt. Über MPI werden die Texturen in der libDVRP zusammengeführt, optional
komprimiert, in das neu eingeführte 3D-Datenstrom-Protokollelement TensorField
eingebettet und an den Streamingserver gesendet. Im 3D-Viewer wurde Funktionali-
tät implementiert, die notwendig ist, um die 3D-Texturserien zu betrachten. Die
Funktionen nutzen das seit OpenGL 1.2 verfügbare 3D-Texture-Mapping sowie Color-
Tables, um Skalare hardwaregestützt in RGB-Farben zu transferieren. Die Transfer-
funktionen sind über einen in Win32 implementierten Dialog interaktiv einstellbar.
In Jensen et al. (2005) wird der im Projektantrag skizzierte und inzwischen implemen-
tierte und erprobte PR0-Codec zur Komprimierung von 3D-Texturen beschrieben. Für
die Messung der Leistung wurden sowohl die Software-Konfigurationen (PALM) als
auch Test-Datensätze, bestehend aus Volumen- und Strömungsdaten, erarbeitet. Es
wurde der Datendurchsatz gemessen, der bei der Kompression/Dekompression von
3D-Texturen erreicht wurde. Auf einem Standard-PC mit Intel Pentium-4, 2,4 GHz
Taktrate und 512 MB Hauptspeicher ergab sich eine durchschnittliche Datenrate von
4,44 MByte/sec bei der Komprimierung und 5,33 MByte/sec für die Dekomprimie-
rung. Die Texturen repräsentativer Eingangsdaten wurden dabei auf 1/3 der Ein-
gangsdatengröße reduziert und nach dem Transport verlustlos rekonstruiert.
Für die haptische Repräsentation von 3D-Texturen wurde ein zusätzliches Quantisie-
rungs-Verfahren entwickelt. In Jensen et al. (2007) wird die Weiterentwicklung des
Codecs aus Jensen et al. (2005) beschrieben, die dazu dient, eine hohe Interaktivität
im Verbund mit einer Kombination aus verlustbehafteter und verlustloser Kompres-
sion zu erzielen. Das Verfahren ermöglicht eine Kompression dreidimensionaler ska-
larer Datenfelder. Die Kompression erfolgt zum einen verlustlos über den PR0-Codec,
zum anderen verlustbehaftet über das Wegschneiden der für das Haptik-Rendering
aktuell nicht benötigter Szenenteile (Culling) und eine Reduktion der Genauigkeit
durch Quantisierung sowie den Einsatz eines Entropieverfahrens.
Die komprimierten Texturfolgen wurden, wie geplant, haptisch ertastbar gemacht.
Dazu wurde der 3D-Viewer um Funktionen zum Haptik-Rendering ergänzt. Das
Haptikgerät Phantom 1.5A der Firma Sensable Inc. wurde mittels Ghost-SDK ange-
steuert. Auf dieser Basis wurde eine Studie zur Bestimmung der psychophysikalischen
Gesetzmäßigkeiten des Haptik-Renderings durchgeführt. Sie wurde erfolgreich ent-
worfen, durchgeführt und ausgewertet. Das oben genannte Quantisierungsverfahren
beruht auf diesen Erkenntnissen. Die Reduktionserfolge sind:
• 3:1 verlustlos komprimiert
• zusätzlich 2:1 durch Quantisierung auf 4 Bit pro Voxel
• zusätzlich 8:1 und besser durch Culling
14 Heinrich-Heine-Universität DüsseldorfEffiziente Methoden zur Visualisierung in tele-immersiven Anwendungen
2.3 Perspektiven in der Anwendung und in der Forschung
Die als Ergebnis des Projekts
• entwickelten, implementierten und evaluierten generellen Lösungsansätze,
• das Software-Produkt DSVR zur Volumen- und Strömungsvisualisierung sowie
• die prototypische Anwendungsintegration in parallele Simulationen (PALM)
bieten den Ausgangspunkt für die Unterstützung weiterer Anwendungen.
