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

Schirski, Marc; Bischof, Christian

doi:2390

Interactive particle tracing for the exploration of flow fields in virtual environments = Interaktive Partikelverfolgung für die Strömungsexploration in virtuellen Umgebungen

Schirski, Marc (Author)

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marc Schirski

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2008

UmfangX, 139 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Zusammenfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Bischof, Christian (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2008-04-24

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-23901
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50085/files/Schirski_Marc.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Dreidimensionale Computergraphik (Genormte SW) ; Visualisierung (Genormte SW) ; Virtuelle Realität (Genormte SW) ; Informatik (frei) ; Grafikprozessoren (frei) ; CFD-Postprocessing (frei) ; Strömungsvisualisierung (frei) ; wissenschaftliche Visualisierung (frei) ; GPU (frei) ; GPGPU (frei) ; CFD Post-Processing (frei) ; flow visualization (frei) ; scientific visualization (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 004
ccs: I.6.6 * I.3.3 * I.3.7

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.

Due to rising data sizes and growing complexity, the results of modern numerical simulations are increasingly difficult to understand. Thus, scientific visualization is vital for an in-depth comprehension of computational fluid dynamics data. Especially the use of Virtual Reality methodology for an interactive exploration is gaining more and more importance, as it significantly facilitates the analysis of complex, three- to four-dimensional flow phenomena. However, large data sizes and high computational complexity limit a straightforward application of flow visualization methodology for real-world datasets due to violations of vital real-time constraints. This thesis aims at providing means for an intuitive exploration of complex flow phenomena in immersive virtual environments – including large, unsteady datasets, which tend to frequently exceed the memory capabilities of modern workstations. Due to its high expressiveness, the main focus of this work lies on interactive particle tracing. By exploiting the respective capabilities of the individual components of today's heterogeneous visualization environments, a level of interactivity is achieved which lies beyond that of contemporary approaches. The theoretical foundation of this work consists of novel models for the interactive exploration process and contemporary visualization infrastructure, as well as an extension of the classical visualization pipeline. Based on an execution frequency analysis, computational tasks are distributed onto the components of a heterogeneous visualization environment comprising high performance computing (HPC) infrastructure and dedicated rendering workstations equipped with modern graphics processing units (GPUs). For interactive particle tracing, this results in HPC-based data reduction, followed by GPU-based computation and depiction of particle trajectories, thus performing a paradigm shift regarding the utilization of HPC infrastructure for interactive data analysis. The building blocks of such a system include an efficient method for demand-driven data reduction – in this case by resampling a given unstructured grid into a Cartesian grid. An efficient cell search method and multi-level parallelization allow for an excellent utilization of available HPC resources. In order to assess the approximation quality of the resampled flow field, error estimation and feedback are discussed as well. Full interactivity for the actual exploration is achieved by performing particle tracing on the visualization front-end using the GPU. While support for flow fields given on Cartesian grids is relatively straightforward, this thesis presents a method for storing flow data in the form of tetrahedral grids within graphics memory, thus maintaining an optimized domain discretization as used in the flow simulation phase. Handling time-dependent flow fields on Cartesian and static tetrahedral grids adds to the flexibility of the presented approaches. For an efficient depiction of particle information, this work introduces image-based rendering techniques for both instantaneous particles and particle traces. An emphasis is put on their applicability in immersive virtual environments. The presented methods have been integrated into the visualization framework ViSTA FlowLib. These implementations have been used for a thorough evaluation via performance measurements and an assessment of usability, applicability and expressiveness for an interactive exploration of various real-world datasets with different characteristics.

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