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Visualisierung von astronomischen Daten und Objekten

Einführung

Bei diesem Forschungsprojekt werden Methoden für die naturgetreue und schnelle 3D-Visualisierung von realen astronomischen Objekten entwickelt. Insbesondere wird die räumliche Struktur von planetarischen Nebeln anhand von realen wissenschaftlichen Beobachtungen und mittels physikalischer Randbedingungen rekonstruiert. Dabei muss aus astronomischen 2D-Bilddaten ein physikalisch konsistentes 3D-Modell berechnet werden und mittels globaler Beleuchtung realistisch dargestellt werden. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, das Verständnis von kosmologischen Phänomenen visuell und wissenschaftlich fundiert einer breiten Öffentlichkeit zu vermitteln durch den Einsatz von hoch aufgelösten Kuppelprojektionen, wie sie in modernen digitalen Planetarien vorhanden sind. Die Herausforderung dabei besteht in der interaktiven Visualisierung mit Multi-Video-Projektionen in Echtzeit, ohne langwierige Vorproduktion einer festgelegten Film-Sequenz.

Aufnahme des Reflektionsnebels NGC 1999 (Quelle: NASA/ESA Hubble Heritage Image Gallery.)
Aufnahme des Reflektionsnebels NGC 1999 (Quelle: NASA/ESA Hubble Heritage Image Gallery.)
Visualisierung einer Dunkelwolke mit drei Sternen (Quelle: Prof. Weiskopf, VISUS)
Visualisierung einer Dunkelwolke mit drei Sternen (Quelle: Prof. Weiskopf, VISUS)
Visualisierung eines Reflektionsnebels mit einem Stern (Quelle: Prof. Magnor, TU-Braunschweig)
Visualisierung eines Reflektionsnebels mit einem Stern (Quelle: Prof. Magnor, TU-Braunschweig)

Förderung und Kooperation

Das Projekt ist von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen eines Normalverfahrens für einen Zeitraum von 3 Jahren finanziell gefördert. Das Projekt wird in Kooperation mit Prof. Dr. Marcus Magnor vom Institut für Computergrafik an der TU Braunschweig durchgeführt. Schwerpunktthema der Arbeitsgruppe in Braunschweig ist die räumliche Rekonstruktion von planetarischen Nebeln aus astronomischen Beobachtungen. Am Visualisierungsinstitut der Universität Stuttgart (VISUS) sind Prof. Dr. Daniel Weiskopf und Dipl.-Inf. Marco Ament für die realistische Darstellung der rekonstruierten Nebel verantwortlich. Dabei spielt vor allem die Parallelisierung der volumetrischen Beleuchtung auf einem Cluster und mittels moderner Grafik-Hardware (GPU) eine wichtige Rolle, um eine hochaufgelöste Darstellung in Echtzeit zu erreichen. Des Weiteren werden visuelle Einflüsse der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie in die Visualisierung integriert, um weitreichende kosmologische Effekte zu verdeutlichen. Hier gibt es eine enge Kooperation mit dem Projekt „Visualisierung in der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie“.

Visualisierungstechniken

Die Darstellung der Nebel erfolgt durch Verfolgung von Lichtstrahlen (Ray Casting). Dabei wird für jedes darzustellendes Pixel ein Strahl verfolgt, der durch eine physikalische Simulation den jeweiligen Farbwert berechnet. Da dieses Verfahren äußerst rechenaufwendig ist, insbesondere für großflächige und hochaufgelöste Projektionen, kommen moderne Grafikkarten und parallele Cluster zum Einsatz. Die Beschleunigung der Visualisierung wird durch Zerlegung der Bildebene in viele Teilbilder erreicht, mit einem sogenannten „Sort First“-Ansatz. Jedes der Teilbilder wird unabhängig voneinander auf jeweils einem Rechenknoten eines verteilten GPU-Clusters berechnet. Dadurch kann die Gesamtlaufzeit deutlich verbessert werden, da die Einzelbilder parallel verarbeitet werden können. Zuletzt werden die einzelnen Teilbilder zu einem großen Gesamtbild aneinander geordnet, so dass ein nahtloser Übergang entsteht. Als besondere Herausforderung gilt die Beschleunigung der mehrfachen Lichtstreuung in Nebeln, da hier eine Abhängigkeit zwischen den Teilbildern entsteht und Daten zwischen den einzelnen Rechenknoten ausgetauscht werden müssen, was zu einer verminderten Effizienz führt.

