Jahrbuch der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf 2005/2006

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1 Jahrbuch der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf 2005/2006

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3 Jahrbuch der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf 2005/2006

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5 Jahrbuch der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf 2005/2006 Herausgegeben vom Rektor der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf Univ.-Prof. Dr. Dr. Alfons Labisch Konzeption und Redaktion: em. Univ.-Prof. Dr. Hans Süssmuth

6 Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf 2006 Einbandgestaltung: Wiedemeier & Martin, Düsseldorf Titelbild: Schloss Mickeln, Tagungszentrum der Universität Redaktionsassistenz: Georg Stüttgen Beratung: Friedrich-K. Unterweg Satz: Friedhelm Sowa, LATEX Herstellung: WAZ-Druck GmbH & Co. KG, Duisburg Gesetzt aus der Adobe Times ISBN

7 Inhalt Vorwort des Rektors Gedenken Rektorat ALFONS LABISCH (Rektor) Die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf ist eine Forschungsuniversität.. 19 HILDEGARD HAMMER Der Bologna-Prozess Chancen und Schwächen einer erzwungenen Studienreform CHRISTOPH AUF DER HORST Das Studium Universale der Heinrich-Heine-Universität zwischen akademeia und universitas Jahre Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf HERMANN LÜBBE Universitätsjubiläen oder die Selbsthistorisierung der Wissenschaften Medizinische Fakultät Dekanat Neu berufene Professorinnen und Professoren WOLFGANG H. M. RAAB (Dekan) und SIBYLLE SOBOLL Forschung und Lehre in der Medizinischen Fakultät JÜRGEN SCHRADER Systembiologie Neue Perspektiven für die Medizin? ORTWIN ADAMS und HARTMUT HENGEL Husten, Schnupfen, Heiserkeit Über alte und neue Respirationstraktviren WILFRIED BUDACH und EDWIN BÖLKE Strahlende Zukunft Radioonkologie HILDEGARD GRASS und STEFANIE RITZ-TIMME Frauen- und Geschlechterforschung, Gewaltopfer und Rechtsmedizin GESINE KÖGLER und PETER WERNET Die José Carreras Stammzellbank Düsseldorf Entwicklung, klinische Ergebnisse und Perspektiven

8 6 Inhalt NIKOLAS HENDRIK STOECKLEIN und WOLFRAM TRUDO KNOEFEL Disseminierte Tumorzellen bei gastrointestinalen Karzinomen Molekulargenetische Analyse der relevanten Tumorzellen zum Aufsuchen therapeutischer Zielstrukturen für effektive adjuvante Therapien Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Dekanat Neu berufene Professorinnen und Professoren PETER WESTHOFF (Dekan) Die Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Der Weg im Jahr JÖRG BREITKREUTZ Arzneizubereitungen für Kinder STEFAN U. EGELHAAF Weiche Materie Treffpunkt von Physik, Chemie und Biologie THOMAS HEINZEL Nanoelektronik und mesoskopischer Transport MICHAEL LEUSCHEL und JENS BENDISPOSTO Das ProB-Werkzeug zur Validierung formaler Softwaremodelle CHRISTINE R. ROSE Doppelt hält besser Elektrische und chemische Signalgebung in Gehirnzellen Philosophische Fakultät Dekanat Neu berufene Professorinnen und Professoren BERND WITTE (Dekan) Die Philosophische Fakultät auf dem Weg in die entgrenzte Wissensgesellschaft ANDREA VON HÜLSEN-ESCH, WILHELM G. BUSSE und CHRISTOPH KANN Das Forschungsinstitut für Mittelalter und Renaissance SABINE KROPP Institutionenbildung in postsowjetischen Ländern Entwurf eines Analysekonzepts KARL-HEINZ REUBAND Teilhabe der Bürger an der Hochkultur Die Nutzung kultureller Infrastruktur und ihre sozialen Determinanten

9 Inhalt 7 SHINGO SHIMADA Wozu Modernes Japan? Zur Konzeptualisierung des Lehrstuhls Modernes Japan II mit sozialwissenschaftlichem Schwerpunkt Wirtschaftswissenschaftliche Fakultät Dekanat CHRISTOPH J. BÖRNER (Dekan) Bachelor und Master in der Betriebswirtschaftslehre Der Düsseldorfer Ansatz HEINZ-DIETER SMEETS und H. JÖRG THIEME Demographische Entwicklung und Globalisierung Ökonomische Konsequenzen HORST DEGEN und PETER LORSCHEID Euro = Teuro Lässt sich diese Gleichung statistisch belegen? BERND GÜNTER und LUDGER ROLFES Wenn Kunden lästig werden Kundenbewertung und Umgang mit unprofitablen Kundenbeziehungen durch Unternehmen BERND GÜNTER Über den Tellerrand hinaus Studium laterale Juristische Fakultät Dekanat HORST SCHLEHOFER (Dekan) Das Bachelor-Master-System Ein Modell für die Juristenausbildung? ANDREAS FEUERBORN Der integrierte deutsch-französische Studiengang der Juristischen Fakultäten der Université de Cergy-Pontoise und der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf ULF PALLME KÖNIG Die rechtliche Einordnung der Kooperationsvereinbarung zwischen Universität und Universitätsklinikum nach nordrhein-westfälischem Recht Gesellschaft von Freunden und Förderern der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf e.v. GERT KAISER Die Freundesgesellschaft der Heinrich-Heine-Universität OTHMAR KALTHOFF Jahresbericht

