Interactive 3D flow visualization using textures and geometric primitives

Abstract

Diese Dissertation stellt aktuelle Forschungsergebnisse aus dem Bereich der Stroemungsvisualisierung vor. Der theoretische Rahmen baut auf der Erkenntnis auf, dass man grob vier verschiedene Arten von Stroemungsvisualisierungsansaetzen unterscheiden kann: direkte, geometrische, Textur-basierte und Feature-basierte. Diese Arbeit setzt sich vor allem mit direkter, geometrischer und Textur-basierter Stroemungsvisualisierung auseinander, wobei das Hauptaugenmerk auf letzterer liegt. Nach einem Ueberblick ueber den momentanen Stand der Forschung wird eine Methode zum Resampling von Stroemungssimulationsdaten (CFD-Daten) vorgestellt. Dieser Ansatz versucht dabei sowohl Wahrnehmungsprobleme, die bei einer direkten Anwendung der Hedgehog Visualisierugstechnik auftreten, als auch Unzul aenglichkeiten bei der Abdeckung des Stroemungsfeldes zu beheben.<br />Das wird erreicht, indem dem Benutzer die genaue Kontrolle ueber die Aufloesung des Resampling Grids im Objektraum und ueber die Platzierung der Vektorglyphen ueberlassen wird. Im Anschluss daran werden zwei aktuelle, Bildraum-basierte Ans¨atze zur Visualisierung von Vektorfeldern auf Oberflaechen miteinander verglichen. Beide Methoden erzeugen eine dichte Repraesentation zeitabhaengiger Vektorfelder mit hoher Korrelation zwischen Raum und Zeit. Waehrend die dreidimensionalen Vektorfelder beliebige, durch Dreiecksnetze gegebene Oberflaechen haben koennen, beschraenkt sich die Generierung und Advektion von Textureigenschaften auf den Bildraum. Hohe Frameraten werden durch Ausnuetzung von Koheraenz zwischen aufeinanderfolgenden Frames und dem Einsatz von Graphikhardware erzielt. Wir wenden Textur-basierte Stroemungsvisualisierungstechniken auch fuer Isosurfaces an. Das Ergebnis ist die Verschmelzung zweier bekannter Methoden aus dem Bereich der wissenschaftlichen Visualisierung - naemlich iso-surfacing und Texturbasierte Stroemungsvisualisierung - in einen nuetzlichen Hybridansatz. Danach wendet sich die Arbeit einer Reihe von Techniken zur geometrischen Stroemungsvisualisierung zu, unter anderem gerichtere Stroemungslinien, Streamlets, einem Streamrunner Tool, Streamcomets und einer Methode fuer in Echtzeit animierte Stroemungslinien. Besondere Beachtung wird dabei Massnahmen geschenkt, die notwendig sind, um geometrische Techniken auch fuer praxisnahe Datens¨atze anwendbar zu machen. Abschließend wenden wir direkte, geometrische und Textur-basierte Stroemungsvisualisierungsmethoden an, um Strudel- und Wirbelbewegungen zu untersuchen - zwei Stroemungsmuster, die oft in Stroemungssimulationsdaten anzutreffen sind. Die Arbeit stellt eine visuelle Analyse dieser Bewegungen in den drei raeumlichen Auspraegungen vor: 2D Schichten, 2.5D Oberflaechen und 3D.<br />

This thesis presents research in the area of flow visualization.<br />The theoretical framework is based on the notion that flow visualization methodology can be classified into four main areas: direct, geometric, texture-based, and feature-based flow visualization. Our work focuses on the direct, geometric, and texture-based categories, with special emphasis on texture-based approaches.<br />After presenting the state-of-the-art, we discuss a technique for resampling of CFD simulation data.<br />The resampling tool addresses both the perceptual problems resulting from a brute force hedgehog visualization approach and flow field coverage problems.<br />These challenges are handled by giving the user control of the resolution of the resampling grid in object space and giving the user precise control of where to place the vector glyphs.<br />Afterward, we present a side-by-side analysis of two recent image space approaches for the visualization of vector fields on surfaces.<br />The two methods generate dense representations of time-dependent vector fields with high spatio-temporal correlation.<br />While the 3D vector fields are associated with arbitrary surfaces represented by triangular meshes, the generation and advection of texture properties is confined to image space.<br />Fast frame rates are achieved by exploiting frame-to-frame coherency and graphics hardware.<br />We also apply texture-based flow visualization techniques to isosurfaces.<br />The result is a combination of two well know scientific visualization techniques, namely iso-surfacing and texture-based flow visualization, into a useful hybrid approach.<br />Next we turn our attention to a collection of geometric flow visualization techniques including oriented streamlines, streamlets, a streamrunner tool, streamcomets, and a real-time animated streamline technique.<br />We place special emphasis on necessary measures required in order for geometric techniques to be applicable to real-world data sets.<br />Finally, we apply direct, geometric, and texture-based flow visualization techniques in order to investigate swirl and tumble motion, two flow patterns found commonly in computational fluid dynamics (CFD).<br />Our work presents a visual analysis of these motions across three spatial domains: 2D slices, 2.5D surfaces, and 3D.<br />