Partikelvisualisierung

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1 Partikelvisualisierung Visualisierung großer Datensätze Oleg Martin 12. Mai 2011

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Was ist Datenvisualisierung? Ziele der Partikelvisualisierung Geschichtliche Entwicklung Visualisierungstechniken im Überblick 2. Visualisierungstechniken für Partikel Direkte Partikelvisualisierung Raycasting Grundlagen GPU-Raycasting Komplexe Partikelvisualisierung Glyphen als Grundlage GPU-Beschleunigte Partikelvisualisierung mit Glyphen 3. Performance Optimierungen beider Verfahren 4. Ausblick 2

3 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Was ist Datenvisualisierung? Ziele der Partikelvisualisierung Geschichtliche Entwicklung Visualisierungstechniken im Überblick 2. Visualisierungstechniken für Partikel Direkte Partikelvisualisierung Raycasting Grundlagen GPU-Raycasting Komplexe Partikelvisualisierung Glyphen als Grundlage GPU-Beschleunigte Partikelvisualisierung mit Glyphen 3. Performance Optimierungen beider Verfahren 4. Ausblick 3

4 Einführung Was ist Datenvisualisierung? Enorme Datenmengen seit Supercomputer Simulationen auf Molekularebene immer wichtiger Medizin, Chemie, Meteorologie, Fahrzeugbau Traditionelle Präsentation der Daten nicht effizient genug Lösung: Die Erzeugung einer visuellen Repräsentation = Visualisierung 4

5 Einführung Was ist Datenvisualisierung? Eine gute Definition: Visualization is a method of computing. It transforms the symbolic into the geometric, enabling researchers to observe their simulations and computations. Visualization offers a method for seeing the unseen. It enriches the process of scientific discovery and fosters profound and unexpected insights. In many fields it is already revolutionizing the way scientists do science. B. McCormick, T. DeFanti, M. Brown, Visualization in Scientific Computing, ACM SIGGRAPH 1987 Beispiele für Datenvisualisierung: Wetterkarten Moleküldarstellung (Dipole etc.) Proteindarstellung Straßenkarten, Verkehrsanalyse Materialdarstellung CT Scan, MRT Scan, PET Scan, etc. 5

6 Einführung Was ist Datenvisualisierung? Klimavisualisierung Visualisierung des Systems Aluminium/Aluminiumoxid Visualisierung des Verkehrs in Dallas Visualisierung eines porösen Materials mit Partikeln Seitliche MRT-Aufnahme eines menschlichen Kopfes 6

7 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Was ist Datenvisualisierung? Ziele der Partikelvisualisierung Geschichtliche Entwicklung Visualisierungstechniken im Überblick 2. Visualisierungstechniken für Partikel Direkte Partikelvisualisierung Raycasting Grundlagen GPU-Raycasting Komplexe Partikelvisualisierung Glyphen als Grundlage GPU-Beschleunigte Partikelvisualisierung mit Glyphen 3. Performance Optimierungen beider Verfahren 4. Ausblick 7

8 Einführung Ziele der Partikelvisualisierung Handhaben von sehr großen Datenmengen Extrahierung von Information Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse Nicht offensichtliches sichtbar machen Analyse partikelbasierter Materialien durch Visualisierung Interaktive Arbeit mit großen Datenmengen Partikelsysteme dem menschlichen visuellen System angemessen darstellen The purpose of computing is insight, not numbers. Richard Wesley Hamming ( ), amer. Mathematiker 8

9 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Was ist Datenvisualisierung? Ziele der Partikelvisualisierung Geschichtliche Entwicklung Visualisierungstechniken im Überblick 2. Visualisierungstechniken für Partikel Direkte Partikelvisualisierung Raycasting Grundlagen GPU-Raycasting Komplexe Partikelvisualisierung Glyphen als Grundlage GPU-Beschleunigte Partikelvisualisierung mit Glyphen 3. Performance Optimierungen beider Verfahren 4. Ausblick 9

10 Einführung Geschichtliche Entwicklung Bis 1976: Schattendasein der Visualisierung Meteorologische Karten zweidimensionale Graphen keine exakte Visualisierung partikelbasierter Materialien 1977 bis 1987: Erste spezialisierte Visualisierungsanwendungen Luft- und Raumfahrt, Medizin -> enorme Mengen von Messdaten Entwicklung von 3D Computergrafik Erste Partikelvisualisierungen möglich Erstes Teilchensystem, 1982/83, Bill Reeves, Star Trek 2: The Wrath of Khan 10

