Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Beleuchtungsmethode verbessert Qualität von Visualisierungen

03.04.2012
Von Computerspielen in die Wissenschaft

Simulationen sind aus vielen Bereichen in Forschung, Industrie oder der Medizin nicht mehr wegzudenken. Die Menge der Daten und ihre Komplexität steigt, und die Betrachtungszeiträume werden länger. Daher ist es ist eine große Herausforderung, Prozesse möglichst realistisch zu untersuchen, ohne die verfügbaren Rechenleistungen zu sprengen.


Visualisierung eines Virus mit 220.000 Atomen. Links: klassische Beleuchtung in Echtzeitcomputergrafik. Rechts: die Beleuchtung mit Ambient Occlusion macht die Oberflächenstruktur erheblich besser sichtbar. Universität Stuttgart/SFB 716


Ein Laser sprengt Atome aus einem Aluminium-Block. Links: klassische Beleuchtung. Rechts: die Beleuchtung mit Ambient Occlusion stellt den Krater entsprechend seiner Form und Tiefe dar und ermöglicht es, die Struktur besser zu erkennen. Universität Stuttgart/SFB 716

Wissenschaftler des Visualisierungsinstitutes der Universität Stuttgart haben nun im Rahmen des Sonderforschungsbereiches (SFB) 716 ein Verfahren entwickelt, das die Qualität virtueller Bilder erheblich verbessert und gleichzeitig schnell genug ist, um komplexe, dynamische Simulationen effizient auf handelsüblichen Computern zu analysieren. Hierzu machen sie sich eine Beleuchtungs-Methodik zu Nutze, die von Computerspielen bekannt ist.

Wann bricht Metall unter mechanischen oder thermischen Belastungen? Unter welchen Bedingungen binden sich Fette an Waschmittel? Wann nutzen sich Verschleißteile einer hydraulischen Maschine ab? Simulationen ermöglichen es, diese Fragen zu beantworten und Prozesse zu optimieren, bei denen Experimente nicht oder nur mit unverhältnismäßigem Aufwand durchführbar sind. Voraussetzung für eine effektive Analyse ist jedoch eine hohe Bildqualität. Dazu gehört eine optimale Beleuchtung. Doch das ist einfacher gesagt als getan: Die auszuwertenden Datensätze erreichen viele Gigabyte und enthalten oft mehrere Millionen Partikel pro Zeitschritt. Eine lange Beobachtungsdauer potenziert die zu verarbeitende Informationsflut zusätzlich.

Realistische Bilder auf handelsüblichen Rechnern

Beleuchtungs-Modelle der klassischen Echtzeitcomputergrafik sind für solche umfangreichen Simulationen nicht geeignet. Die Beleuchtung photometrisch exakt zu berechnen, sprengt dagegen schnell die verfügbare Rechenkapazität und verlängert den Analyseprozess unnötig. Auf der Suche nach Alternativen haben Forscher des SFB 716 nun eine aus der Computergrafik bekannte Methodik auf wissenschaftliche Darstellungen übertragen. Mit dem sogenannten „Ambient Occlusion Verfahren“ werden üblicherweise Szenen für Computerspiele berechnet. Die Darstellungsqualität von Daten aus Partikelsimulationen hat sich dadurch enorm verbessert. „Was man sieht, ist zwar physikalisch nicht ganz korrekt, aber der Eindruck ist mit einer realen Beleuchtungssituation vergleichbar. Zudem ist das Verfahren schnell genug, um die Visualisierungen auf handelsüblichen Rechnern zu berechnen“, beschreibt Sebastian Grottel seine gemeinsam mit Kollegen entwickelte Arbeit.