Insbesondere werden für komplexe numerische Simulationsanwendungen, die auf
Hoch- und Höchstleistungsrechnern durch
• einen hohen Parallelisierungsgrad (zunehmend hybrid: MPI, OpenMP),
• räumlich hoch aufgelöste und zeitlich veränderliche Ergebnisdaten sowie
• gemäß Gebietszerlegung auf den Rechenknoten verteilt vorliegende Daten
charakterisiert sind, bisher keine hinreichend skalierenden Visualisierungsprodukte
angeboten. Diese Lücke wird mit den im Rahmen des Projekts durchgeführten Unter-
suchungen und Software-Entwicklungen zunehmend geschlossen.
Weiterer Entwicklungsbedarf besteht allerdings, um der zunehmenden Hybridisie-
rung der Hoch- und Höchstleistungsrechnerarchitekturen – Cluster, Multi-Core und
Spezialprozessoren (z. B. GPGPUs) – zu begegnen und die Visualisierung von Daten
auf weiteren Gittertypen – wie von Anwenderseite gewünscht – zu ermöglichen.
Im Rahmen der BMBF-Ausschreibung „HPC-Software für skalierbare Parallelrechner“
(2007) hat die Arbeitsgruppe von Prof. Olbrich als Partner eines Konsortiums im Kon-
text des Norddeutschen Verbunds für Hoch- und Höchstleistungsrechnen (HLRN) an
einem Projektantrag mitgewirkt. In dem zweistufigen Verfahren wurde die Projekt-
skizze „Multi-Core CFD – Hoch skalierbare CFD-Simulationen auf Multi-Core-Höchst-
leistungsrechnern“ am 10.04.2008 positiv bewertet, woraufhin der Projektträger zur
Antragstellung aufforderte. Da der Antrag letztlich jedoch abgelehnt wurde, ist beab-
sichtigt, in der nächsten Förderrunde einen neuen, profilierteren Antrag zu stellen.
Darüber hinaus wurden inzwischen Ideen für weiter reichende innovative Ansätze
entwickelt, die möglicherweise durch die DFG gefördert werden könnten.
2.4 Wirtschaftliche Verwertbarkeit
Die Ergebnisse werden bisher als nicht wirtschaftlich verwertbar angesehen. Die Wei-
terentwicklung zu einem kommerziellen Produkt würde einen erheblich zunehmen-
den Grad an Universalität und Nutzerfreundlichkeit der Software erfordern. Bis auf
Weiteres ist beabsichtigt, den Schwerpunkt auf die Optimierung ausgewählter Spezi-
alszenarien zu legen, die eine Klasse von Anwendungen unterstützen können. Die
anwendungsbezogene Forschung wird gegenüber der Produktentwicklung bevorzugt.
In Kooperationen mit der Wirtschaft könnten jedoch Beiträge zu kundenspezifischen,
integrative Lösungen geleistet werden, z. B. in Form von Beratung, Software-Integra-
tion oder Aufbereitung von Daten. Anfragen dazu lagen bereits vor.
© 2009 15Abschlussbericht DFG-Projekt EVITA
2.5 Projektmitarbeiter/innen und Kooperationspartner
In der folgenden Tabelle sind die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter sowie Kooperati-
onspartner des Projekts namentlich aufgeführt.
Name, Einrichtung Zeitraum,
Funktion Finanzierung
Prof. Dr.-Ing. Stephan Universität Düsseldorf 01.04.2005 – 31.12.2008
Olbrich Zentrum für Informations- Eigenmittel
Projektleiter, und Medientechnologie
Antragsteller (ZIM) / Lehrstuhl für IT-
Management, Institut für
Informatik
Prof. Dr.-Ing. Gabriele Universität Hannover 01.04.2005 – 31.12.2007
von Voigt Regionales Rechenzentrum Eigenmittel
Mitantragstellerin für Niedersachsen (RRZN) /
Fachgebiet Distributed Vir-
tual Reality (DVR), Institut
für Verteilte Systeme
Dr.-Ing. Nils Jensen Universität Hannover 01.04.2005 – 31.05.2005,
Projektmitarbeiter Forschungszentrum L3S 01.09.2005 – 31.01.2007
DFG (19 PM)
Gabriel Gaus Universität Hannover 15.06.2005 – 14.06.2007
Projektmitarbeiter Forschungszentrum L3S DFG (24 PM)
Dr. Sebastian Manten Universität Düsseldorf 01.01.2007 – 31.03.2009
Projektmitarbeiter Lehrstuhl für IT-Manage- Eigenmittel
ment, Institut für Informatik
Michael Vetter Universität Düsseldorf 01.06.2007 – 31.03.2009
Projektmitarbeiter Lehrstuhl für IT-Manage- Eigenmittel
ment, Institut für Informatik
Prof. Dr. Siegfried Universität Hannover 01.04.2005 – 31.03.2009
Raasch sowie Mitarb. Institut für Meteorologie Eigenmittel
Kooperationspartner und Klimatologie
Darüber hinaus sei auf die institutionelle Partnerschaft mit dem Forschungszentrum
L3S an der Leibniz Universität Hannover hingewiesen, in dem der Projektleiter wäh-
rend des Projekts assoziiertes Mitglied war und in dem die von der DFG finanzierten
Mitarbeiter organisatorisch angesiedelt waren.
