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Molekulardynamikvisualisierung

Einführung

Partikelbasierte Visualisierung einer Molekulardynamiksimulation von CO2 mit 1,28 Millionen Molekülen.

Große, zeitabhängige, partikelbasierte Datensätze stellen auch weiterhin eine große Herausforderung an Methoden zur Analyse dar. Insbesondere bei unerwarteten Ergebnissen und Effekten spielt die interaktive und explorative Analyse eine wichtige Rolle. Interaktive Visualisierung bietet sich als optimale Methode für solche Analysen an. Augenblicklich nimmt sich das Teilprojekt D.3 des SFB 716 dieser Aufgabe, interaktive Visualisierungen großer, zeitabhängiger Partikeldatensätze, an und schafft neue Methoden und Algorithmen, um dieses Ziel zu erreichen. Dies erfordert nicht nur weitreichende Fortschritte bei der Visualisierung von Punktdaten, sondern auch eine enge Ausrichtung an den spezifischen Anwendungsproblematiken im SFB.

Die partikelbasierte Visualisierung wurde zusammen mit mehreren Teilprojekten des SFBs massiv weiterentwickelt. Der Ansatz der punktbasierten Visualisierung und des GPU-Raycastings impliziter Oberfläche erlaubt qualitativ hochwertige und interaktive Darstellung von Datensätzen mit mehreren Millionen Partikeln. Zusätzlich wurde der Datentransfer zwischen Sekundärspeicher, Hauptspeicher und Graphikkartenspeicher untersucht und optimiert. Durch ein zweistufiges Culling-Verfahren is eine interaktive Darstellung von Datensätzen in den Größenordnungen 107 bis 109 auf Desktopcomputer möglich. Zur weiteren Steigerung der Leistung wird GPU-Cluster-Hardware eingesetzt werden.

Parallel zur Geschwindigkeit wurde auch die Darstellungsqualität durch "Deferred-Shading"-Methoden gesteigert und Rendering-Methoden für komplexere Glyphen, wie Dipole, Glyphen für ganze Moleküle ohne innere Freiheitsgrade, und polyederförmige Glyphen für poröse Medien, entwickelt und optimiert. Um die Wahrnehmbarkeit und die Verständlichkeit der Daten zu steigern wurden beispielsweise eine Visualisierung von Fehlstrukturen in Kristallgittern von Metallen durchgeführt. Solche extrahierten Strukturen sind vor allem interessant, wenn die Dynamik und zeitliche Entwicklung innerhalb von Datensätzen untersucht werden soll. Um die Probleme der Verdeckung und der visuellen Überladung, wie sie bei klassischen Pfadliniendarstellungen auftreten, zu reduzieren, wurde die Menge der darzustellenden Daten zunächst mittels neuer, dichteerhaltender Clusteringverfahren reduziert. Auf dieser Basis sollen weitere statische Darstellungen von dynamischen Entwicklungen für Daten anderer Teilprojekte entstehen, welche eine deutlich effektivere Analyse ermöglichen sollen.

MegaMol™

Im Rahmen des SFB 716 entstand ein erweiterbares und anpassbares Visualisierungsframework zur Darstellung von partikelbasierten Datensätzen: MegaMol™. Optimierte Renderer und Datenstrukturen bilden die Basis für aktuelle Visualisierungsforschung, auch für die Visualisierungsteilprojekte D.4 und D.5 des SFB. Durch den modulare Aufbau der Software, der zur Programlaufzeit angepasst werden kann und der Erweitung durch Plugins und einfache Programmierschnittstellen ist MegaMol™ ideal auf die unterschiedlichen Bedürfnisse and Visualisierungen in einem so facettenreichen Projekt wie dem SFB zugeschnitten.

MegaMol™ ersetzt MolCloud, welches an der Universität Stuttgart für die Visualisierung von punktbasierten Datensätzen entwickelt worden war. MegaMol™ ist in C++ geschrieben, nutzt OpenGL als Graphikprogrammierschnittstelle zusammen mit GLSL-Shadern. Es wird unter Microsoft Windows (Vista, 7) und Linux (Suse), sowohl in 32-Bit und 64-Bit, unterstützt. MegaMol™ basiert zu großen Teilen auf der VISlib, einer an der Universität Stuttgart für wissenschaftliche Visualisierung entwickelte C++-Klassenbibliothek.

