Photo-realistic, physically consistent 3D modeling and interactive display of astronomical objects for digital planetariums
Automation, Mechatronics, Control Systems, Intelligent Technical Systems, Robotics
Final Report Abstract
Das Erzeugen von realistischen und hochauflösenden astronomischen Objekten und deren qualitativ hochwertigen Visualisierung ist eine herausfordernde Aufgabenstellung. Um astronomische Inhalte und Phänomene zu erstellen, gibt es nur wenig technische Hilfsmittel, und diese erfordern ein großes Maß an Handarbeit. Dieses Projekt hat sich mit der physikalisch konsistenten 3D-Modellierung von astronomischen Inhalt und dessen interaktiven Darstellung für digitale Planetarien beschäftigt. Es wurden Methoden entwickelt, welche die Erzeugung und interaktive Visualisierung astronomischer Objekte vereinfachen und automatisieren. Zur Erzeugung hochaufgelöster Modelle von astronomischen Emissionsnebeln wurde ein tomographisches Rekonstruktionsverfahren entwickelt. Unter Annahme von sphärischer oder radialer Symmetrie können somit physikalisch konsistente Volumen von Eingabebildern erzeugt werden. Es wurde ein neuer Parallelisierungsalgorithmus entwickelt, der es erlaubt, diese Modelle in wenigen Stunden auf einem GPU-Cluster zu berechnen. Um die zeitliche Evolution von astronomischen Objekten in der Rekonstruktion miteinzubeziehen, wurde ein Verfahren entwickelt, das basierend auf hydrodynamischen Simulationen dynamische Modelle erzeugt. Des Weiteren konnte die Modellierung astronomischer Objekte für Experten vereinfacht werden, indem mit Projektpartneren eine Modellierungssoftware entwickelt wurde. Um eine interaktive Visualisierung von astronomischen Objekten zu ermöglichen, wurden bisherige Volumenrendering-Verfahren verbessert und beschleunigt. Insbesondere wurde dabei berücksichtigt, die Erhaltung von Details, wie Filamente, zu erhalten. Durch das Miteinbeziehen von Streuung in GPU- basiertem interaktiven Volumenrendering können räumliche Eigenschaften und Details bei gleichbleibendem Berechnungsaufwand für partizipierende Medien deutlich besser dargestellt werden. Mit einem Weiteren neu entwickelten Verfahren zu effizienten Berechnung von weichen Schatten in Volumenrenderings konnte die Tiefenwahrnehmung in Reflexionsnebeln weiter verbessert werden. Des Weiteren wurde eine neue Methode entwickelt, die es erlaubt, die Zeitabhängigkeit des Lichttransports zu berücksichtigen, und somit Phänomene wie Lichtechos in dynamischen Nebeln darzustellen. Für kosmologische Effekte wurden Techniken zur interaktiven Darstellung von Objekten in allgemeinrelativistischer und spezialrelativistischer Visualisierung entwickelt. Für Kuppelprojektionen konnte darüber hinaus die wahrgenommene Auflösung erhöht werden. Zur Entwicklung von Renderingverfahren für digitale Planetarien mit Kuppelprojektionssystemen wurde ein hochauflösendes Dome-Projektionssystem an der TU Braunschweig aufgebaut, welches zeitnah der wissenschaftlichen Öffentlichkeit präsentiert wird. Ergebnisse aus dem Bereich der astronomischen Visualiserung wurden durch Mitwirkung bei einer Ausstellung und der Aufbereitung von Ergebnissen in Online-Videomaterial dem breiten öffentlichen Publikum zugänglich gemacht.
Publications
- »Direct Interval Volume Visualization«. In: IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 16.6 (2010), S. 1505–1514
M. Ament, D. Weiskopf und H. Carr
(See online at https://dx.doi.org/10.1109/TVCG.2010.145) - »Sort-First Parallel Volume Rendering«. In: IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 17.8 (2011), S. 1164–1177
B. Moloney, M. Ament, D. Weiskopf und T. Möller
(See online at https://dx.doi.org/10.1109/TVCG.2010.116) - »Visualization of Astronomical Nebulae via Distributed Multi-GPU Compressed Sensing Tomography«. In: IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 18.12 (2012), S. 2188–2197
S. Wenger, M. Ament, S. Guthe, D. Lorenz, A. Tillmann, D. Weiskopf und M. Magnor
(See online at https://doi.org/10.1109/TVCG.2012.281) - »A wind-shell interaction model for multipolar planetary nebulae«. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 436.1 (09/2013), S. 470–478
W. Steffen, N. Koning, A. Esquivel, G. Garcia-Segura, M. T. Garcia-Diaz, J. Lopez und M. Magnor
(See online at https://doi.org/10.1093/mnras/stt1583) - »Ambient Volume Scattering«. In: IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 19.12 (2013), S. 2936–2945
M. Ament, F. Sadlo und D. Weiskopf
(See online at https://doi.org/10.1109/TVCG.2013.129) - »Fast Image-Based Modeling of Astronomical Nebulae«. In: Computer Graphics Forum 32.7 (2013), S. 93–100
S. Wenger, D. Lorenz und M. Magnor
(See online at https://doi.org/10.1111/cgf.12216) - »Fine-Scale Editing of Continuous Volumes using Adaptive Surfaces«. In: Vision, Modeling & Visualization Posters. Hrsg. von M. Bronstein, J. Favre und K. Hormann. The Eurographics Association, 2013, S. 221–222
K. Ruhl, S. Wenger, D. Franke, J. Saretzki und M. Magnor
(See online at https://dx.doi.org/10.2312/PE.VMV.VMV13.221-222) - »Optimizing Apparent Display Resolution Enhancement for Arbitrary Videos«. In: IEEE Transactions on Image Processing (TIP) 22.9 (09/2013) S. 3604–3613
M. Stengel, M. Eisemann, S. Wenger, B. Hell und M. Magnor
(See online at https://doi.org/10.1109/TIP.2013.2265885) - »A sparse Kaczmarz solver and a linearized Bregman method for online compressed sensing«. In: IEEE International Conference on Image Processing (ICIP). 10/2014, S. 1347–1351
D. A. Lorenz, S. Wenger, F. Schöpfer und M. Magnor
(See online at https://dx.doi.org/10.1109/ICIP.2014.7025269) - »Computational Visualization of Scalar Fields«. Dissertation. Universität Stuttgart, 10/2014
M. Ament
(See online at https://dx.doi.org/10.18419/opus-6457) - »Low-Pass Filtered Volumetric Shadows«. In: IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 20.12 (2014), S. 2437–2446
M. Ament, F. Sadlo, C. Dachsbacher und D. Weiskopf
(See online at https://doi.org/10.1109/TVCG.2014.2346333) - »Refractive Radiative Transfer Equation«. In: ACM Transactions on Graphics 33.2 (2014), 17:1–17:22
M. Ament, C. Bergmann und D. Weiskopf
(See online at https://doi.org/10.1145/2557605) - »Regularized Optimization Methods for Reconstruction and Modeling in Computer Graphics«. Dissertation. TU Braunschweig, 06/2014
S. Wenger
- »Visualization Showcase: General-Relativistic Black Hole Visualization«. In: Eurographics Symposium on Parallel Graphics and Visualization. The Eurographics Association, 2015, S. 29–32
T. Müller, S. Boblest und D. Weiskopf
(See online at https://dx.doi.org/10.2312/pgv.20151152)