Rechnerressourcen stellte der Norddeutsche Verbund für Hoch- und Höchstleistungs-
rechnen (HLRN) bereit, auf dem ein Teil der Rechnungen durchgeführt wurde.
16 Heinrich-Heine-Universität DüsseldorfEffiziente Methoden zur Visualisierung in tele-immersiven Anwendungen
Das Regionale Rechenzentrum für Niedersachsen (RRZN) an der Leibniz Universität
Hannover stellte eine SGI Onyx 3800 (Betriebssystem: SGI Irix) bereit, die als Hoch-
leistungsstreamingserver und als Grafikrechner zur stereoskopischen 3D-Präsentation
auf einer Holobench (2-flächiger Passiv-Stereo-Rückprojektionstisch basierend auf
Zirkularpolarisation, mit Headtracking) diente. Für 3D-Stereo-Großbildprojektionen in
Seminarräumen und Hörsälen kamen Passiv-Stereo-Projektionssysteme basierend
auf Linearpolarisation zum Einsatz, die durch 3D-Workstations (Betriebssystem: Win-
dows XP) mit Intel-CPUs und Nvidia-Quadro-Grafikkarten angesteuert wurden.
An der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf stellte das Zentrum für Informations-
und Medientechnologie (ZIM) Rechenkapazitäten auf einem Linux-Cluster der Firma
Bull zur Verfügung. Das ZIM sowie der Lehrstuhl für IT-Management stellten Geräte
für die Software-Entwicklung sowie für stereoskopische 3D-Präsentationen bereit, die
Ende 2007 durch eine Spende der Firma Hewlett-Packard ergänzt wurden.
2.6 Qualifikation des wissenschaftlichen Nachwuchses
Im Rahmen des Projekts wurden eine Dissertation, zwei Diplomarbeiten und eine Ba-
chelorarbeit erstellt. Eine Masterarbeit ist noch in Arbeit.
1. Jensen, N.: Datenreduktions-Techniken zur netzwerkverteilten Perzeptualisie-
rung von Volumendaten. Dissertation, Fakultät für Elektrotechnik und Informatik
der Leibniz Universität Hannover, November 2007.
2. Manten, S.: Isosurface-Extraktion mittels parallelisierter, eng gekoppelter
Marching-Cube- und Vertex-Clustering-Algorithmen. Diplomarbeit, Fachbereich
Informatik der Fernuniversität Hagen (Durchführung am Lehrstuhl für IT-
Management, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf), Januar 2007.
3. Thân Vũ, Q. C.: Komparative Performanz-Evaluierung einiger Aspekte von
C/OpenGL und Java/Java3D für deren Verwendung in einer netzverteilten Vir-
tual-Reality-Software. Diplomarbeit, Fakultät für Elektrotechnik und Informatik
der Leibniz Universität Hannover, Mai 2006.
4. Breuer, I.: Erhöhung der Skalierbarkeit einer parallelen Visualisierungsbibliothek
durch Optimierung der internen, MPI-basierten Kommunikation. Bachelorarbeit,
Lehrstuhl für IT-Management, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, August
2008.
5. Oughalmi, A.: Isosurface-Extraktion mittels Marching Cubes mit integriertem
adaptiven Vertex-Clustering. Masterarbeit, Lehrstuhl für IT-Management, Hein-
rich-Heine-Universität Düsseldorf, in Arbeit.
Darüber hinaus wurden Zwischenergebnisse des Projekts in die Vorlesungen und
Übungen der Veranstaltung „Wissenschaftliche Visualisierung und Virtuelle Realität“
(Lehrstuhl für IT-Management, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf) integriert.
