Effiziente Visualisierungs- und Interaktionsmethoden zur Analyse numerischer Simulationen in virtuellen und erweiterten Realitäten

Das Ziel meiner Arbeit war die Entwicklung von Werkzeugen zur interaktiven Visualisierung von Simulationsergebnissen in Virtual- und Augmented-Reality Umgebungen. Dabei sollten unterschiedliche Interaktions- und Visualisierungsmethoden bereitgestellt werden, welche dem Anwender eine möglichst effiziente und intuitive Interpretation der Daten erlauben. Im Vordergrund standen daher fortgeschrittene Verfahren wie die direkte Volumenvisualisierung, die Erzeugung und Animation von Strömungstexturen, sowie die interaktive Berechnung und Darstellung von Partikelbahnen. Diese Verfahren wurden für die interaktive Visualisierung nicht-regulärer Gitterstrukturen so erweitert, das sie die Echtzeitanforderungen von VR- und AR-Umgebungen erfüllen.
Um einen möglichst optimalen Nutzen der verfügbaren Hardwareressourcen zu gewährleisten, wurden die Möglichkeiten programmierbarer Graphikkarten handelsüblicher PC-Systeme untersucht. Durch den gezielten und kombinierte Einsatz von hardwarenahen Methoden und optimierten Softwareverfahren konnte die für VR- und AR-Anwendungen erforderliche Darstellungsgeschwindigkeit erzielt werden. Dabei ist die erreichte Bildqualität mit den Ergebnissen nicht-interaktiver Methoden vergleichbar. Verfahren zur Geometriekompression ermöglichen es zudem auch größere Datensätze mit hinreichenden Bildwiederholraten darzustellen.
Die realisierten Methoden wurden in ein neu entwickeltes Softwaresystem integriert, welches dem Benutzer die erforderlichen Interaktionsmöglichkeiten zur Navigation sowie zur Kontrolle der Darstellungen in virtuellen und erweiterten Realitätsumgebungen bereitstellt. Mit Hilfe neuer Interaktionskomponenten kann der Anwender die zur Volumenvisualisierung erforderliche Klassifikation in interaktiver Weise vornehmen und profitiert dabei von der 3D-Darstellung der jeweiligen Transferfunktion. Weitere 3D Bedienelemente dienen zur interaktiven Manipulation und Animation von Strömungstexturen, der Positionierung von Startpunkten, sowie der anschließenden schnellen Berechnung und Darstellung von Strömungsproben.
Die entwickelten Methoden bieten dem Anwender vielfältige Möglichkeiten zur interaktiven Visualisierung von Simulationsergebnissen in virtuellen und erweiterten Realitätsumgebungen. Darüber hinaus lassen sich die präsentierten Lösungen auch für weitere Anwendungsbereiche einsetzen. So eröffnet der Einsatz von Augmented Reality Techniken neue und effiziente Möglichkeiten zum unmittelbaren Abgleich von physikalischen Experimenten und numerischen Simulationen. Die im Rahmen dieser Arbeit realisierten Methoden bieten zudem verschiedene Möglichkeiten für weitere Entwicklungen, wie z. B. den Einsatz von PC-Cluster Systemen zur zusätzlichen Steigerung der Darstellungsleistung, oder die Einbeziehung weiterer Interaktionsformen.