11 Einführung Geschichtliche Entwicklung Ab 1987: Datenvisualisierung als eigenes Forschungsgebiet Computersimulationen schaffen Zugang zu neuen Welten Reale Experimente werden zu teuer oder zu gefährlich Raumakustik Simulation, Ausbreitung von Hall, ITA RWTH Aachen Seit 2003: Hardwarebeschleunigte Datenvisualisierung GPU-beschleunigte Partikelvisualisierung -> Anwendung auf Desktop Systemen möglich Molekulardynamiksimulation aus dem Bereich der Thermodynamik. Die Moleküle werden durch komplexe Glyphen repräsentiert. 11

12 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Was ist Datenvisualisierung? Ziele der Partikelvisualisierung Geschichtliche Entwicklung Visualisierungstechniken im Überblick 2. Visualisierungstechniken für Partikel Direkte Partikelvisualisierung Raycasting Grundlagen GPU-Raycasting Komplexe Partikelvisualisierung Glyphen als Grundlage GPU-Beschleunigte Partikelvisualisierung mit Glyphen 3. Performance Optimierungen beider Verfahren 4. Ausblick 12

13 Einführung Visualisierungstechniken im Überblick Einordnung in die Visualisierungs-Pipeline Bis hier her alles reine Zahlen Das Mapping der Daten auf visuelle Objekte ist wichtigster Teil der Visualisierung 13

14 Einführung Visualisierungstechniken im Überblick Es existieren viele Mapping-Ansätze Abhängigkeit von der Art der Daten Beispiele: Geometrisches Mapping (Punkt-, Linien-, Kurven-, Balkendiagramme) Mapping auf Formobjekte (Isolinien, Isoflächen, Funktionsgraphen) Mapping auf Farben Mapping auf Texturen Kombiniertes Mapping Komplexes Mapping (Partikelvisualisierung mit Glyphen) 14

15 Einführung Visualisierungstechniken im Überblick Geometrisches Mapping Mapping auf Formobjekte Komplexes Mapping 15

16 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Was ist Datenvisualisierung? Ziele der Partikelvisualisierung Geschichtliche Entwicklung Visualisierungstechniken im Überblick 2. Visualisierungstechniken für Partikel Direkte Partikelvisualisierung Raycasting Grundlagen GPU-Raycasting Komplexe Partikelvisualisierung Glyphen als Grundlage GPU-Beschleunigte Partikelvisualisierung mit Glyphen 3. Performance Optimierungen beider Verfahren 4. Ausblick 16

17 Direkte Partikelvisualisierung Raycasting Grundlagen Ziel ist möglichst effizient viele Partikel im Bild darzustellen Diskrete Elemente sind Partikel Partikeldaten: Masse, Geschwindigkeit, etc. Bei vielen Partikeln tragen nicht alle zum Bild bei -> nicht rendern Zwei mögliche Rendering-Ansätze für Partikel: Volumen-basiertes Raycasting Glyph-basiertes Raycasting Beides bildraumorientierte Verfahren (angewandt pro Pixel) 17

18 Direkte Partikelvisualisierung Raycasting Grundlagen Volumen-basiertes Raycasting Direkte Partikelvisualisierung mit Volumen-Rendering Theoretische Grundlage ist die Volumen-Rendering-Gleichung (VRG) Beschreibt Ausbreitung von Licht durch Volumen Aus Partikeldaten auf Voxel-Gitter wird Volumen generiert Partikel absorbieren, emittierenden Licht Rendering der Partikel durch Raycasting des Volumens -> Nummerische Lösung der VRG Abtastung des Voxel-Gitters 18

19 Direkte Partikelvisualisierung Raycasting Grundlagen Glyph-basiertes Raycasting Einfachste Möglichkeit Partikeldaten zu visualisieren Partikel als geom. Primitive (Glyphen) Strahlen werden aus Bildebene in Szene gesendet Lokales Ray-Tracing ohne Sekundärstrahlen Direkte Schnittpunktberechnung zw. Augstrahl und Objekt in Szene Auswertung der Rendering-Gleichung -> Darstellung der Szene 19

20 Direkte Partikelvisualisierung Raycasting Grundlagen Beide Verfahren ermöglichen hohe Bildqualität Sehr langsam auf CPU bei vielen Partikeldaten Keine interaktives Rendering möglich auf CPU Glyph-basierte Visualisierung -> Darstellung von feinen Details und gesamten Struktur der Partikeldaten Strahlen können unabhängig voneinander behandelt werden Dies führt auf GPU-beschleunigtes Raycasting 20

