Processing of meshes and geometry for visualization applications

Abstract

The fast increase of computational power not only enables the simulation of complex non-linear and highly dynamic processes but also allows for further increase of the problem sizes and makes parameter studies with numerous simulation runs affordable. One of the often underrated consequences of this development is the resulting rampant amount of simulation data that has to be processed, analysed and evaluated accordingly. Therefore, the development of powerful and capable analysis tools likewise gains in importance with visualization playing an increasingly crucial role.

The visual conditioning of data ­ both in simulation pre- and post-processing provides intuitive and fast insight. Hence, appropriate visualizations have to be developed and, where required, tailored to the specific needs of the particular application. As in visualization applications the principal purpose is not a visually pleasing appearance itself ­ although marvellous visual uality of course is preferable ­ but to provide an ideal blend of data compensation and emphasis on relevant features in order to enable and support intuitive data handling and analysis.

In many application fields, geometry plays a crucial role in analysis. The major contributions of this work are on the geometric aspects of visualization methods in the application fields of virtual prototyping in car industry on one hand and molecular dynamics on the other hand. In both, the challenge is to comply with application needs while satisfying the required correctness of the shape, geometry and topology in order to ensure reliable analysis support, while providing superior visual quality in interactive methods, elaborating the data characteristics without concealing relevant features. But still the focus with respect to geometry is different in both application fields.

On one hand, as in the area of car prototyping, reliable geometric models are of superior importance for both robust simulation set-ups and trustable results, since the evaluation of the geometric properties of the model is the principal purpose of simulation. The simulations in this field are usually based on finite element (FE) methods, thus the visualization is mesh-based accordingly. In this thesis new methods for processing, customization and (re-)construction of geometry and geometric characteristics are presented, tailored to the specific needs of automotive pre-processing.

On the other hand, as in the application field of molecular dynamics, the geometric shape of the simulation entities often is not relevant but dictates the simulation constraints and, thus, still plays an essential role in analysis tasks. Therefore, the work presented in this field emphasises the power of geometric concepts as essential foundation for data structuring and intuitive evaluation during simulation data analysis. Since the molecules themselves do not have an intrinsic shape, geometric molecular representations always entail abstraction up to a certain extent. This fact, in turn, can be exploited to create semantically expressive molecular visualizations based on very different intrinsic and geometric properties of the data.

Being developed in close collaboration with scientists in the dedicated application fields, the methods presented in this thesis found their way into recent research in the case of molecular dynamics as well as into commercial application tools in the case of the finite element analysis methods.

Der inzwischen sprunghafte Anstieg an verfügbarer Rechenleistung ermöglicht nicht nur die Simulation komplexer nicht-linearer und hochdynamischer Prozesse an sich, sondern erlaubt auch den weiteren Anstieg der Problemgrößen und macht Parameterstudien mit zahlreichen Simulationsläufen handhabbar. Eine der dabei häufig unterschätzten Folgen ist die daraus resultierende starke Zunahme an Simulationsergebnissen, welche anschließend entsprechend weiter verarbeitet, analysiert und ausgewertet werden müssen. Aus diesem Grund ist die Entwicklung leistungsfähiger und mächtiger Analysewerkzeuge von immer größerer Bedeutung, wobei die Visualisierung eine zunehmend entscheidende Rolle spielt.

Die visuelle Aufbereitung von Daten, sowohl in der Vor- als auch in der Nachbearbeitung, bietet einen intuitiven und direkten Einblick in die Ergebnisse. Darum müssen passende Visualisierungen entwickelt und gegebenenfalls auf die speziellen Bedürfnisse der Anwendung angepasst werden. Sinn und Zweck von Visualisierungsanwendungen ist letztlich nicht allein die visuell ansprechende Darstellung an sich, sondern die Tatsache, eine ideale Mischung aus Datenreduktion und Betonung der relevanten Eigenschaften und Charakteristika zu finden, um sowohl einen einfachen Umgang mit den Daten als auch eine intuitive Analyse dieser zu ermöglichen und zu unterstützen.

In zahlreichen Anwendungsgebieten spielt Geometrie eine entscheidende Rolle. Der Hauptbeitrag dieser Arbeit behandelt geometrische Kernpunkte von Visualisierungsmethoden, einerseits im Bereich der virtuellen Prototypenentwicklung in der Automobilindustrie, und in der Molekulardynamik andererseits. In beiden Anwendungsgebieten liegt die Herausforderung darin, abhängig von den jeweiligen Anforderungen, sowohl die notwendige Korrektheit von Gestalt, Geometrie und Topologie zu gewährleisten, um zuverlässige Unter"-stützung der Analyse sicherzustellen, als auch durch hochwertige Darstellungsgüte spezifische Eigenschaften der Daten herauszuarbeiten, ohne dabei wichtige Details zu verbergen. Nichtsdestotrotz ist der Fokus in Bezug auf Geometrie in beiden Themengebieten unterschiedlich gelagert.

Einerseits, wie im Gebiet der Prototypenentwicklung von Automobilen, sind zuverlässige Geometriemodelle entscheidend - sowohl für robuste Simulationskonfigurationen als auch für verlässliche Ergebnisse - da die Auswertung der geometrischen Eigenschaften den grundlegenden Zweck der Simulationen darstellt. Da die Simulationen in diesem Arbeitsgebiet üblicherweise auf der Methode der Finiten Elemente (FE) beruhen, ist auch die Visualisierung entsprechend netzbasiert. In dieser Dissertation werden hierzu neue Methoden für die Bearbeitung, Anpassung und (Re-)Konstruktion der Geometrie und geometrischer Merkmale vorgestellt - jeweils auf die speziellen Anforderungen der Anwendung zugeschnitten.

Andererseits ist häufig, wie im Umfeld der Molekulardynamik, die geometrische Gestalt eines Modells nicht Gegenstand der Simulation, sondern legt die Randbedingungen der Simulation fest und spielt damit weiterhin eine tragende Rolle im Auswertungsprozess. Aus diesem Grund betont die vorliegende Arbeit in diesem Gebiet das Potential geometrischer Sachverhalte als Rahmenbedingungen für die Datenstrukturierung und die intuitive Evaluierung bei der Analyse der Simulationsdaten. Da die Moleküle selbst keine intrinsische Darstellung besitzen, bringen Moleküldarstellungen immer ein gewisses Maß an Abstraktion mit sich. Diese Tatsache kann wiederum ausgenutzt werden, um semantisch aussagekräftige Moleküldarstellungen zu definieren, die auf sehr erschiedlichen intrinsischen und geometrischen Eigenschaften der Daten basieren.

Die praktische Relevanz der in dieser Arbeit vorgestellten Methoden konnte durch die enge Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der zugehörigen Forschungsgebiete sichergestellt werden, was dazu führte, dass diese Methoden ihren Weg in die Anwendung fanden: In die aktuelle Forschung im Falle der Molekulardynamik und in die kommerziellen Anwendungen im Falle der Analysemethoden im Bereich der Finiten-Element-Methode.