Projekte

  • SFB 716 - Dynamische Simulation von Systemen mit großen Teilchenzahlen
    Teilprojekt D.3 - Visualisierung von Systemen mit großen Teilchenzahlen
    Langfristiges Ziel dieses Teilprojekts ist die Entwicklung von Methoden für die interaktive, visuelle Analyse und Exploration von Simulationsdatensätzen mit großen Teilchenzahlen und vielen Zeitschritten.
  • MegaMol™
    MegaMol™ ist eine Visualisierungs-Middleware für punktbasierte Visualisierung von Molekulardynamikdatensätze.
  • DLR Landesstiftungsprojekt 688: Visualisierung der Keimbildung in Mischungen für skalenübergreifende Modelle (beendet)
    In diesem Projekt wurden die Grundlagen für die im SFB 716 eingerichteten Teilprojekte D.3 und D.4 gelegt, in dem wesentliche Arbeiten für die interaktive Visualisierung von Molekulardynamiksimulationen erbracht wurden. Die Projektförderung durch die Landesstiftung Baden-Württemberg lief Ende 2006 aus.
  • MolCloud (beendet)
    MolCloud
    ist ein an der Universität Stuttgart entwickeltes Visualisierungswerkzeug zur Darstellung von punktbasierten Moleküldatensätzen. Zum Herbst 2006 wurde die Arbeit am Nachfolge-Projekt begonnen und gleichzeitig die Weiterentwicklung von MolCloud eingestellt.
  • PointCloud (beendet)
    PointCloud beschleunigt die Darstellung von Punktdatensätzen durch eine hierarchische Raumunterteilung basierend auf PCA. Diese Arbeit bildete den Startpunkt für die Arbeiten punktbasierter Visualisierung an unserem Institut.

Publikationen

2014

Visual Analysis for Space-Time Aggregation of Biomolecular Simulations
Ertl, Thomas; Krone, Michael; Kesselheim, Stefan; Scharnowski, Katrin; Reina, Guido; Holm, Christian: Visual Analysis for Space-Time Aggregation of Biomolecular Simulations. In: Faraday Discussions (2014).
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Comparative Visualization of Molecular Surfaces Using Deformable Models
Scharnowski, Katrin; Krone, Michael; Reina, Guido; Kulschewski, Tobias; Pleiss, Jürgen; Ertl, Thomas: Comparative Visualization of Molecular Surfaces Using Deformable Models. In: Computer Graphics Forum: Ausgabe 33, Nr. 3 (2014), S. 191-200.
[XPS] [PDF] [DOI] [OpenXML] [BibTeX] [Vortragsfolien] [Details]
Evaluation of Visualizations for Interface Analysis of SPH
Krone, Michael; Huber, Markus; Scharnowski, Katrin; Hirschler, Manuel; Kauker, Daniel; Reina, Guido; Nieken, Ulrich; Weiskopf, Daniel; Ertl, Thomas: Evaluation of Visualizations for Interface Analysis of SPH. In: EuroVis 2014 Short Papers, S. 109-113, 2014.
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Visual Analysis of Dynamic Protein Cavities and Binding Sites
Krone, Michael; Kauker, Daniel; Reina, Guido; Ertl, Thomas: Visual Analysis of Dynamic Protein Cavities and Binding Sites. In: IEEE PacificVis - Visualization Notes, S. 301-305, 2014.
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Visualization of Molecular Structures using State-of-the-Art Techniques in WebGL
Mwalongo, Finian; Krone, Michael; Karch, Grzegorz K.; Becher, Michael; Reina, Guido; Ertl, Thomas: Visualization of Molecular Structures using State-of-the-Art Techniques in WebGL. In: International Conference on 3D Web Technology (Web3D'14), S. 133-141, 2014.
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Gesamtanzahl: 5

2013

Kauker, Daniel; Krone, Michael; Panagiotidis, Alexandros; Reina, Guido; Ertl, Thomas: Evaluation of per-pixel linked lists for distributed rendering and comparative analysis. In: Computing and Visualization in Science : Ausgabe 15, Nr. 3 (2013), S. 111-121.
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Interactive Extraction and Tracking of Biomolecular Surfaces Features
Krone, Michael; Reina, Guido; Schulz, Christoph; Kulschewski, Tobias; Pleiss, Jürgen; Ertl, Thomas: Interactive Extraction and Tracking of Biomolecular Surfaces Features. In: Computer Graphics Forum: Ausgabe 32, Nr. 3 (2013), S. 331–340.
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Gralka, Patrick; Grottel, Sebastian; Reina, Guido; Ertl, Thomas: Application-Specific Compression of Large MD Data Preserving Physical Characteristics. In: Proceedings of IEEE Symposium on Large-Scale Data Analysis and Visualization, 2013.
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Rendering Molecular Surfaces using Order-Independent Transparency
Kauker, Daniel; Krone, Michael; Panagiotidis, Alexandros; Reina, Guido; Ertl, Thomas: Rendering Molecular Surfaces using Order-Independent Transparency. In: Eurographics Symposium on Parallel Graphics and Visualization (EGPGV), S. 33-40, 2013.
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Gesamtanzahl: 4

