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Computergraphik

Hauptseminar Wissenschaftliche Visualisierung

WS 12/13, 0/2/0
HS-INF, IST
INF-BAS7 Graphische Datenverarbeitung
INF-VERT7 Vertiefungsmodul Graphische Datenverarbeitung

Dozent

Prof. Dr. S. Gumhold
Dipl.-Medieninf. Joachim Staib, Dipl.-Medieninf. Sören König

Materialien

Einführungsfolien, Themen, Hinweise zu Vorträgen und Publikationen

Termine

Achtung: Das Hauptseminar wurde mit dem Hauptseminar Computergraphik zusammengelegt.

Ausgewählte Termine immer Montags in der 4.DS im Raum 2101 (Ei).

Inhalt

Die wissenschaftliche Visualisierung versucht Daten, die heutzutage praktisch überall anfallen, in aussagekräftige Bilder umzuwandeln, um sie so für den Menschen besser verständlich zu machen.

Die bildliche Darstellung von hochdimensionalen Daten ist dabei ein großes und bisher in vielen Bereichen noch nicht gelöstes Problem. Wie stellt man zwei- oder dreidimensionale Daten dar, die pro Element 10 und mehr Werte haben? Oder was macht man, wenn der Raum, in dem man die Daten sammelt, nicht zwei- oder dreidimensional ist, sondern noch viel mehr Dimensionen hat? Lässt man Informationen weg und beschränkt sich nur auf das Wesentliche - falls ja, was ist "das Wesentliche"? Und wenn man einmal eine Visualisierung hat, zeigt sie dann überhaupt noch die Daten, die man darstellen wollte?

Zu solchen und vielen weiteren Fragen sollen in diesem Hauptseminar beispielhaft Themen erarbeitet und in Vorträgen und Diskussionen kritisch hinterfragt werden. Die Themenschwerpunkte umfassen verschiedene etablierte und experimentelle Darstellungsformen, Methoden zu Dimensionsreduktion und allgemeine Fragen zur Wahrnehmbarkeit von bildlich aufbereiteten wissenschaftlichen Daten.

Voraussetzung für dieses Seminar ist der Mut, die vorstellbaren drei Dimensionen zu verlassen. Hilfreich, aber nicht unbedingt erforderlich, sind solide Kenntnisse in der Computergraphik und der wissenschaftlichen Visualisierung (zum Beispiel durch die Vorlesungen CG1, ECG oder WissVis).

Zur Anmeldung und bei Fragen bitte eine Mail an Joachim Staib (joachim.staib@tu-dresden.de)