10 8 Inhalt Sonderforschungsbereiche der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf CHRISTEL M. MARIAN und WILHELM STAHL Der Sonderforschungsbereich 663 Molekulare Antwort nach elektronischer Anregung Forschergruppen der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf VICTORIA KOLB-BACHOFEN, MIRIAM CORTESE, JÖRG LIEBMANN, SABINE KOCH und NICOLE FITZNER Regulation der Entzündungsreaktion Eine wichtige Rolle für Stickstoffmonoxid DIRK SCHUBERT und JOCHEN F. STAIGER Die Analyse von Was und Wo in neuronalen Netzen des primären somatosensorischen Kortex Graduiertenkollegs der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf OSWALD WILLI Das Graduiertenkolleg 1203 Dynamik heißer Plasmen AXEL GÖDECKE Proteininteraktionen und -modifikationen im Herzen Das Graduiertenkolleg 1089 auf dem Weg in das postgenomische Zeitalter Zentrale wissenschaftliche Einrichtungen der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf Humanwissenschaftlich-Medizinisches Forschungszentrum DIETER BIRNBACHER Das Humanwissenschaftlich-Medizinische Forschungszentrum der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf DIETER BIRNBACHER und LEONORE KOTTJE-BIRNBACHER Ethische Fragen bei der Behandlung von Patienten mit Persönlichkeitsstörungen Biotechnologie Ein gemeinsamer Forschungsschwerpunkt der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und des Forschungszentrums Jülich KARL-ERICH JAEGER Das Zentrum für Mikrobielle Biotechnologie

11 Inhalt 9 CHRISTIAN LEGGEWIE, THOMAS DREPPER, THORSTEN EGGERT, WERNER HUMMEL, MARTINA POHL, FRANK ROSENAU und KARL-ERICH JAEGER Molekulare Enzymtechnologie Vom Gen zum industriellen Biokatalysator JÖRG PIETRUSZKA, ANJA C. M. RIECHE, NIKLAS SCHÖNE und THORSTEN WILHELM Naturstoffchemie Ein herausforderndes Puzzlespiel Institute an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf Institut für umweltmedizinische Forschung JEAN KRUTMANN Das Institut für umweltmedizinische Forschung an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf ggmbh Institute in Zusammenarbeit mit der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf Düsseldorfer Institut für Dienstleistungs-Management WINFRIED HAMEL Das Düsseldorfer Institut für Dienstleistungs-Management Eine virtuelle Forschungseinrichtung Institut für Internationale Kommunikation CHRISTINE SCHWARZER und MATTHIAS JUNG Universitätsnah wirtschaften Das Institut für Internationale Kommunikation in Zusammenarbeit mit der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf e.v Zentrale Einrichtungen der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf Universitäts- und Landesbibliothek IRMGARD SIEBERT und CAROLA SPIES Aufbruch in die Zukunft Der 94. Deutsche Bibliothekartag in Düsseldorf Universitätsrechenzentrum STEPHAN OLBRICH, NILS JENSEN und GABRIEL GAUS EVITA Effiziente Methoden zur Visualisierung in tele-immersiven Anwendungen

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13 STEPHAN OLBRICH, NILS JENSEN und GABRIEL GAUS EVITA Effiziente Methoden zur Visualisierung in tele-immersiven Anwendungen Ziel des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Vorhabens und HLRN 1 -Großprojekts EVITA 2 ist die Weiterentwicklung und Erprobung des netzverteilten Simulations- und Visualisierungsframeworks DSVR (Distributed Simulation and Virtual Reality Environment) im Kontext hochaufgelöster numerischer Simulationen zeitabhängiger Strömungen. Entsprechende Anforderungen liegen beispielsweise bei der Untersuchung von turbulenten atmosphärischen oder ozeanischen Phänomenen, bei Planungsmaßnahmen im Städte- oder Hafenbau und bei der Entwicklung von Maschinen oder Fahrzeugen vor. In vielen Fällen können dabei praktische Versuche aus Gründen der Wirtschaftlichkeit oder der Machbarkeit nicht durchgeführt werden und werden durch virtuelle Experimentierumgebungen z. B. einen virtuellen Windkanal ersetzt. Abb. 1: Interaktive Visualisierung mit DSVR: Simulation der Gebäudeumströmung in einem Stadtteil von Tokio 1 Norddeutscher Verbund für Hoch- und Höchstleistungsrechnen ( 2 DFG-Zeichen: OL 241/1-1, Laufzeit: 1. April 2005 bis 31. März 2007 (2 WM); HLRN-Projektkennung nik00015.

14 608 Stephan Olbrich, Nils Jensen und Gabriel Gaus Der bisherige Entwicklungsstand ermöglichte, die Eignung der verwendeten Lösungsansätze in massiv-parallelen Anwendungen zu demonstrieren und im Produktionsbetrieb einzusetzen. Es werden effiziente Algorithmen zur Aufbereitung von gebietszerlegt vorliegenden Simulationsergebnissen und Ergänzungen der Middleware entwickelt, die einer zunehmenden Komplexität der Anwendungen gerecht werden, weitere Daten- und Gittertypen zulassen und zu Verbesserungen bei der Exploration komplexer Skalar- und Vektorfelder führen: (a) parallelisierte, eng verzahnte Realisierung der Isosurface-Extraktion aus Skalarfeldern und der Simplifizierung der Polygonkomplexität sowie Varianten beim Rendering; (b) Direct Volume Rendering von Skalardaten auf nicht-äquidistanten Gitterpunkten; (c) Partitionierter Ansatz zur Strömungsvisualisierung durch Vorverarbeitung in Grafikund Metadatenelemente sowie eine interaktive, parametrisierte und adaptive 3-D-Darstellung; (d) effiziente netzverteilte Ansätze zur visuellen und haptischen 3 Darstellung; (e) Optimierung der Codierungs-, Transport- und Speicherungstechniken an den Schnittstellen der partitionierten netzverteilten Visualisierungspipeline. Die Verfahren zur Volumen- und Strömungsvisualisierung werden im Rahmen aufwändiger numerischer Simulationsanwendungen komplexer instationärer Phänomene evaluiert und in Produktivläufen angewandt. Stand der Forschung und eigene Vorarbeiten Stand der Forschung Eine hochaufgelöste Simulation instationärer Strömungsphänomene stellt hohe Anforderungen an die numerischen Verfahren sowie an die Konzepte, Algorithmen und Techniken zur dreidimensionalen Visualisierung bzw. zur Unterstützung der Exploration in mehreren Stufen der Immersion. Entsprechend der darzustellenden skalaren und vektoriellen Ergebnisdatentypen wird bei der Aufbereitung zwischen Volumen- und Strömungsvisualisierung unterschieden. Interaktive Renderingverfahren nutzen geometrie- und voxelbasierte Ansätze. Ergänzend zur visuellen wird die haptische Präsentation einbezogen. Typische Verfahren sind in Tabelle 1 aufgeführt. An den Modulen der Simulations- und Visualisierungspipeline (siehe auch Abb. 2) und an deren Schnittstellen existieren technisch bedingte Engpässe, die die Komplexität der darstellbaren Simulationsergebnisse einschränken: Rechenleistung: numerische Simulation, Visualisierungsfilter und -mapper; Datenvolumen/-raten: Rohdaten, aufbereitete Daten, Geometriedaten, Pixeldaten; Renderingleistung (Polygon- und Pixelraten): 3-D-Geometrie- und Voxel-Rendering. Probleme können bei der Wahrnehmung und Interpretation komplexer Darstellungen auftreten: 3 Bei der Haptik geht es hier um die Nutzung des Tastsinns, z. B. durch den Einsatz von Force-Feedback- Geräten, so genannter haptic displays, in einer Virtual-Reality-Anwendungsumgebung.