Ein Mitarbeiter (Michael Vetter) arbeitet an einer Promotion, in der das in Abschnitt
2.2.3 beschriebene Arbeitsgebiet weiter vertieft wird.
© 2009 17Abschlussbericht DFG-Projekt EVITA
3 Zusammenfassung
3.1 Wissenschaftliche Fortschritte und ihre Anwendungsaspekte
Im Projekt „EVITA – Effiziente Methoden zur Visualisierung in tele-immersiven An-
wendungen“ wurden erfolgreiche Beiträge zu den folgenden Bereichen geleistet:
Parallele Isosurface-Extraktion mit integrierter Polygonsimplifizierung
Die Idee der engen Verzahnung zweier bekannter Verfahren – einerseits der
Marching-Cubes-Algorithmus zur Erzeugung polygonal angenäherter Isoober-
flächen aus Skalarfeldern, andererseits Vertex-Clustering zur Polygonsimplifizie-
rung – wurde implementiert und erprobt. Hinsichtlich der parallelen Skalierung
sowie auch bezüglich der erzielten Reduktionsfaktoren ist der Ansatz erfolgreich.
Ein neu hinzugekommener Ansatz zur adaptiven Reduktion, der zukünftig noch
ausbaubar ist, führte zu einer weiteren deutlichen Qualitätsverbesserung.
Parallele Strömungslinien-Extraktion mit merkmalsbasiertem Postfiltering
Es wurden parallele Programmbibliotheksfunktionen entwickelt, die eine effizi-
ente Aufbereitung instationärer Vektorfelder in Strömungskurven erlauben. Mit-
tels Anreicherung des Datenstroms, der ursprünglich die Bahnlinien nur als 3D-
Grafik codierte, durch Eigenschaften aus räumlich und zeitlich zugeordneten
Rohdaten wurde ein neuer Ansatz realisiert. Dieser unterstützt sowohl den
Batchbetrieb durch die automatisierte Datenextraktion als auch explorative Vi-
sualisierungsszenarien durch die Integration von interaktivem Postfiltering.
Netzverteiltes Volumen- und Haptik-Rendering komplexer Zeitserien
Im Rahmen der Unterstützung von Direct Volume Rendering und Haptik-
Rendering wurden effiziente Codes und Datentransportverfahren untersucht. Zu
den leistungssteigernden Besonderheiten zählt, dass in dem netzverteilten, in-
teraktiven System in Abhängigkeit vom aktuellen Ort des Haptik-End-Effektors
nur die Daten aus der unmittelbaren Umgebung übertragen werden.
Darüber hinaus wurden komplexe meteorologische Simulations- und Visualisierungs-
anwendungen auf Basis des parallelen Large-Eddy-Modells PALM unterstützt.
3.2 Präsenz in den Medien: Zeitungs-, Rundfunk- und Fernsehberichte
• Fernsehbeitrag im WDR „Lokalzeit Düsseldorf“, Düsseldorf, 20.12.2007.
• Zeitungsartikel „Wo sich im Kö-Bogen das Laub sammelt“ in der Westdeutschen
Zeitung, Düsseldorf, 10.12.2007.
• Zeitungsartikel „Ein Sturmtief im Computer“ in der Rheinischen Post, Düsseldorf,
08.12.2007.
• Rundfunkbeitrag auf „Antenne Düsseldorf“, Düsseldorf, 08.12.2007.
• Zeitungsartikel „Forscher simulieren das Wetter am PC“ in der Neuen Ruhr Zei-
tung / Neue Rhein Zeitung, Essen, 08.12.2007.
• Fernsehbeitrag im „Center TV“, Düsseldorf, 07.12.2007.
18 Heinrich-Heine-Universität DüsseldorfEffiziente Methoden zur Visualisierung in tele-immersiven Anwendungen
4 Anhang
Der Anhang enthält Ausdrucke folgender Publikationen und Berichte des Projekts:
1. Manten, S.; Vetter, M.; Olbrich, S.: Evaluation of a Scalable In-Situ Visualization
System Approach in a Parallelized Computational Fluid Dynamics Application.