Folgende Themen können in dem Hauptseminar besprochen werden

  • Eigenschaften hochdimensionaler Räume
    In vielen Bereichen verhält sich ein Raum anders, wenn dessen Dimensionalität erhöht wird - oft auf überraschende und nicht einfach nachvollziehbare Weise. Zum Beispiel strebt das Volumen einer Hyperkugel mit konstantem Radius in höheren Dimensionen gegen Null. Wie muss man sich sowas eigentlich vorstellen? Oder was passiert mit Abständen im euklidischen Raum?
  • Suchen in hohen Dimensionen
    Für viele Visualisierungsformen ist es notwendig, hochdimensionale Daten in Beziehung zu bringen, zum Beispiel über deren Nachbarschaft. Was in niedrigen Dimensionen noch vergleichsweise einfach ist, wird in höheren Dimensionen zu einem schwierigen Problem. Was hat es mit dem Fluch der Dimensionalität auf sich? Wie lange geht eine lineare Suche gut und warum scheitern auch kd-Bäume in hohen Dimensionen? Was bedeutet Approximate-Nearest-Neighbours?
  • Darstellungen mittels Scatter-Plots
    Eine naheliegende Visualisierung ist die Darstellung über Streudiagramme. In hohen Dimensionen verwendet man Matrizen aus Streudiagrammen. Wie sehen solche Diagramme aus? Wie werden die Daten abgebildet? Welche Erweiterungen gibt es und wo sind dieser Visualisierung Grenzen gesetzt?
  • Darstellung mittels Paralleler Koordinaten
    Über die einfach vorstellbaren 3 Dimensionen hinweg können Koordinatenachsen nicht mehr verstehbar rechtwinklig zueinander angeordnet werden. Die Parallelkoordinatendarstellung legt alle Achsen parallel nebeneinander an. Dadurch werden Punkte zu Linienzügen. Wie muss man sich das genau vorstellen? Was kann man in solchen Darstellungen noch erkennen? Welche Erweiterungen gibt es, um die Darstellung übersichtlicher zu machen?
  • Darstellung mittels Glyphen
    Eine Möglichkeit, viele Merkmale in einem niedrig dimensionalen Beobachtungsraum (z.B. eine Volumenoberfläche oder ein Bild) darzustellen sind Glyphen. Das sind zumeist geometrische Objekte, die gleichmäßig über den Beobachtungsraum verteilt werden. Sie haben eine Reihe von freien Parametern, z.B. Größe, Farbe oder andere Eigenschaften, die auf die einzelnen Merkmale abgebildet werden. Welche Formen von Glyphen gibt es? Wie designt man intelligent Glyphen und wie verteilt man sie?
  • Volume-Rendering
    In vielen wissenschaftlichen Disziplinen entstehen volumetrische Daten, also Daten, die in einer dreidimensionalen Domäne existieren. Beim Rendering entstehen die typischen Bilder, die man aus der Medizin kennt: dreidimensionale Objekte, etwa vom Schädel, die am Computer untersucht werden können. Pro Datenpunkt können dabei viele Merkmale vorhanden sein. Wie funktioniert das Rendering von Volumendaten grundlegend? Welche Möglichkeiten gibt es um hochdimensionale Merkmale zu rendern? Wie lässt sich Volume-Rendering mit dem Glyphen-Rendering verbinden?
  • Lineare Dimensionsreduktionstechniken
    Um hochdimensionale Daten beherrschen zu können werden sie oft in der Dimension reduziert. Dabei werden niedrigdimensionalere Daten erzeugt, die bestimmte Charakteristika, wie Abstände oder die Varianz, erhalten. Wie funktioniert die Projektion hochdimensionaler Punkte? Welche Standardverfahren gibt es und wie funktioniert die Hauptkomponentenanalyse im Detail? Welche nichtlinearen Methoden gibt es?
  • Merkmals- und Skelettextraktion
    Um Daten zu verstehen, können auf ihnen topologische Analysen durchgeführt werden. Dabei werden die Daten auf bestimmte Punkte mit bestimmten Eigenschaften reduziert, die zum Beispiel spezielle Auskünfte über eine Kontur liefern. Diese Punkte lassen sich zu Graphen verbinden um so komplexere Aussagen treffen zu können. Was sind topologische Graphen wie der Reeb-Graph oder der Contour-Tree? Wie kann man aus punktbasierten Formen Skelette extrahieren?
  • Erlernen von hochdimensionalen Visualisierungen und perzeptuelle Grenzen
    Visualisierungen sind dazu da, über das Sehzentrum des Menschen in deutbare Informationen umgewandelt zu werden. Doch was kann der Mensch überhaupt erkennen, wie nimmt er z.B. verschiedene Formen wahr? Wenn eine Visualisierung existiert, wie bringt man Betrachtern bei, sie zu verstehen?

Durchführung

Jeder Teilnehmer wählt sich ein Thema aus der oben stehenden Liste oder schlägt selbst eines vor. Zu diesem Thema hält er einen Vortrag, der eine Dauer von 35 Minuten nicht übersteigen soll. Die Vorträge enden jeweils mit einigen kritischen Behauptungen zum Thema, die Ausgangspunkt einer anschließenden Diskussion sein sollen.

Außerdem verfasst jeder Teilnehmer zu seinem Thema eine schriftliche Ausarbeitung, die den Charakter eines wissenschaftlichen Papers hat (entweder in deutsch oder englisch). Während des Semesters werden die unfertigen Papers unter den Teilnehmern verteilt, die dann, neben den Betreuern, einen Review-Prozess durchführen. Zum Ende des Seminars wird das nochmal gemacht um so die Veränderung sehen zu können. Damit soll der Vorgang, den auch ein wissenschaftliches Paper durchfährt, das veröffentlicht wird, nachgestellt werden. Am Ende werden alle Arbeiten zu einem Gesamtwerk verbunden.

Wichtig beim Seminar ist zu wissen, dass es darum geht, zu lernen, wie man Vorträge richtig hält und ansprechende wissenschaftliche Arbeiten schreibt. Daher sind Ängste, ob die eigenen Fähigkeiten reichen für einen Vortrag oder ein Paper, kein Grund an dem Seminar nicht teilzunehmen - im Gegenteil. Nach jedem Vortrag wird es ein kurzes Feedback zu guten und weniger guten Dingen geben. Außerdem wird eine Einführung in Tipps-und-Tricks guter Vorträge am Anfang des Seminars stattfinden.

 

Stand: 14.11.2012, 17:02 Uhr
Autor: Dr.-Ing. Wilfried Mascolus