21 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Was ist Datenvisualisierung? Ziele der Partikelvisualisierung Geschichtliche Entwicklung Visualisierungstechniken im Überblick 2. Visualisierungstechniken für Partikel Direkte Partikelvisualisierung Raycasting Grundlagen GPU-Raycasting Komplexe Partikelvisualisierung Glyphen als Grundlage GPU-Beschleunigte Partikelvisualisierung mit Glyphen 3. Performance Optimierungen beider Verfahren 4. Ausblick 21

22 Direkte Partikelvisualisierung GPU-Raycasting Erst seit Entwicklung von GPGPU möglich Hohe Parallelität des Raycasting Verfahrens -> GPU-Einsatz Korrespondenz von Raycasting-Strahl mit Bild-Fragment durch GPU-Fragment-Verarbeitung effizient hergestellt Flaschenhals zwischen CPU und GPU wird vermieden Mögliche Rendering-Ansätze: Volumen-basiertes GPU-Raycasting Glyph-basiertes GPU-Raycasting 22

23 Direkte Partikelvisualisierung GPU-Raycasting Glyph-basiertes GPU-Raycasting Ab Fragment-Shader 3.0 realisierbar (Bsp. GeForce 6xxx oder höher) Partikeldaten (Position, Radius, Farbe, komplexe Form etc.) werden an GPU übermittelt -> verschiedene Ansätze möglich Erzeugung von geom. Primitiven (z.b. Kugel, etc.) aus Partikeldaten Raycasting der Szene im Fragment-Shader pro Pixel Pro Raycasting Strahl pro Fragment-Shader berechnet: Transf. Kamera-, Lichtposition, Primitiv-Parameter an Fragment-Shader Direkte Schnittpunktberechnung zw. Augstrahl und Objekten in Szene Beleuchtung (shading) 23

24 Direkte Partikelvisualisierung GPU-Raycasting Ermöglicht hohe Bildqualität Schnell bei sehr vielen Partikeldaten Interaktives Rendering möglich Strahlen auf bis zu 2 x 512 Shadern parallel bearbeitet (GTX 590) Abhängigkeit von Größe der Partikel im Objektraum Bei weiniger Partikeln langsamer als andere Verfahren 24

25 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Was ist Datenvisualisierung? Ziele der Partikelvisualisierung Geschichtliche Entwicklung Visualisierungstechniken im Überblick 2. Visualisierungstechniken für Partikel Direkte Partikelvisualisierung Raycasting Grundlagen GPU-Raycasting Komplexe Partikelvisualisierung Glyphen als Grundlage GPU-Beschleunigte Partikelvisualisierung mit Glyphen 3. Performance Optimierungen beider Verfahren 4. Ausblick 25

26 Komplexe Partikelvisualisierung Glyphen als Grundlage Was sind Glyphen? Symbolische Formen (Pfeile, etc.) Einfache geom. Primitive (Kugeln, Zylinder, etc.) Zusammengesetzte geom. Primitive (Dipol-Moleküle, etc.) Grafische Attribute für Grunddesign von Glyphen Räumliche Position und Orientierung Form und Farbe Oberflächentextur Mapping von Daten auf komplexe Formen mit Glyphen möglich Für Partikelvisualisierung werden einfache oder komplexe geom. Primitive (z.b. Dipole) verwendet 26

27 Komplexe Partikelvisualisierung Glyphen als Grundlage Beispiele Stick-figure icons [Picket & Grinstein 88] Chernoff faces/icons [H. Chernoff (1973). The use of faces to represent points in k- dimensional space graphically.] Dipol-Glyphen [Synthetic data set consisting of 200,000 dipoles.] 27

28 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Was ist Datenvisualisierung? Ziele der Partikelvisualisierung Geschichtliche Entwicklung Visualisierungstechniken im Überblick 2. Visualisierungstechniken für Partikel Direkte Partikelvisualisierung Raycasting Grundlagen GPU-Raycasting Komplexe Partikelvisualisierung Glyphen als Grundlage GPU-Beschleunigte Partikelvisualisierung mit Glyphen 3. Performance Optimierungen beider Verfahren 4. Ausblick 28

29 Komplexe Partikelvisualisierung GPU-Beschleunigte Partikelvisualisierung mit Glyphen Effizientes Rendering komplexer Repräsentationen von Partikeldaten Seit Entwicklung von GPGPU möglich -> programmierbare Vertex-, Geometry-, Fragment-Shader Konkurrenzfähig mit interaktiven Ray-Tracing Systemen Komplex zusammengesetzte geom. Primitive als ein Partikel Idee: Beispiel komplexer Glyphen Übertragung sehr vieler Partikeldaten von CPU zu GPU Wenige Parameter pro Partikel Direkte Erzeugung von komplexen Partikelglyphen auf der GPU Schnelles Rendering der Szene mit GPU-Raycasting 29