15 EVITA Effiziente Methoden zur Visualisierung in tele-immersiven Anwendungen D-Skalarfelder visuell haptisch 3-D-Vektorfelder visuell 3-D-Geometrie-Rendering (Polygone, Linien, Punkte) eingefärbte Schnittflächen, Iso-Oberflächen (z. B. Marching-Cubes-Algorithmus) Transferfunktion (Schnittebene Springand-Mass-Materialmodell) Hedgehog, Strom-, Bahn-, Streichlinien, Illuminated/Haloed/Transparent Lines, Partikelverlagerung, Bänder haptisch Bewegungsabdämpfung und -verstärkung Voxel-Rendering (Direct Volume Rendering) Transferfunktion (Skalar Farbe, Transparenz) Transferfunktion (Skalar Viskosität) 3-D-LIC (Line Integral Convolution) Tabelle 1: Kategorisierung von 3-D-Visualisierungsverfahren (Auswahl) Mehrdeutigkeiten bei vektoriellen 3-D-Darstellungen; Verdeckungseffekte, z. B. bei der Kombination von Iso-Oberflächen mit weiteren Verfahren; bei zu dichter Platzierung von Linienelementen im Raum; bei ungeeigneten Transferfunktionen (z. B. Opazität bei 3-D-LIC); Bewegtbild-Fehlinterpretationen durch ungenügende oder schwankende Bildraten. Die Anforderungen an den Interaktions- und Automatisierungsgrad der Simulationsund Visualisierungsmethoden sowie deren Parametrisierung (z. B. für Computational Steering) hängen von den möglichen Betriebsmodi Batch, Interaktion und Immersion ab. In den verschiedenen, für den hier fokussierten Anwendungszweck verfügbaren Produkten und Forschungsanwendungen 4 wurden so genannte Problem Solving Environments bzw. Virtual Labs realisiert, die für das Gesamtsystem (a) eine möglichst generalisierte Funktionalität bieten und (b) effizient ablaufen sollen. Teilweise widersprechen sich die beiden letztgenannten Anforderungen, so dass Kompromisse eingegangen werden müssen. Übersicht über netzverteilte Simulations- und Visualisierungsansätze Zu den bekannten Lösungsansätzen zu den Aufgabenstellungen, die sich in netzverteilten Simulations- und Visualisierungssystemen (insbesondere in High-Performance Computing and Networking-Kontexten) ergeben, gehören: geeignete Verteilung der Module der Visualisierungspipeline auf verschiedene spezialisierte Rechner, die über ein Kommunikationsnetz und Speichersysteme synchron oder asynchron gekoppelt betrieben werden; Skalierung und Latenzreduktion durch Parallelisierung (speziell der Visualisierung), inklusive Unterstützung von Clusterund Message-Passing-Architekturen (MPI); verfügbare Software ist dagegen oft nur für Shared-Memory-Architekturen ausgelegt und unterstützt daher die im Hochund Höchstleistungsrechnerbereich eingesetzten Clustertechnologien nicht; 4 Z. B. AMIRA, COVISE, DSVR, GeoFEM, pv3, SciRun, VIS-5D, VTK.

16 610 Stephan Olbrich, Nils Jensen und Gabriel Gaus Beispiele für Interaktionen: Sim.-parameter Messbedingungen Auswahlpar. Samplerate Slicerposition Schwellwert Headtracking 3D-Navigation Anwender Datenquelle Filter Mapper Renderer Display - Simulation - Experiment - Extraktion - Subsampling - Slicer - Isosurface - Streamlines - Kamera - Beleuchtung - Shading - Z-Buffer - Stereo- Monitor - Stereo- Projektion - Hardcopy Vorverarb. Daten Rohdaten 3D- Geometrien 2D- Rasterbilder Kommunikationssystem, Transportmedium, Zwischenspeicher oder Archivsystem Abb. 2: Visualisierungspipeline: Datenquelle, Filter, Mapper, Renderer, Display. Die unterschiedliche Einfärbung der Module und Verbindungspfade soll die im Projekt verfolgte Partitionierung verdeutlichen. Pipelining 5 ; optimierten Einsatz schneller Netze (z. B. 10-Gbit/s-Ethernet); Reduktion des Datenvolumens bzw. der Anzahl von Grundprimitiven durch Datenextraktion mittels Visualization Filtering und Mapping; 6 Geometrie-Vereinfachung (Reduktion der Polygon-Komplexität); Kompression von 3-D-Szenendaten, z. B. durch MPEG4-BIFS; 7 hierarchische Ansätze, z. B. für Focus-and-Context-Visualisierung; automatisierte und adaptive Verfahren zur daten- und sichtabhängigen Platzierung bei Liniendarstellungen; Extraktion von Merkmalen zur Hervorhebung beim Direct Volume Rendering (z. B. im Zusammenhang mit 3-D-LIC-Verfahren), Bereitstellung von Transferfunktionen und Schwellwerten; Nutzung von Multimedia- und Internet-Technologien zum netzverteilten WWW-integrierten Abruf von Animationen (Video-Streaming, 3-D-Streaming); 5 Daten in transit; Streaming, speziell Streaming HDF5 (vgl. ( )), asynchrone I/O. 6 Subsampling, Iso-Oberflächen, Strom-, Bahn- und Streichlinien. 7 Vgl. ISO/IEC (1999).