Buchbeitrag zum Dagstuhl-Seminar „Virtual Realities, 2008“. (Invited paper,
submitted 15.12.2008)
2. Manten, S.; Breuer, I.; Olbrich, S.: Parallel isosurface extraction including poly-
gon simplification via self adapting vertex clustering. Proceedings of 9th IASTED
International Conference on Visualization, Imaging and Image Processing (VIIP
2009), 13.-15.07.2009, Cambridge, United Kingdom.
3. Vetter, M.; Manten, S.; Olbrich, S.: Exploring unsteady flows by parallel
extraction of property-enhanced pathlines and interactive post-filtering.
Proceedings of 14th Eurographics Symposium on Virtual Environments (EGVE
2008), Eindhoven, 29.-30.05.2008. (Paper, Poster)
4. Olbrich, S.: Simulate your climate in 3D virtual reality. Beitrag zum Jahresbericht
2007 des Forschungszentrums L3S, Universität Hannover, 2008.
5. Olbrich, S.; Manten, S.: Hochleistungsrechnen und parallele Programmierung –
Service für und Gegenstand von Forschung und Lehre. In: Labisch, A. (Hrsg.):
Jahrbuch der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf 2006/2007, Düsseldorf,
2007.
6. Olbrich, S.; Manten, S.; Jensen, N.: Scalable Isosurface Extraction in a
Parallelized Streaming Framework for Interactive Simulation and Visualization.
Proceedings of 10th International Conference on Humans and Computers, Düs-
seldorf, 13.-15.12.2007.
7. Jensen, N.: Datenreduktions-Techniken zur netzwerkverteilten Perzeptualisie-
rung von Volumendaten. Dissertation, Fakultät für Elektrotechnik und Informatik
der Leibniz Universität Hannover, 2007 (Tag der Promotion: 26.11.2007).
8. Manten, S.; Jensen, N.; Olbrich, S.: Parallele Isosurface-Extraktion mit integrier-
ter flexibler Polygonsimplifizierung. Tagungsband zum 4. Workshop „Virtuelle
und Erweiterte Realität“ der GI-Fachgruppe VR/AR, Bauhaus-Universität Wei-
mar. 15.07.2007.
9. Olbrich, S.; Raasch, S.; Manten, S.; Gaus, G.: A Parallelized Streaming Framework
for Simulation and Visualization Grids. Research Poster and Abstract (peer-
reviewed), International Supercomputing Conference 2007, Dresden, 26.-
28.06.2007.
10. Jensen, N.; Gaus, G.; von Voigt, G.; Olbrich, S.: Design and Psychophysical Study
of Volume Compression for Haptic Rendering. Proceedings of Second Joint
© 2009 19Abschlussbericht DFG-Projekt EVITA
EuroHaptics Conference and Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Envi-
ronment and Teleoperator Systems (WHC 2007), Tsukuba, 22.-24.03.2007.
11. Olbrich, S.; Jensen, N.; Gaus, G.: EVITA – Effiziente Methoden zur Visualisierung
in immersiven Anwendungen. In: Labisch, A. (Hrsg.): Jahrbuch der Heinrich-
Heine-Universität Düsseldorf 2005/2006, Düsseldorf, 2006.
12. Jensen, N.: Generating Simplified Meshes from Distributed Volume Data. Techni-
cal Report tr-l3s-20060301, Forschungszentrum L3S, Universität Hannover,
2006.
13. Jensen, N.: Real-time synchronised 3D-perceptualisation. Proceedings of Science
and Supercomputing in Europe, Casalecchio die Reno (Bologna), Italy, 2005.
14. Jensen, N.; von Voigt, G.; Nejdl, W.; Bernarding, J.: Efficient 1-pass prediction for
volume compression. Proceedings of 14th Scandinavian Conference on Image
Analysis, Joensuu, Finnland, 2005.
Außerdem liegen 3 Zeitungsartikel in Kopie bei (Anlass: Pressekonferenz, HP-Spende):
1. „Wo sich im Kö-Bogen das Laub sammelt“, Westdeutschen Zeitung, Düsseldorf,
10.12.2007.
2. „Ein Sturmtief im Computer“, Rheinische Post, Düsseldorf, 08.12.2007.
3. „Forscher simulieren das Wetter am PC“, Neue Ruhr Zeitung / Neue Rhein Zei-
tung, Essen, 08.12.2007.
20 Heinrich-Heine-Universität DüsseldorfSie können auch lesen
