Hardwareunterstützte Visualisierung von 3D-Vektorfeldern auf unstrukturierten Gittern in Virtual Reality / Augmented Reality Umgebung

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde ein System entwickelt, das die globale Analyse von Vektorfeldern auf beliebigen dreidimensionalen Flächen mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad ermöglicht. Die Besonderheit liegt dabei an der Fähigkeit, den allgemeinen Fall des Gittertyps, nämlich unstrukturiertes Gitter, zu analysieren. Basierend auf der Idee der Integrate&Draw - Technik in 2D ermöglicht das System die Erzeugung von kontrastreichen Strömungstexturen, die einfacher zu analysieren sind, als es von den LIC- /FastLIC-Bildern bekannt ist. Des weiteren ermöglicht das System die Generierung von Zeitflächen mit den auf ihnen abgebildeten Integrate&Draw-Bildern, die in Verbindung mit der Animation durch die Verformung der Flächen Geschwindigkeitsunterschiede der einzelnen Partikeln deutlich machen. Zusätzlich wurde eine weitere Technik "Oriented Integrate&Draw in 3D auf unstrukturierten Gittern" weiterentwickelt und implementiert, die sich nicht nur durch ihre Geschwindigkeitsvorteile gegenüber dem "Integrate&Draw in 3D auf unstrukturierten Gittern" in Tests auszeichnete, sondern auch durch die Fähigkeiten, dem Beobachter die Richtungsinformationen und die Geschwindigkeitsunterschiede in Verbindung mit Animation vermitteln zu können. Das entwickelte System kann sowohl als Software- aber auch als Hardwarelösung eingesetzt werden. Die Softwarelösung ist plattformunabhängig und kann von dem eigentlichen Visualisierungssystem getrennt werden. Die Hardwarelösung wurde für die NVidia Geforce Chipsätze entwickelt, die über die Fähigkeit verfügen, Vertex-Programme zu verarbeiten. Somit wurde gezeigt, dass die mathematischen Berechnungen von den Grafikkarten mit NVidia Chipsätzen übernommen werden können und die Ergebnisse in effizienter Zeit geliefert werden. Für die Präsentation der Ergebnisse wurde das System in die Virtual Reality Umgebung "IDEFIX" integriert, in der die interaktive Analyse von Vektorfeldern ermöglicht wird. Um die Exploration von Datenmengen so einfach wie möglich zu halten, wurde ein Userinterface entwickelt, mit dem sich die Einflussparameter für die Generierung von Strömungstexturen einfach einstellen lassen.

In this master thesis, a system has been developed, which allows for a global analysis of vector fields on arbitrary three-dimensional faces with varying degree of level of details. The special feature offered by this system is its ability to analyse the general case of structural grids, more specifically: unstructured grid. Based on the Integrate&Draw technique in 2D, the developed system is able to generate contrast-rich stream textures, which for the users are simpler to be analysed than as with LIC (Line Integral Convolution) or FastLIC pictures. Furthermore, the system allows for the generation of "time surfaces" with selected Integrate&Draw stream textures, which, in connection with an animation of surfaces deformations, clearly present the differences in velocity of each individual particle. Additionally, in this work, a technique called "Oriented Integrate&Draw in 3D" has been further developed and implemented. In tests, this technique excelled the Integrate&Draw in 3D technique not just in processing speeds, but also with the ability to provide the observer with direction-related information and the velocity differences in connection with animations. The developed system can be employed as software, as well as hardware solution. As software solution, it is platform-independent and modular built (i.e., not strictly dependent on the particular visualization system employed in this work). The hardware solution has been developed for the graphic card chip NVidia Geforce, and this can process a vertex-program. With this, it has been proven that the chip NVidia Geforce can take over with significant time advantages the mathematical calculations from a graphic card. For a more efficient presentation of the results, the system has been integrated into the Virtual Reality environment "IDEFIX"; this allows for an interactive analysis of the vector fields. Here, in order to keep the exploration of amounts of data as simple as possible, a user interface has been developed, with this affecting parameters can be easily adapted and changed for the generation of stream textures.