17 EVITA Effiziente Methoden zur Visualisierung in tele-immersiven Anwendungen 611 zur entfernten Initiierung von Simulations- und Visualisierungsanwendungen (Grid-Computing: Visualization Grid, Visualisierungsportal); zur Intra-Stream-Synchronisierung (konstante Update-Rate); zur Inter-Stream-Synchronisierung (zeitlich synchronisierte Komposition von 3-D- Szenen). Die im Rahmen früherer Projekte entwickelte Software DSVR unterstützt bereits mehrere der aufgeführten Ansätze. Im EVITA-Projekt werden weitere Punkte bearbeitet. Besonderheiten bei der Darstellung dreidimensionaler Strömungsfelder Die visuelle Darstellung komplexer instationärer Strömungen in drei Dimensionen ist nur lückenhaft verstanden und erprobt. 8 Bei der Aufbereitung von Ergebnissen aus Grand- Challenge-Simulationen entstehen vor allem im Zusammenhang mit den gewünschten interaktiven und explorativen Visualisierungsszenarien Probleme durch die Größe der Datensätze. So resultiert eine Rechnung mit einer Auflösung von Gitterpunkten und Zeitschritten bei Verwendung einer 64-bit-Genauigkeit in einem 3-D-Strömungsergebnisdatensatz mit einem Datenvolumen von 24 Terabyte. Da diese Datenmenge nur schwer handhabbar ist, wurden Ansätze entwickelt, die auf einer Datenextraktion unmittelbar an der Quelle der auf massiv-parallelen Rechnern gebietszerlegt vorliegenden Daten beruhen und somit die parallele Rechnerarchitektur mit zur effizienten visuellen Aufbereitung nutzen können. Darüber hinaus werden Streamingverfahren eingesetzt, um Verarbeitungs- und Präsentationsmodule im Datenfluss zu koppeln, um letztlich die Zwischenspeicherung großer Datensätze möglichst zu vermeiden und eine zeitnahe Aufbereitung zu unterstützen. 9 Eigene Vorarbeiten Am Regionalen Rechenzentrum für Niedersachsen, Universität Hannover, (RRZN) 10 wurden seit dem Jahr 1996 Virtual Lab-Komponenten realisiert, um aufwändige numerische Simulationen in einer explorativen Visualisierungs- und Interaktionsumgebung ablaufen zu lassen. Ziel war die Unterstützung der in Abbildung 3 dargestellten Szenarien: Client-Server-Beziehung: Präsentation und Exploration; Peer-to-Peer: Diskussion und Annotation; Sekundärnutzung: Capturing und Re-Play. Es wurden auf technischer Seite Infrastruktur, 11 Middleware 12 und Anwendungen 13 entwickelt, installiert und erprobt. Basis der Softwareentwicklung ist DSVR. Diese Software wurde vom Verein zur Förderung eines Deutschen Forschungsnetzes e.v. (DFN-Verein) mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) finanzierten Projekten DFN-Expo (innovative Informationsdienste und Präsentationstechnologien) und 8 Vgl. Olbrich et al. (2001a). 9 Vgl. Ahrens et al. (2001), Jensen et al. (2002), Olbrich und Pralle (2001) sowie Olbrich et al. (2001b) High Performance Computing, Multimediaausstattung, 3-D-Betrachtung durch virtuelle Realität und Kommunikationsnetze. 12 Netzdienste sowie Protokolle zur Daten- und Medienkommunikation. 13 Content-Erstellung, Ergänzung von Interaktionselementen und didaktische Einbindung.

18 612 Stephan Olbrich, Nils Jensen und Gabriel Gaus Client A Desktop-Nutzung Interaktionen (z. B. 3D- Navigation, Tele-Pointer), Videoconferencing, Annotation Immersive VR-Nutzung Client B Hypertext, Audio/Video, 3D-Szenen, Rohdaten Steuerung Capturing / Re-Play Netzdienste: WWW, Streaming, Supercomputer Steuerung Hypertext, Audio/Video, 3D-Szenen, Rohdaten Abb. 3: Modellierung typischer Nutzungsszenarien Präsentation, Exploration, Diskussion, Annotation, Capturing und Re-Play in einem verteilten System, hier mit zwei Clients und einer Server- Infrastruktur Anwendung der Tele-Immersion in Weitverkehrsnetzen (Grid-Computing und virtuelle Realität in Gigabitnetzen) entwickelt 14 und inzwischen im Forschungszentrum L3S 15 vom originären E-Science-Anwendungsumfeld in E-Learning-Szenarien adaptiert. 16 3D-Generator Parallele Simulation, Datenextraktion und Visualization Mapping HLRN libdvrp Client RTSP DVRP 3D-Server WWW Server Metadaten L3S Streaming Server HTTP RTSP DVRP WWW Browser Plug-In Client 3D-Viewer Rendering Präsentation Interaktion URZ 3D-Szenen TCP/IP TCP/IP Abb. 4: Drei netzverteilte Prozesse des DSVR-Visualisierungssystems: 3-D-Generator, 3-D-Server und 3-D-Viewer. DSVR implementiert netzverteilte Module der Visualisierungspipeline (Filter, Mapper, Renderer und Display), wobei bis 2005 die Datenübertragung ausschließlich zwischen 14 Vgl. Meier et al. (2004), Olbrich und Pralle (2001), Olbrich und Pralle (1998), Olbrich und Pralle (1999), Olbrich et al. (2001b), Olbrich et al. (2001a) sowie Olbrich et al. (2002). 15 Ehemals Learning Lab Lower Saxony ( 16 Vgl. Einhorn et al. (2003), Jensen et al. (2002), Jensen et al. (2003a), Jensen et al. (2003b), Jensen (2004), Jensen et al. (2004a), Jensen et al. (2004b) sowie Olbrich und Jensen (2003).