Publikationen

2014

Refractive Radiative Transfer Equation
Ament, Marco; Bergmann, Christoph; Weiskopf, Daniel: Refractive Radiative Transfer Equation. In: ACM Transactions on Graphics: Nr. 2 (2014), S. 17:1-17:22.
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2013

Ambient Volume Scattering
Ament, Marco; Sadlo, Filip; Weiskopf, Daniel: Ambient Volume Scattering. In: IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics: Nr. 12 (2013), S. 2936-2945.
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Volumenvisualisierung einer Supernova
Ament, Marco; Sadlo, Filip; Weiskopf, Daniel: Volumenvisualisierung einer Supernova. In: Informatik Spektrum, S. 487, 2013.
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2012

GPU-based four-dimensional general-relativistic ray tracing
Kuchelmeister, Daniel; Müller, Thomas; Ament, Marco; Wunner, Günter; Weiskopf, Daniel: GPU-based four-dimensional general-relativistic ray tracing. In: Computer Physics Communications (2012), S. 2282–2290.
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Visualization of Astronomical Nebulae via Distributed Multi-GPU Compressed Sensing Tomography
Wenger, Stephan; Ament, Marco; Guthe, Stefan; Lorenz, Dirk; Tillmann, Andreas; Weiskopf, Daniel; Magnor, Marcus: Visualization of Astronomical Nebulae via Distributed Multi-GPU Compressed Sensing Tomography. In: IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics (TVCG): Nr. 12 (2012), S. 2188-2197.
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Interactive Visualization and Simulation of Astronomical Nebulae
Wenger, Stephan; Ament, Marco; Steffen, Wolfgang; Koning, Nico; Weiskopf, Daniel; Magnor, Marcus: Interactive Visualization and Simulation of Astronomical Nebulae. In: IEEE Computing in Science and Engineering: Nr. 3 (2012), S. 78-87.
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Ament, Marco; Frey, Steffen; Müller, Christoph; Grottel, Sebastian; Ertl, Thomas; Weiskopf, Daniel: GPU-Accelerated Visualization. In: E. W. Bethel, H. Childs, and C. Hansen: High Performance Visualization: Enabling Extreme-Scale Scientific Insight. Chapman and Hall/CRC, 2012.
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Spectral Analysis of Higher-Order and BFECC Texture Advection
Netzel, Rudolf; Ament, Marco; Burch, Michael; Weiskopf, Daniel: Spectral Analysis of Higher-Order and BFECC Texture Advection. In: Workshop on Vision, Modeling and Visualization (VMV) (Noch nicht erschienen).
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2011

Sort First Parallel Volume Rendering
Moloney, Brendan; Ament, Marco; Weiskopf, Daniel; Möller, Torsten: Sort First Parallel Volume Rendering. In: IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics: Nr. 8 (2011), S. 1164-1177.
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GPU-based 2D Flow Simulation Steering using Coherent Structures
Ament, Marco; Frey, Steffen; Sadlo, Filip; Ertl, Thomas; Weiskopf, Daniel: GPU-based 2D Flow Simulation Steering using Coherent Structures. In: Proceedings of the 2nd International Conference on Parallel, Distributed, Grid and Cloud Computing for Engineering, S. paper18, 2011.
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2010

Direct Interval Volume Visualization
Ament, Marco; Weiskopf, Daniel; Carr, Hamish: Direct Interval Volume Visualization. In: IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics: Nr. 6 (2010), S. 1505-1514.
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A Parallel Preconditioned Conjugate Gradient Solver for the Poisson Problem on a Multi-GPU Platform
Ament, Marco; Knittel, Günter; Weiskopf, Daniel; Straßer, Wolfgang: A Parallel Preconditioned Conjugate Gradient Solver for the Poisson Problem on a Multi-GPU Platform. In: Proceedings of the 18th Euromicro Conference on Parallel Distributed and Network-based Computing, S. 583-592, 2010.
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2009

Dynamic Grid Refinement for Fluid Simulations on Parallel Graphics Architectures
Ament, Marco; Straßer, Wolfgang: Dynamic Grid Refinement for Fluid Simulations on Parallel Graphics Architectures. In: Proceedings of the Eurographics Symposium on Parallel Graphics and Visualization, S. 9-15, 2009.
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