Relevanzorientierte Exploration von Molekulardynamik-Simulationen

Abstract

Ziel dieser Masterarbeit ist die Entwicklung einer neuen Echtzeit-Visualisierung, für die Erforschung von Molekulardynamik (MD)-Simulationen. Nachdem sich Computer-Hardware ständig verbessert und die Rechenleistung laufend zunimmt, werden MD-Simulationen immer detaillierter, sind leichter verfügbar und bestehen aus Hunderten, Tausenden oder sogar Millionen von einzelnen Simulationsschritten. Die Berechnung von solchen Simulationen ist nicht länger durch Algorithmen oder Hardware beschränkt, trotzdem ist es immer noch nicht möglich diese riesige Datenmenge, als animierte 3D Visualisierung, mit gängigen Visualisierungs-Werkzeugen zu erforschen. Zusätzlich dazu beansprucht die Nutzung von aktuellen Software-Werkzeugen, für die Erforschung solch langer Simulationen, zu viel Zeit. Molekulare Szenen sind äußerst dicht und detailreich, wodurch Visualisierungen unter einem visuellen Durcheinander leiden. Es ist daher leicht möglich, dass Benutzer wichtige Ereignisse verpassen. Daher haben wir eine Fokus & Kontext Visualisierung entwickelt, die die Benutzer zu den relevantesten zeitlichenund räumlichen Ereignissen geleitet und es ist nicht mehr notwendig, die Simulation linear zu explorieren. Unser Beitrag kann in folgende vier Themengebiete unterteilt werden: 1. Räumliche-Wichtigkeit durch Levels of Detail. Abhängig von Forschungsaufgaben können verschiedene geometrische Darstellungsformen, sowohl für Objekte im Fokus, als auch im Kontext ausgewählt werden. 2. Relevanzorientierte Verwaltung der Sichtbarkeit mit Hilfe von Ghosting. Dies soll verhindern, dass Kontextelemente Fokuselemente verdecken. 3. Zeitliche-Wichtigkeit mit Hilfe von Adaptive Fast-Forward. Dabei ist die Abspielgeschwindigkeit der Simulation abhängig von einzelnen-, oder einer Kombination aus mehreren Wichtigkeitsfunktionen. 4. Visuelle Verbesserung der abgespielten Simulation mit Hilfe von Motion Blur. Die Intensität der Bewegungsunschärfe wird zusätzlich dazu verwendet, die Stärke der aktuell gezeigten Beschleunigung zu illustrieren. Diese Arbeit wurde von Beginn an in enger Zusammenarbeit mit Biochemikern des Loschmidt-Labors in Brünn, Tschechien entwickelt. Gemeinsam haben wir verschiedene Anwendungsfälle analysiert und die Flexibilität unserer neuartiger Fokus & Kontext Visualisierung demonstriert.

The aim of this thesis is a novel real-time visualization approach for exploring molecular dynamics (MD-)simulations. Through the constantly improving hardware and ever-increasing computing power, MD-simulations are more easily available. Additionally, they consist of hundreds, thousands or even millions of individual simulation frames and are getting more and more detailed. The calculation of such simulations is no longer limited by algorithms or hardware, nevertheless it is still not possible to efficiently explore this huge amount of simulation data, as animated 3D visualization, with ordinary and well established visualization tools. Using current software tools, the exploration of such long simulations takes too much time and due to the complexity of large molecular scenes, the visualizations highly suffer from visual clutter. It is therefore very likely that the user will miss important events. Therefore, we designed a focus & context approach for MD-simulations that guides the user to the most relevant temporal and spatial events, and it is no longer necessary to explore the simulation in a linear fashion. Our contribution can be divided into the following four topics: 1. Spatial importance through different levels of detail. Depending on the type of research task, different geometrical representations can be selected for both, focus and context elements. 2. Importance driven visibility management through ghosting, to prevent context elements from occluding focus elements. 3. Temporal importance through adaptive fast-forward. The playback speed of the simulation is thereby dependent on a single or a combination of multiple importance functions. 4. Visual declutter of accumulated frames through motion blur, which additionally illustrates the playback speed-up. Since the very beginning, this work was developed in close cooperation with biochemists from the Loschmidt Laboratories in Brno, Czech Republic. Together, we analyzed different use cases demonstrating the flexibility of our novel focus & context approach.