2012

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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Frey, Steffen; Reina, Guido; Ertl, Thomas: SIMT Microscheduling: Reducing Thread Stalling in Divergent Iterative Algorithms. In: 20th Euromicro International Conference on Parallel, Distributed and Network-Based Processing (PDP), 2012, S. 399-406, 2012.
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Object-Space Ambient Occlusion for Molecular Dynamics
Grottel, Sebastian; Krone, Michael; Scharnowski, Katrin; Ertl, Thomas: Object-Space Ambient Occlusion for Molecular Dynamics. In: Proceedings of IEEE Pacific Visualization Symposium 2012, S. 209-216, 2012.
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Point-based Visualization of Molecular Dynamics Data Sets
Grottel, Sebastian: Point-based Visualization of Molecular Dynamics Data Sets. Diss., Visualisierungsinstitut der Universität Stuttgart, 2012.
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Gesamtanzahl: 4

2011

Loose Capacity-Constrained Representatives for the Qualitative Visual Analysis in Molecular Dynamics
Frey, Steffen; Schlömer, Thomas ; Grottel, Sebastian; Dachsbacher, Carsten; Deussen, Oliver; Ertl, Thomas: Loose Capacity-Constrained Representatives for the Qualitative Visual Analysis in Molecular Dynamics. In: Proceedings of the 2011 IEEE Pacific Visualization Symposium, S. 51-58, 2011.
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Parallel Contour-Buildup Algorithm for the Molecular Surface
Krone, Michael; Grottel, Sebastian; Ertl, Thomas: Parallel Contour-Buildup Algorithm for the Molecular Surface. In: Proceedings of IEEE Symposium on Biological Data Visualization (biovis'11), S. 17-22, 2011.
[XPS] [PDF] [DOI] [OpenXML] [BibTeX] [Vortragsfolien] [Details]
Interactive Exploration of Polymer-Solvent Interactions
Thomaß, Bertram; Walter, Jonathan; Krone, Michael; Hasse, Hans; Ertl, Thomas: Interactive Exploration of Polymer-Solvent Interactions. In: International Workshop on Vision, Modeling and Visualization, S. 301-308, 2011.
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Gesamtanzahl: 3

2010

Interactive Image-Space Volume Visualization for Dynamic Particle Simulations
Falk, Martin; Grottel, Sebastian; Ertl, Thomas: Interactive Image-Space Volume Visualization for Dynamic Particle Simulations. In: Proceedings of The Annual SIGRAD Conference, S. 35-43, 2010.
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Coherent Culling and Shading for Large Molecular Dynamics Visualization
Grottel, Sebastian; Reina, Guido; Dachsbacher, Carsten; Ertl, Thomas: Coherent Culling and Shading for Large Molecular Dynamics Visualization. In: Computer Graphics Forum (Proceedings of EUROVIS 2010), S. 953-962, 2010.
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Particle-based Rendering for Porous Media.
Grottel, Sebastian; Reina, Guido; Zauner, Thomas; Hilfer, Rudolf; Ertl, Thomas: Particle-based Rendering for Porous Media.. In: Proceedings of The Annual SIGRAD Conference, S. 45-51, 2010.
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Gesamtanzahl: 3

2009

Topological Extraction and Tracking of Defects in Crystal Structures
Grottel, Sebastian; Dietrich, Carlos A.; Comba, João L. D.; Ertl, Thomas: Topological Extraction and Tracking of Defects in Crystal Structures. In: , S. 167-178, 2009.
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Optimized Data Transfer for Time-dependent, GPU-based Glyphs.
Grottel, Sebastian; Reina, Guido; Ertl, Thomas: Optimized Data Transfer for Time-dependent, GPU-based Glyphs.. In: Proceedings of IEEE Pacific Visualization Symposium 2009, S. 65-72, 2009.
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Gesamtanzahl: 2

2008

Horsch, Martin; Vrabec, Jadran; Bernreuther, Martin; Grottel, Sebastian; Reina, Guido; Wix, Andrea; Schaber, Karlheinz; Hasse, Hans: Homogeneous nucleation in supersaturated vapors of methane, ethane, and carbon dioxide predicted by brute force molecular dynamics. In: Journal of Chemical Physics: Ausgabe 128, Nr. 16 (2008), S. 164510.
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Visualization of Uncorrelated Point Data
Reina, Guido: Visualization of Uncorrelated Point Data. Diss., Visualisierungsinstitut der Universität Stuttgart, 2008.
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Gesamtanzahl: 2

2007

Visual Verification and Analysis of Cluster Detection for Molecular Dynamics
Grottel, Sebastian; Reina, Guido; Vrabec, Jadran; Ertl, Thomas: Visual Verification and Analysis of Cluster Detection for Molecular Dynamics. In: Proceedings of IEEE Visualization '07, S. 1624-1631, 2007.
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Image-Space GPU Metaballs for Time-Dependent Particle Data Sets
Müller, Christoph; Grottel, Sebastian; Ertl, Thomas: Image-Space GPU Metaballs for Time-Dependent Particle Data Sets. In: Proceedings of VMV '07, S. 31-40, 2007.
[XPS] [PDF] [DOI] [OpenXML] [BibTeX] [Vortragsfolien] [Details]
Gesamtanzahl: 2