19 EVITA Effiziente Methoden zur Visualisierung in tele-immersiven Anwendungen 613 dem so genannten Visualization Mapping und dem Rendering stattfand (siehe Abb. 4). Im EVITA-Projekt wird die Datenübertragung durch clientseitige Filter und Mapper erweitert. Zu den herausragenden Merkmalen gehören libdvrp: parallele Aufbereitung von gebietszerlegt vorliegenden Ergebnisdaten; Streaming: Erzeugung, Transport und Präsentation von 3-D-Daten im Pipelining; interaktive 3-D-Präsentation und -Navigation: WWW-integrierter Viewer; 17 Computational Steering: Rückkanal zur Steuerung laufender Simulationen. Parallele Datenextraktion libdvrp Der Prozess der Aufbereitung von Simulationsergebnissen in geometrische Beschreibungen von 3-D-Szenen wird als Visualization Mapping bezeichnet. Der Visualisierungsprozess beinhaltet den Transport von Rohdaten zu einem Mapping-Prozess, der auf einem separaten Rechner läuft. Bedingt durch die anfallenden großen Datenmengen besteht an dieser Stelle potenziell ein Engpass in Bezug auf verfügbare Datenkapazität und Übertragungsrate. Außerdem kann der Rechenaufwand für das Mapping so hohe Anforderungen stellen, dass zur zeitnahen Aufbereitung wiederum ein Hoch- bzw. Höchstleistungsrechner verwendet werden müsste. Daher wird in DSVR der Ansatz verfolgt, die Verarbeitung unmittelbar an der Datenquelle durchzuführen. In massiv-parallelen Simulationen kann damit die Aufgabe der Datenextraktion (Filter und Mapper) gemäß der ohnehin vorgenommenen Gebietszerlegung ebenfalls parallelisiert ablaufen. Ein weiterer Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass die aufbereiteten Ergebnisse, die visualisiert werden sollen, ein wesentlich geringeres Datenvolumen aufweisen als die Simulationsergebnisse. Der Ansatz der parallelen Datenextraktion wurde als Bibliothek von Visualisierungsfunktionen implementiert, die eine Schnittstelle zu den Programmiersprachen Fortran oder C besitzt. Die Methoden der libdvrp zur Ausgabe der 3-D-Szenensequenzen (a) erzeugen lokal Daten, (b) übermitteln die Daten an einen ftp-server oder (c) streamen die Daten zu einem speziellen 3-D-Streaming-Server. Zur effizienten Codierung der 3-D-Szenen wurde ein binäres Datenformat DVR entwickelt. Das DVR-Format wurde anhand der folgenden Gesichtspunkte entworfen: möglichst schneller Transport der Daten; möglichst geringer Rechenaufwand bei der Decodierung der Datenströme; möglichst effiziente Unterstützung des 3-D-Renderingprozesses. Über Aufrufe der libdvrp-schnittstelle können diese Daten direkt generiert werden. Damit ergibt sich eine deutliche Leistungssteigerung der gesamten Visualisierungspipeline gegenüber der vorher üblichen Erzeugung und Weiterverarbeitung von Standardformaten zur Beschreibung von 3-D-Szenen wie dem Klartextformat VRML (Virtual Reality Modeling Language). 18 Alternativ können jedoch bei Bedarf auch aus anderen Anwendungen erzeugte VRML-Dateien durch eine separate Software in DVR-Dateien konvertiert werden. 17 Browser-Plug-in oder javabasiert 18 Vgl. ISO/IEC (1999).

20 614 Stephan Olbrich, Nils Jensen und Gabriel Gaus Streaming Zu den Engpässen beim Visualisieren zählt die Latenz beim Erzeugen, bei der Übertragung und beim Einlesen von Zwischendateien. Diese Vorgänge werden optimiert, wenn der Verarbeitungsprozess die Daten by reference bzw. über shared memory übermittelt bekommt oder die Übertragung in einem Datenfluss (Streaming) ohne Zwischenspeicher stattfindet. Die zuletzt genannte Methode ermöglicht auch die zeitlich überlappte Ausführung von gekoppelten Verarbeitungsprozessen. Das hier implementierte 3-D-Streaming-Verfahren arbeitet ähnlich dem Video-Streaming und nutzt das Steuerungsprotokoll RTSP (Real-Time Streaming Protocol). 19 An Stelle der üblichen Pixelbildsequenzen überträgt es jedoch dreidimensionale geometrische Szenenbeschreibungen. Ein spezialisierter 3-D-Streaming-Server stellt Funktionen bereit, um derartige 3-D-Animationen zu speichern und auszuspielen. Entsprechende Client-Funktionalitäten sind im 3-D-Generator (libdvrp) sowie im 3-D-Viewer enthalten. Im Wiedergabemodus stehen aus dem Video-Streaming bekannte Funktionen (Play, Pause, Skip) zur Verfügung. Der Benutzer wird auf der 3-D-Viewer- Seite visuell über den Fortschritt der Wiedergabe der 3-D-Sequenz informiert. Im Fall der Online-Visualisierung, d. h. bei gleichzeitigem Ablauf von Simulationsrechung und Visualisierung, kann zudem der Fortschritt der Simulation abgelesen werden. Wiedergabe und Simulation lassen sich durch die Option track at end synchronisieren (Inter-Stream- Synchronisation). Die maximale Update-Rate wird durch die Transport- und Renderingzeiten begrenzt. Die gewünschte Rate wird in einem Benutzerdialog vorgegeben. Sollte diese Rate nicht erreicht werden, kann der Benutzer per Option zwischen den Alternativen entscheiden, entweder die vollständige Sequenz auf Kosten der Bildrate zu betrachten oder unter Beibehaltung der Intra-Stream-Synchronisation einzelne 3-D-Szenen zu überspringen. Abb. 5: Interaktionsmenü zur Ausspielung von 3-D-Szenensequenzen Interaktive 3-D-Präsentation und -Navigation Der 3-D-Viewer des DSVR-Systems ist als Plug-in zur Einbindung in WWW-Browser ausgelegt. Die Implementierung in C, die auf der 3-D-Grafikbibliothek OpenGL aufsetzt, ermöglicht eine effiziente Multiplattformlösung, mit der unter den Betriebssystemen Microsoft Windows, Linux, SGI Irix, Sun Solaris und HP/UX gute Ergebnisse erzielt wurden. Unterstützt werden auch geräte- und treiberspezifische Erweiterungen, etwa zur Performance-Optimierung, zur Qualitätsverbesserung, zur stereoskopischen Darstellung und zur Mehrflächenprojektion (z. B. Holobench im RRZN, siehe Abb. 6). 19 Vgl. Schulzrinne et al. (1999).