30 Komplexe Partikelvisualisierung GPU-Beschleunigte Partikelvisualisierung mit Glyphen Mögliche Rendering/Upload-Ansätze auf GPU: Point Sprite Rendering mit sw. Beschleunigungsverfahren Direktes Vertex-basiertes Verfahren Vertex-basierte Polygon-Netz Verfahren mit Vertex-Buffer-Objects (VBOs) Vertex-basierte Polygon-Netz Verfahren mit Geometry-Shadern Alle Verfahren haben gleiches Rendering-Resultat Unterschiede bei Partikeldaten-Upload, GPU-Verarbeitung 30

31 Komplexe Partikelvisualisierung GPU-Beschleunigte Partikelvisualisierung mit Glyphen Point Sprite Rendering GPU erhält einzelnen Vertex (Partikel) Vertex-Attribute enthalten Glyph-Parameter Point Sprite (Textur) wird gezeichnet OpenGL Occlusion Culling wird angewendet Direktes Vertex-basiertes Verfahren GPU erhält einzelnen Vertex (Partikel) GPU erhält einfachen Vertex/Geometry-Shader Vertex/Geometry-Shader zeichnet Glyph (boundig-box) 31

32 Komplexe Partikelvisualisierung GPU-Beschleunigte Partikelvisualisierung mit Glyphen Vertex-basierte Polygon-Netz Verfahren mit VBOs GPU erhält Glyph-Beschreibung als Menge von Vertices in VBO GPU erhält Transf.-Beschreibung des Glyphs als Textur Vertex-Shader zeichnet transf. Glyph aus Textur und VBO Vertex-basierte Polygon-Netz Verfahren mit Geometry-Shadern GPU erhält eine Menge Vertices in VBO GPU erhält Geometry-Shader pro geom. Primitiv Geometry-Shader zeichnen entsprechend komplexes Glyph 32

33 Komplexe Partikelvisualisierung GPU-Beschleunigte Partikelvisualisierung mit Glyphen Performance Vergleich Performance Unterschiede abhängig von Partikelanzahl Interaktivität erfordert Optimierung von Datentransfer zwischen CPU und GPU -> Die FPS Performance für großen Datensatz aus komplexen Glyphen. 33

34 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Was ist Datenvisualisierung? Ziele der Partikelvisualisierung Geschichtliche Entwicklung Visualisierungstechniken im Überblick 2. Visualisierungstechniken für Partikel Direkte Partikelvisualisierung Raycasting Grundlagen GPU-Raycasting Komplexe Partikelvisualisierung Glyphen als Grundlage GPU-Beschleunigte Partikelvisualisierung mit Glyphen 3. Performance Optimierungen beider Verfahren 4. Ausblick 34

35 Performance Optimierungen beider Verfahren GPU-Raycasting Beschleunigung der Schnittpunkt Berechnung Weniger Schnittberechnungen durch Raumunterteilung Adaptive Raumunterteilung Bounding-Volume-Hierarchien Octree, BSP oder kd-baum Schnellere Schnittalgorithmen -> wenig Spielraum GPU-Beschleunigte Partikelvisualisierung mit Glyphen Softwarebasierte Beschleunigungsverfahren (Culling) in Shadern Multi-Pass Fragment Verarbeitung Bessere Vertex/Geometry-Shader Implementierung Wiederverwendung der Daten im GPU-Texturspeicher 35

36 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Was ist Datenvisualisierung? Ziele der Partikelvisualisierung Geschichtliche Entwicklung Visualisierungstechniken im Überblick 2. Visualisierungstechniken für Partikel Direkte Partikelvisualisierung Raycasting Grundlagen GPU-Raycasting Komplexe Partikelvisualisierung Glyphen als Grundlage GPU-Beschleunigte Partikelvisualisierung mit Glyphen 3. Performance Optimierungen beider Verfahren 4. Ausblick 36

37 Ausblick Stetige Weiterentwicklung von GPUs -> mehr Geschwindigkeit Zunehmende Programmierbarkeit der Rendering-Pipeline ermöglicht komplexere Glyphen-Darstellung Weiterhin starke Hardware-Abhängigkeit Interaktive Partikelvisualisierung wird Standard Qualitativ hohe Visualisierungen werden erschwinglicher 37

38 Partikelvisualisierung Fragen? 38