Von Medizin bis Materialbearbeitung

Erste Anwendung fand die Methode bei der Untersuchung von sogenannten Laserablationen, dem Abtragen von Material mit Laserstrahlen. Dieses Verfahren wird unter anderem in der minimalinvasiven Chirurgie oder bei der Behandlung von Hauterkrankungen eingesetzt, aber auch in verschiedenen Sparten der Materialbearbeitung, so bei Gravierungen auf mikroskopischer Skala, Reinigungs- oder Beschichtungsprozessen. Dabei kommt es zu Wechselwirkungen zwischen verdampftem Material und dem Laserstrahl, was dazu führt, dass ein Teil der winzig kleinen abgetragenen Teilchen die Materialoberfläche beeinträchtigt. Mit dem neuen Beleuchtungsverfahren können die Wissenschaftler diese Prozesse leichter analysieren, da sich die Tiefe der entstandenen Krater sowie die Menge und Größe des ausgeschleuderten Materials wesentlich besser einschätzen lassen.

Ebenso profitieren Biochemiker und Pharmazeuten von dieser Methodik: Denn um Medikamente zu entwickeln und verbessern, sind konkrete Informationen zu Oberfläche und Form von Makromolekülen wie Proteine, Viren und Bakterien erforderlich. Beispielsweise müssen reagierende Antikörper nicht nur in ihrer chemischen Zusammensetzung, sondern auch durch ihre Form wie ein Puzzleteil exakt an die Oberfläche eines Virus passen. Solche Informationen sind nun wesentlich detaillierter und präziser zu erkennen. Das Verfahren wurde im März auf der internationalen Visualisierungskonferenz Pacific VIS 2012 in Songdo in Korea vorgestellt. Langfristig wird es in umfangreiche Visualisierungssoftware-pakete integriert, so dass Wissenschaftler und Ingenieure an Universitäten und in der Industrie zur Auswertung von Simulationsdaten darauf zugreifen können.

Weitere Informationen bei Tina Barthelmes, Universität Stuttgart, Sonderforschungsbereich 716 (Dynamische Simulation von Systemen mit großen Teilchenzahlen), Tel. 0711/685-88604, e-mail: tina.barthelmes@sfb716.uni-stuttgart.de, http://www.sfb716.uni-stuttgart.de

Originalveröffentlichung:
Grottel, Sebastian; Krone, Michael; Scharnowski, Katrin; Ertl, Thomas: Object-Space Ambient Occlusion for Molecular Dynamics.

In: Proceedings of IEEE Pacific Visualization Symposium 2012 (2012)

Andrea Mayer-Grenu | idw
Weitere Informationen:
http://www.sfb716.uni-stuttgart.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Neue Sensortechnik für E-Auto-Batterien
08.12.2016 | Ruhr-Universität Bochum

nachricht Siliziumsolarzelle des ISFH erzielt 25% Wirkungsgrad mit passivierenden POLO Kontakten
08.12.2016 | Institut für Solarenergieforschung GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Elektronenautobahn im Kristall

Physiker der Universität Würzburg haben an einer bestimmten Form topologischer Isolatoren eine überraschende Entdeckung gemacht. Die Erklärung für den Effekt findet sich in der Struktur der verwendeten Materialien. Ihre Arbeit haben die Forscher jetzt in Science veröffentlicht.

Sie sind das derzeit „heißeste Eisen“ der Physik, wie die Neue Zürcher Zeitung schreibt: topologische Isolatoren. Ihre Bedeutung wurde erst vor wenigen Wochen...

Im Focus: Electron highway inside crystal

Physicists of the University of Würzburg have made an astonishing discovery in a specific type of topological insulators. The effect is due to the structure of the materials used. The researchers have now published their work in the journal Science.

Topological insulators are currently the hot topic in physics according to the newspaper Neue Zürcher Zeitung. Only a few weeks ago, their importance was...

Im Focus: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochgenaue Versuchsstände für dynamisch belastete Komponenten – Workshop zeigt Potenzial auf

09.12.2016 | Seminare Workshops

Ein Nano-Kreisverkehr für Licht

09.12.2016 | Physik Astronomie

Pflanzlicher Wirkstoff lässt Wimpern wachsen

09.12.2016 | Biowissenschaften Chemie