Visuelle Analyse großer Partikeldaten

Partikelsimulationen sind eine bewährte und weit verbreitete numerische Methode in der Forschung und Technik. Beispielsweise werden Partikelsimulationen zur Erforschung der Kraftstoffzerstäubung in Flugzeugturbinen eingesetzt. Auch die Entstehung des Universums wird durch die Simulation von dunkler Materiepartikeln untersucht. Die hierbei produzierten Datenmengen sind immens. So enthalten aktuelle Simulationen Billionen von Partikeln, die sich über die Zeit bewegen und miteinander interagieren. Die Visualisierung bietet ein großes Potenzial zur Exploration, Validation und Analyse wissenschaftlicher Datensätze sowie der zugrundeliegenden
... mehr
Modelle. Allerdings liegt der Fokus meist auf strukturierten Daten mit einer regulären Topologie. Im Gegensatz hierzu bewegen sich Partikel frei durch Raum und Zeit. Diese Betrachtungsweise ist aus der Physik als das lagrange Bezugssystem bekannt. Zwar können Partikel aus dem lagrangen in ein reguläres eulersches Bezugssystem, wie beispielsweise in ein uniformes Gitter, konvertiert werden. Dies ist bei einer großen Menge an Partikeln jedoch mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Darüber hinaus führt diese Konversion meist zu einem Verlust der Präzision bei gleichzeitig erhöhtem Speicherverbrauch. Im Rahmen dieser Dissertation werde ich neue Visualisierungstechniken erforschen, welche speziell auf der lagrangen Sichtweise basieren. Diese ermöglichen eine effiziente und effektive visuelle Analyse großer Partikeldaten.

Particle simulations are an established computational method used in science and engineering. For example, particle simulations are employed to investigate the injection of fuel in turbines or to study the evolution of the universe by simulating the interaction of dark matter particles. The data that is produced is enormous, with state-of-the-art simulations tracking trillions of particles
that move and interact over time. Scientific visualization plays an important role in the exploration, validation, and analysis of these datasets and their underlying computational models. ... mehrA significant amount of research has been focused on structured data with a regular topology. This is in contrast to the scattered nature of particle data. In physics, the reference frame of freely moving particles is known as the Lagrangian frame. Although it is possible to convert data from the Lagrangian to a regular Eulerian frame, this requires interpolating massive amounts of particles. This is not only prohibitively expensive, but disregards the inherent nature of particles moving freely through space and time for subsequent analysis. In this thesis, we develop visualization techniques specific to the Lagrangian perspective, which allows us to find novel and efficient ways of visualizing and analyzing large amounts of particles.