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Computergraphik

Diplomarbeit von Lukas Zühl

Visualisierung von Laser-Plasma-Simulationen

Lehrstuhl für Computergraphik und Visualisierung

Student: Lukas Zühl
Betreuer: Dr. Ulrich Schramm (HZDR)
Dr. Michael Bussmann (HZDR)
Verantwortlicher Hochschullehrer:  Prof. Dr. Stefan Gumhold

Motivation

Die Abteilung Laser-Teilchenbeschleunigung des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) erforscht die Wechselwirkung hochintensiver, ultrakurzer Laserimpulse mit Materie. Numerische Simulationen dieses Prozesses stellen ein wichtiges Hilfsmittel bei der Analyse der physikalischen Prozesse in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung bereit. Diese Simulationen produzieren mehrere umfangreiche Datensätze, die für eine spätere Analyse und Visualisierung gespeichert werden. Allerdings liegt der Schwerpunkt existierender Visualisierungsbibliotheken und Werkzeuge auf der Darstellung einzelner Datensätze, z.B. eines Skalarfeldes oder einer Partikelwolke zu einem bestimmten Zeitpunkt. Ziel dieser Arbeit ist, über eine ganzheitliche Betrachtung aller Simulationsdaten und der flexiblen Zuordnung einzelner Datenfelder zu den Achsen und Attributen einer Visualisierung eine explorative Datenanalyse zu ermöglichen. Dem Wissenschaftler soll so ermöglicht werden, beliebige physikalische Größen zueinander in Beziehung zu setzen, um neue Zusammenhänge entdecken und Modelle bilden zu können.

Beschreibung

Die Struktur der Simulationsdaten wird zunächst unabhängig von einer möglichen Visualisierung und von dem physikalischen Datenformat erfasst. Dies umfasst sowohl die explizit gespeicherten Daten, z.B. Teilchenattribute und elektrische Feldwerte, als auch implizit vorhandenen Daten, z.B. Zeit und Position der Gitterpunkte. Über eine flexible Zuordnung der einzelnen Datenfelder zu den Achsen und Attributen einer Visualisierung können dann verschiedene Darstellungen erzeugt werden. Implementiert wurden Streudiagramme, die durch eine freie Achsenzuteilung Punktwolken eines beliebigen dreidimensionalen Merkmalsraumes darstellen sowie Liniendiagramme, mit denen beispielsweise die Bahnlinien von Teilchen, Trajektorien beliebiger Art und Funktionsgraphen visualisiert werden können. Außerdem werden Skalarfeldvisualisierungen mit Isoflächen und Vektorfeldvisualisierungen mit Hedgehogs oder Stromlinien unterstützt.

Desweiteren wurde eine deklarative Sprache, VQL, entwickelt, die eine einfache und kompakte Beschreibung dieser Visualisierungen ermöglicht. Ein VQL Programm kann entweder direkt vom Nutzer geschrieben oder durch eine graphische Benutzeroberfläche erzeugt werden (diese wird separat am HZDR entwickelt). Ein entsprechendes VTK-Visualisierungsnetzwerk wird von dem Programm automatisch erzeugt und konfiguriert - der Nutzer benötigt somit keine speziellen Kenntnisse aus dem Bereich der wissenschaftlichen Visualisierung und kann bereits nach geringem Einarbeitungsaufwand komplexe Darstellungen erzeugen. Die einfachen und flexiblen Konfigurationsmöglichkeiten ermöglichen eine explorative Datenanalyse, die mit gängigen Programmen der wissenschaftlichen Visualisierung nicht oder nur mit großem Aufwand möglich ist.

Ergebnisse

Darstellung einer Partikelwolke mit einem Streudiagramm Streudigramm mit der Achsenzuweisung PosX-Energie-PosZ
Pfadlinien aller Partikel über sechs Zeitschritte Pfadlinien der Partikel einer Ebene über 100 Zeitschritte
Skalarfeldvisualisierung mit Isoflächen Vektorfeldvisualisierung mit Stromlinien
Pfadlinien der Partikel einer Ebene über 270 Zeitschritte

Download

Stand: 23.4.2011, 13:32 Uhr
Autor: Corina Weissbach