Photo-realistic, physically consistent 3D modeling and interactive display of astronomical objects for digital planetariums

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Marcus Magnor; Professor Dr. Daniel Weiskopf
• Subject Area: Image and Language Processing, Computer Graphics and Visualisation, Human Computer Interaction, Ubiquitous and Wearable Computing ; Automation, Mechatronics, Control Systems, Intelligent Technical Systems, Robotics
• Term: from 2009 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 96335005

• Final Report Year: 2017

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
  
• »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
  
• »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
  
• »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
  
• »Ambient Volume Scattering«. In: IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 19.12 (2013), S. 2936–2945
  M. Ament, F. Sadlo und D. Weiskopf
  
• »Fast Image-Based Modeling of Astronomical Nebulae«. In: Computer Graphics Forum 32.7 (2013), S. 93–100
  S. Wenger, D. Lorenz und M. Magnor
  
• »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
  
• »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
  
• »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
  
• »Computational Visualization of Scalar Fields«. Dissertation. Universität Stuttgart, 10/2014
  M. Ament
  
• »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
  
• »Refractive Radiative Transfer Equation«. In: ACM Transactions on Graphics 33.2 (2014), 17:1–17:22
  M. Ament, C. Bergmann und D. Weiskopf
  
• »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