Efficient indexing and view dependent ranking in CFD databases

Brochhaus, Christoph; Seidl, Thomas

doi:2441

Efficient indexing and view dependent ranking in CFD databases = Effiziente Indexierung und blick-abhängige Ranking-Methoden in CFD Datenbanken

Brochhaus, Christoph (Author)

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christoph Brochhaus

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2008

UmfangV, 211 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Zusammenfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Seidl, Thomas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2008-06-24

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-24416
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50156/files/Brochhaus_Christoph.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Numerische Strömungssimulation (Genormte SW) ; Datenstruktur (Genormte SW) ; Mehrdimensionale Datenstruktur (Genormte SW) ; Virtuelle Realität (Genormte SW) ; Informatik (frei) ; CFD data (frei) ; indexing structure (frei) ; view-dependent access methods (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 004

Kurzfassung
Methoden der numerischen Strömungsmechanik (engl.: computational fluid dynamics, CFD) ermöglichen die Simulation der Interaktion von Gasen oder Flüssigkeiten mit komplexen Oberflächen, beispielsweise beim Entwurf von Verbrennungsmotoren oder Flugzeugen. Aufgrund immer leistungsfähigerer Computer können diese Berechnungen mit stark wachsender Genauigkeit durchgeführt werden. Dem höheren Detailreichtum stehen aber immer größer werdende Rohdatenmengen gegenüber, auf die wiederholt während der interaktiven Nachverarbeitung (engl.: post-processing) und Auswertung (z.B. Isoflächenextraktion) zugegriffen werden muss. Durch Techniken der virtuellen Realität (engl.: virtual reality) wird die Effizienz der Auswertung signifikant gesteigert, da der Endbenutzer komplett in die visualisierten Ergebnisse “eintauchen” kann. Die Speicherung der CFD-Datensätze im Hauptspeicher der eingesetzten Computer gewährleistet einen effizienten Zugriff auf Strömungsmerkmale. Da die Zugriffe auf Sekundärspeicher (z.B. Festplatten) um Größenordnungen langsamer sind, sind geeignete Sekundärspeicherzugriffmethoden unerlässlich, um Datensätze verarbeiten zu können welche die Hauptspeicherkapazität überschreiten. In dieser Dissertation werden Methoden vorgestellt, welche die CFD-Datensätze geeignet auf Sekundärspeichern anordnen, um einen schnellen Zugriff während der Auswertung zu gewährleisten. Die blickabhängige Extraktion von Strömungsmerkmalen steigert die Effizienz der Auswertung, da die kontinuierliche Extraktion und Visualisierung von Ergebnissen in der Nähe oder im Blickfeld des Endbenutzers schon während der Bearbeitungsdauer der Anfrage einen ersten Eindruck des Gesamtergebnisses zulassen. Zusätzlich ermöglichen unsere Techniken ein dyna- 5 misches Anpassen der laufenden Anfragebearbeitung, während sich der Benutzer frei in der Virtual-Reality-Umgebung bewegt. Durch geeignetes Prefetching werden zusätzlich Ergebnisdaten anderer Zeitschritte der CFD-Datensätze extrahiert und bei Bedarf visualisiert. Zur Veranschaulichung unserer Indexierungs- und Anfrageansätze wurde der index-gestützte Grafikdatenserver IndeGS für den Einsatz in beliebigen Virtual-Reality-Frameworks entwickelt. Relationale Datenbankmanagementsysteme (RDBMS) ermöglichen die komfortable und effiziente Integration eigener Indexmethoden. Diese Arbeit stellt eine Weiterentwicklung des relationalen Intervallbaums (RI-tree) vor und ermöglicht somit approximative, blickabhängige Datenextraktion auf CFD-Daten. Abschließend werden effiziente Methoden zur Nächste-Nachbar-Berechnung auf hochdimensionalen Daten präsentiert. Hierzu wird die Vorberechnung von Nächste-Nachbar-Information mit einer zwei-stufigen Dimensionsreduktion kombiniert, um einen sehr hohen Anfragedurchsatz auf Hauptspeicherdaten zu ermöglichen. Diese Dissertation ist wie folgt aufgebaut: Teil I gibt einen Überblick über die Grundlagen der bearbeiteten Themen. Teil II und Teil III stellen die Sekundärspeicherindexierungsmethoden und die dynamische blickabhängige Anfragebearbeitung auf CFD-Daten vor. Teil IV befasst sich mit den RI-Baum-Erweiterungen für die blickabhängige Datenextraktion. In Teil V werden Dimensionsreduktionsmethoden für effiziente Nächste-Nachbar-Anfragen erörtert. Teil VI schließt diese Dissertation mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick auf zukünftige Forschungsrichtungen ab.

Methods numerically simulating the interaction of gases or fluids with complex surfaces (computational fluid dynamics, CFD) are able to perform calculations with increasing levels of detail due to the ongoing development of more powerful computers. CFD simulations are utilized during the design of e.g. combustion engines or airplanes, amongst many others. An increasing level of detail on the one hand allows for more accurate and meaningful simulation results proving very useful in industrial development and research. On the other hand, huge amounts of raw CFD data are generated and need to be repeatedly accessed during the subsequent interactive post-processing (e.g. isosurface extraction) by experts in the application domain. The efficiency of post-processing can be significantly increased by the use of virtual reality (VR) technology, letting users immerse into the visualized data sets and extracted features. Interactive post-processing is efficiently performed on data sets stored in main memory, which outperforms secondary storage by magnitudes regarding access times. Large CFD data sets not fitting into main memory thus require efficient secondary storage methods. In this thesis, methods are introduced which appropriately arrange CFD data on secondary storage and allow for an efficient access during post-processing. The efficiency of post-processing is improved by novel view-dependent query methods. The continuous extraction and visualization of partial results in the proximity and direct line of sight of the user allow for a “quick first impression” of the result set. The approaches are enhanced by dynamic aspects, reacting to a user freely roaming the VR environment with immediate alignment of query execution and 3 of the result data stream. For CFD data sets simulated over a span of time, prefetching methods allowing for a dynamic visualization of different time steps are presented. Furthermore, the index supported graphics data server IndeGS is presented, which offers the developed indexing and access methods and can be integrated into arbitrary virtual reality frameworks. IndeGS executes post-processing queries according to a multitude of user parameters and streams the result data to the visualizing component of the VR framework. Relational database management systems (RDBMS) offer comfortable means to integrate user-defined indexes. An improvement of the relational interval tree (RI-tree) is proposed and utilized to enable indexing and efficient view-dependent querying of CFD data in the context of interactive post-processing. This work is concluded with the introduction of novel nearest-neighbor query methods on high-dimensional data. The precalculation of nearest-neighbor information combined with a two-step dimensionality reduction allows for a very high query throughput on static indexes in main memory. This thesis is structured as follows: Part I gives an overview over the topics presented in this thesis. Part II and Part III introduce and evaluate the secondary storage indexing methods and view-dependent query techniques. Part IV presents the approaches to execute view-dependent queries with an enhanced RI-tree in RDBMS. Part V addresses dimensionality reduction methods for efficient nearestneighbor queries. This thesis is finally concluded and aspects for future research are presented in Part VI.

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