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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

@inproceedings {vis07grottel,
    author = {Grottel, Sebastian and Reina, Guido and Vrabec, Jadran and Ertl, Thomas},
    title = {Visual Verification and Analysis of Cluster Detection for Molecular Dynamics},
    year = {2007},
    booktitle = {Proceedings of IEEE Visualization '07},
    volume = {13},
    number = {6},
    pages = {1624--1631},
    url = {http://doi.acm.org/10.1109/TVCG.2007.70614},
    doi = {10.1109/TVCG.2007.70614}
}