21 EVITA Effiziente Methoden zur Visualisierung in tele-immersiven Anwendungen 615 Abb. 6: Holobench Zweiflächen-3-D-Stereoprojektionstisch am RRZN (je 90 cm x 120 cm, x Pixel). Der 3-D-Polygon-Renderer ist mit einer großen Anzahl von Darstellungsoptionen versehen, die über Pop-up-Menüs jederzeit geändert werden können. Dies betrifft beispielsweise das Rendering von grafischen Grundprimitiven wie Punkten, Linien, Polygonen oder Kugeln. In Abbildung 7 ist gezeigt, wie eine 3-D-Szene aus einer gemeinsam mit dem Institut für Meteorologie und Klimatologie an der Universität Hannover durchgeführten Strömungsvisualisierung mit verschiedenen Verfahren gerendert werden kann. So ist es z. B. möglich, nachträglich die Transparenz von Bahnlinien zu verändern und Halos und Beleuchtung hinzuzufügen. Außerdem können Kugelköpfe von Partikelbahnen mit wählbarer Auflösung als Punkte oder platonische Körper dargestellt werden. Schließlich sind sowohl die Linienstärke als auch die Punktgröße jeweils in Pixel einstellbar. Computational Steering Bei der Betrachtung von Resultaten einer simultan ablaufenden Simulation (Co-Visualization) können Parameter interaktiv verändert werden. Die Spezifikation der steuerbaren Parameter und auch die Auswertung der über den Rückkanal des netzverteilten Simulations- und Visualisierungssystems vermittelten Informationen geschehen im Simulationsprogramm mithilfe der Middleware-Schnittstelle libdvrp. Dafür kommen beliebige Parameter infrage. Darüber hinaus erlaubt dieser Mechanismus eine zeitweilige Unterbrechung der Simulation, z. B. um eine Diskussion über die Zwischenergebnisse zu unterstützen. Ziele und Arbeitsprogramm Ziel von EVITA ist die Untersuchung, Entwicklung und Erprobung leistungsfähiger Techniken zur multimodalen Exploration von Simulationsergebnissen. Die komplexen Ergebnisse numerischer Simulationen, die auf parallelen Rechnerarchitekturen durchgeführt werden, müssen dazu effizient aufbereitet und mittels visueller und haptischer Virtual-

22 616 Stephan Olbrich, Nils Jensen und Gabriel Gaus (a) (b) (c) (d) Abb. 7: Beispiele für den Einsatz verschiedener Renderingoptionen zur Strömungsvisualisierung in der Anwendung Atmosphärische Turbulenz (Simulation einer konvektiven Grenzschicht): (a) Partikelverlagerung mit Kugeln und Bahnlinien als Illuminated Lines dargestellt; (b) Bahnlinien mit nach hinten zunehmender Transparenz dargestellt; (c) Partikel als Punkte (statt der Kugeln) dargestellt; (d) Bahnlinien als Haloed Lines dargestellt. Die Visualisierung der instationären Strömung erfolgte mittels Partikelverlagerung und Bahnlinien (eingefärbt gemäß Temperatur), die Visualisierung der Luftfeuchtigkeit (Wolken) mittels Isosurface. Reality-Präsentations- und Interaktionstechniken möglichst zeitnah und intuitiv dargestellt werden. Das Projekt dient vor allem zur Ergänzung von Projekten, in denen instationäre (d. h. zeitabhängige) Strömungen in hoher Auflösung auf massiv-parallelen Supercomputern simuliert werden. Exemplarisch sind hierzu die Projekte des Instituts für Meteorologie und Klimatologie (z. B. Stadt-LES 20 und Konvektionsorganisation 21, Software: PALM 22 ) 23 sowie des Instituts für Strömungsmechanik ( Strömungssimulation von Hafenbecken 24, Software: Telemac) an der Universität Hannover zu nennen. Dort wurde 20 Hochauflösende Grobstruktursimulationen turbulenter Strömungen im Einflussbereich von Gebäuden unter Berücksichtigung thermischer Effekte (DFG-Zeichen: RA 617/6-1, HLRN-Projektkennung nik00008). 21 Untersuchung physikalischer Mechanismen zur Zellenverbreiterung und Organisation von Konvektion bei Kaltluftausbrüchen mittels hochauflösender Grobstruktursimulationen (DFG-Zeichen: JA 1115/1-1, HLRN- Projektkennung nik00011). 22 Parallel Large-Eddy Simulation Model, Institut für Meteorologie und Klimatologie, Universität Hannover. 23 Vgl. Raasch und Schröter (2001). 24 SEDYMO Modelle für die Feinsedimentdynamik in Hafenbecken (HLRN-Projektkennung nii00006).

23 EVITA Effiziente Methoden zur Visualisierung in tele-immersiven Anwendungen 617 Abb. 8: Interaktionsmenü zur Fernsteuerung der Simulationsrechnung das am RRZN entwickelte DSVR-Visualisierungssystem bereits an vorhandene Simulationssoftware angekoppelt und z. B. zur Erkundung turbulenter Strömungen praktisch eingesetzt. Jedoch sind noch weitere Untersuchungen und Entwicklungen erforderlich, die im Rahmen des Projekts durchgeführt werden. A1 A2 A3 A4 Produktionsmäßiger, möglichst komfortabler Einsatz verschiedener Szenarien zur netzverteilten Simulation und multimodalen Präsentation und Interaktion: a) Batch-Simulation und -Datenextraktion mit asynchroner Präsentation; b) Online-Präsentation gemäß Fortschritt der Simulationsrechnung; c) interaktive Simulation und Präsentation, einschließlich der Simulationssteuerung. Hohe Skalierbarkeit der Simulationsanwendung hinsichtlich Prozessoranzahl, Gitterauflösung und Zeitschrittanzahl bei möglichst geringer Belastung des Simulationsprozesses durch die Aufbereitung für die multimodale Präsentation. Möglichst hoher Automatisierungsgrad der Datenextraktion für Volumen- und Strömungsdaten aufgrund der meist als Batch-Prozess (siehe A1 a)) ablaufenden Simulation. Unterstützung verschiedenartiger Datentypen, Gitterformen und Gebietszerlegungen. Übersicht 1: Anforderungen im Projektkontext Die Anforderungen A1 bis A4 stellen den Ausgangspunkt für die vorgesehenen Arbeiten dar: Untersuchungen zur visuellen und haptischen Darstellung in einem verteilten System: Ergänzung durch komplexe, zeitabhängige haptische Präsentationen; optimierte Codierung und Übertragung visueller und haptischer Repräsentationen; flexible Anpassung an Kommunikationsplattformen bis hin zur Offline-Nutzung; effiziente Algorithmen zur Aufbereitung gebietszerlegt vorliegender Daten: parallelisierte Isosurface-Extraktion mit integrierter Polygonsimplifizierung; 25 Direct Volume Rendering für Skalardaten auf nicht-äquidistanten Gittern; neuartige Ansätze zur Strömungsvisualisierung durch Liniendarstellungen. 25 Vgl. Jensen et al. (2003b).

24 618 Stephan Olbrich, Nils Jensen und Gabriel Gaus Die zu erwartenden Ergebnisse dieses Projekts sind: 26 Erkenntnisse bezüglich des Skalierungsverhaltens gekoppelter hochaufgelöster Simulations- und Visualisierungsanwendungen auf massiv-parallelen Rechnern; Studien zur Untersuchung und Entwicklung neuer Algorithmen zur Datenextraktion und -visualisierung hochaufgelöster, zeitabhängiger Skalar- und Vektorfelder; Programmpaket und Dokumentation zur anwendungs- und plattformübergreifenden Unterstützung von massiv-parallelen Simulations- und Visualisierungsumgebungen; 3-D-Animationen aus Ergebnissen von Simulationsläufen, die im Rahmen der geplanten gekoppelten Anwendungen erstellt werden. Wissenschaftliche Integration Bezüglich der Forschung, Entwicklung und Anwendung im Visualisierungsbereich bestehen bereits seit längerer Zeit Kontakte zwischen der Arbeitsgruppe und weiteren deutschen (z. B. im Deutschen Klimarechenzentrum (DKRZ), Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS), Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Berlin (ZIB)) und internationalen Visualisierungsgruppen. So wurde gemeinsam mit dem ZIB das vom BMBF geförderte DFN-Projekt Anwendung der Tele-Immersion in Weitverkehrsnetzen ( ) durchgeführt. 27 Darin wurden die Grundlagen für das DFG-Projekt EVITA sowie das HLRN-Großprojekt EVITA gelegt. EVITA wird am Forschungszentrum L3S und am Rechenzentrum der Heinrich-Heine- Universität Düsseldorf durchgeführt. Das L3S ist eine Zentrale Einrichtung der Universität Hannover und auf dem Gebiet innovativer Informations-, Lern- und Wissenstechnologien international vernetzt. Die Arbeitsgruppe arbeitet seit vielen Jahren mit verschiedenen Instituten zusammen, die den bisherigen Stand der entwickelten Visualisierungsansätze bereits im Rahmen der Erprobung sowie auch im Produktionsbetrieb angewandt haben. Dazu zählt vor allem die Arbeitsgruppe von PD Dr. Siegfried Raasch im Institut für Meteorologie und Klimatologie (IMUK) an der Universität Hannover. Das bisher größte Szenario, das mit dem am IMUK entwickelten PALM gerechnet wurde, hat eine Dimension von x x 500 Gitterpunkten und lief auf 192 CPUs einer NEC-SX6 am Deutschen Klimarechenzentrum (DKRZ). PALM wird auch in internationalen Kooperationen (z. B. Japan, Korea) entwickelt und genutzt. Daher besteht weitreichendes Interesse an der DSVR-Software zur Visualisierung von Ergebnissen aus PALM. Ressourcenbedarf auf dem HLRN-Rechner Im Rahmen der Entwicklungen, Skalierungstests und Parameterstudien sowohl Simulations- als auch Visualisierungsparameter werden auf dem HLRN-Rechner im Wesentlichen zwei verschiedene PALM-Szenarien mit unterschiedlichen Auflösungen und Simulationsbedingungen als Datenquelle für die Visualisierung atmosphärischer turbulenter Konvektionsströmungen verwendet: 26 Der Begriff der Visualisierung steht hier für die verallgemeinerte multimodale Präsentation (visuell und haptisch). 27 Vgl. Meier et al. (2004).

25 EVITA Effiziente Methoden zur Visualisierung in tele-immersiven Anwendungen 619 (a) Small_cbl_p3d: 80 x 80 x 50 Gitterpunkte, 300 bis Zeitschritte, bis zu acht CPUs, ca. 150 MB Hauptspeicher; (b) Large_cbl_p3d: x x 96 Gitterpunkte, Zeitschritte, bis zu 128 CPUs, ca. 150 GB Hauptspeicher, ca. 40 NPL 28 Rechenzeitbedarf. Obige Abschätzung ergibt sich aus Erfahrungen mit bereits durchgeführten Rechnungen im Rahmen von HLRN-Großprojekten des Instituts für Meteorologie und Klimatologie, z. B. nik00008 und nik Der Rechenaufwand unter Einbindung der Visualisierungssoftware liegt dabei etwas über dem für die reine Simulation. 29 Szenario (a) dient zur Weiterentwicklung der Visualisierungssoftware DSVR sowie zum grundlegenden Testen von Funktionalitäten. Szenario (b) dient zur Erfassung des Skalierungsverhaltens des gekoppelten PALM/DSVR-Systems hinsichtlich der rechnerbezogenen Aspekte CPU-Bedarf, Kommunikationsanteil und Effizienz bzw. Speed-up sowie der auf die Visualisierung bezogenen Aspekte, wie die Variation des Iso-Oberflächenschwellwerts oder die Bewertung verschiedener Polygonreduktions- und Strömungsvisualisierungsverfahren. Eine hohe örtliche und zeitliche Szenenauflösung ist dabei nicht nur für korrekte Simulationsergebnisse, sondern ebenso für eine Visualisierung in guter Qualität mit interaktiver Wahl der Perspektive und exakter Beurteilungsmöglichkeit des Modellverhaltens von Bedeutung. Eine flüssig ablaufende Darstellung einer Simulation erfordert ca. 25 Bilder pro Sekunde; damit ergibt sich ein Bedarf von Zeitschritten, um etwa eine Minute Präsentation zu ermöglichen. Besonders zu Beginn einer Simulation ist in der Regel von einer Visualisierung der Daten keine nennenswerte Information zu erwarten, da sich Turbulenzen, Strömungen und Temperaturverteilungen erst noch ausbilden müssen. Daher wird die Möglichkeit genutzt, zunächst einige vollständige Simulationsläufe durchzuführen und deren Ergebnisse als Ausgangsszenarien für die Parameterstudien zu nutzen. Aufgrund der großen Datenmengen ist ein Kompromiss zwischen Rechenzeit und Speicherkapazität erforderlich. Da die Visualisierungssoftware aus Effizienzgründen sehr eng in die Berechnungsläufe eingebunden ist, ist es erforderlich, die Simulation von einem Startpunkt aus jeweils neu zu berechnen. Einer der wesentlichen Gründe dafür ist, dass eine vollständige Speicherung der PALM-Ergebnisdaten aufgrund der großen Datenvolumina 30 und den daraus folgenden Engpässen in Bezug auf Datenkapazitäten und Datenraten konzeptionell ausgeschlossen ist. Literatur AHRENS, J., K. BRISLAWN, K. MARTIN, B. GEVECI, C. C. LAW und M. PAPKA. Large-Scale Data Visualization Using Parallel Data Streaming, IEEE Computer Graphics and Applications 21(4) (2001), Norddeutsche Parallelrechner-Leistungseinheit, Abrechnungseinheit des HLRN-Systems (IBM p690). 1 NPL: Gesamtleistung eines Rechenknotens (bestehend aus 32 Prozessoren vom Typ Power 4 mit 1,3 GHz) während einer Stunde. 29 Vgl. Olbrich et al. (2001b). 30 Szenario (b): 23 Variablen x 8 Byte/Variable x x x 96 Gitterpunkte x Zeitschritte = 240 Terabyte.

26 620 Stephan Olbrich, Nils Jensen und Gabriel Gaus EINHORN, R., N. JENSEN, S. OLBRICH und K. CHMIELEWSKI. Aufbau und Entwicklung von Multimedia-Infrastrukturen und -Services für innovative E-Learning-Anwendungen, in: J. VON KNOP, W. HAVERKAMP und E. JESSEN (Hrsg.). Security, E-Learning, E-Services. 17. DFN-Arbeitstagung über Kommunikationsnetze, Düsseldorf. Bonn 2003, (GI-Edition. Lecture Notes in Informatics) ISO/IEC Information Technology Coding of audio-visual objects, Part 1: Systems JENSEN, N., S. OLBRICH, H. PRALLE und S. RAASCH. An Efficient System for Collaboration in Tele-Immersive Environments. 4 th Eurographics Workshop on Parallel Graphics and Visualization, Blaubeuren, Germany, , in: D. BARTZ, X. PUEYO und E. REINHARD (Hrsg.). Parallel Graphics and Visualization. New York 2002, JENSEN, N., S. SEIPEL, W. NEJDL und S. OLBRICH. CoVASE Collaborative Visualization for Constructuvist Learning. CSCL th International Conference on Computer Support for Collaborative Learning , Bergen, Norway, in: B. WASSON, S. LUDVIGSEN und U. HOPPE (Hrsg.). Designing for Change in Networked Learning Environments. Dordrecht u. a JENSEN, N., S. SEIPEL, G. VON VOIGT, S. RAASCH, S. OLBRICH, K. CHMIELEWSKI, R. EINHORN und W. NEJDL. Heuristic Evaluation of a Virtual Lab System. Technical Report L3S Q VASE 3, L3S. Universität Hannover JENSEN, N. Supporting Experiential Learning in Virtual Laboratories. German Online Research Conference. Duisburg JENSEN, N., S. SEIPEL, G. VON VOIGT, S. RAASCH, S. OLBRICH und W. NEJDL. Development of a Virtual Laboratory System for Science Education and the Study of Collaborative Action, in: Lorenzo CANTONI und Catherine MCLOUGHLIN (Hrsg.). Proceedings of the AACE World Conference on Educational Multimedia, Hypermedia & Telecommunications (ED-MEDIA 2004). Lugano 2004a, JENSEN, N., G. VON VOIGT, W. NEJDL und S. OLBRICH. Development of a Virtual Laboratory System for Science Education, Interactive Multimedia Electronic Journal of Computerenhanced Learning 6(2) (2004b). ( ). MEIER, K., C. HOLZKNECHT, S. KABELAC, S. OLBRICH und K. CHMIELEWSKI. 3D Visualization of Molecular Simulations in High-Performance Parallel Computing Environments, Molecular Simulation 30(7) (2004), OLBRICH, S. und H. PRALLE. High-Performance Online Presentation of Complex 3D Scenes, in: H. R. VAN AS (Hrsg.). IFIP International Conference on High Performance Networking (HPN 98), Vienna, Austria, September Dordrecht u. a. 1998, OLBRICH, S. und H. PRALLE. Virtual reality movies real-time streaming of 3D objects, Computer Networks The Challenge of Gigabit Networking. Selected papers from the TERENA- NORDUnet Networking Conference 1999, June 7-10, 1999, Lund, Sweden). Bd. 31, Nr. 21. Amsterdam u. a. 1999, OLBRICH, S. und H. PRALLE. A Tele-Immersive, Virtual Laboratory Approach based on Real-Time Streaming of 3D Scene Sequences. Proceedings of ACM Multimedia Conference Ottawa OLBRICH, S., H. PRALLE, S. RAASCH und K. MEIER. Tele-Immersive Visualisierung mittels 3D- Streamingverfahren im Gigabit-Wissenschaftsnetz, DFN-Mitteilungen 57 (2001a), OLBRICH, S., H. PRALLE und S. RAASCH. Using Streaming and Parallelization Techniques for 3D Visualization in a High-Performance Computing and Networking Environment. HPCN 2001 International Conference on High Performance Computing and Networking Europe, Amsterdam, Netherlands, In: LNCS. Bd Berlin u. a. 2001b,

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28 ISBN