Multi-Field Visualization

Multi-Field Visualisierung

  • Modern science utilizes advanced measurement and simulation techniques to analyze phenomena from fields such as medicine, physics, or mechanics. The data produced by application of these techniques takes the form of multi-dimensional functions or fields, which have to be processed in order to provide meaningful parts of the data to domain experts. Definition and implementation of such processing techniques with the goal to produce visual representations of portions of the data are topic of research in scientific visualization or multi-field visualization in the case of multiple fields. In this thesis, we contribute novel feature extraction and visualization techniques that are able to convey data from multiple fields created by scientific simulations or measurements. Furthermore, our scalar-, vector-, and tensor field processing techniques contribute to scattered field processing in general and introduce novel ways of analyzing and processing tensorial quantities such as strain and displacement in flow fields, providing insights into field topology. We introduce novel mesh-free extraction techniques for visualization of complex-valued scalar fields in acoustics that aid in understanding wave topology in low frequency sound simulations. The resulting structures represent regions with locally minimal sound amplitude and convey wave node evolution and sound cancellation in time-varying sound pressure fields, which is considered an important feature in acoustics design. Furthermore, methods for flow field feature extraction are presented that facilitate analysis of velocity and strain field properties by visualizing deformation of infinitesimal Lagrangian particles and macroscopic deformation of surfaces and volumes in flow. The resulting adaptive manifolds are used to perform flow field segmentation which supports multi-field visualization by selective visualization of scalar flow quantities. The effects of continuum displacement in scattered moment tensor fields can be studied by a novel method for multi-field visualization presented in this thesis. The visualization method demonstrates the benefit of clustering and separate views for the visualization of multiple fields.
  • Wissenschaftliche Messungen und Simulationen erzeugen Daten, mit deren Hilfe komplexe physikalische Zusammenhänge und Phänomene modelliert und analysiert werden können. Die hierdurch enstandene Menge an Felddaten kann ohne Abstraktions- und Aufbereitungsmaßnahmen nur selten direkt interpretiert werden. Ziel der Scientific Visualization ist es, eine hinreichende Abstraktionsmittel durch die Definition und Extraktion von aussagekräftigen Datenmerkmalen zur Verfügung zu stellen und diese angemessen visuell darzustellen. Visualisierung für multiple Felder wird als Multi-Field Visualization bezeichnet. In dieser Dissertation entwickeln wir neue Techniken zur Merkmalsextraktion und Visualisierung mit Anwendung im Kontext der Multi-Field Visualisierung. Zwar sind die vorgestellten Techniken in der Regel unabhängig von der vorhandenen Nachbarschaftsstruktur der Daten, dennoch betonen wir die Anwendbarkeit der entwickelten Methoden in gitterfreien Datensätzen. Eine weitere mathematische Gemeinsamkeit der Methoden besteht in der neuartigen Analyse und Einbindung von Deformationsdaten in den Extraktions- und Visualisierungprozess. Wir entwerfen eine neue gitterfreie Methode zur Extraktion generalisierter Extrema in dreidimensionalen komplexwertigen Skalarfeldern. Diese Skalarfelder sind das Resultat von niedrigfrequenten Akustiksimulationen, in denen Topologie und extremale Merkmale in Wellenstrukturen von großer Bedeutung sind. Unsere Methode erlaubt es, Wellenknoten und Minimalamplituden in stehenden und bewegten Wellen in komplexwertigen Schalldruckfeldern zu extrahieren und visualisieren, was von zentralem Interesse im Gebiet des Akustikdesigns ist. Desweiteren untersuchen wir Deformationen in Vektorfeldern. Die von uns präsentierten Techniken zur Einbindung dieser Deformationstensoren in die integrale Vektorfeldvisualierung erlauben die Visualisierung vektorieller und tensorieller Vektorfeldgrößen und liefern Informationen über Divergenz, Konvergenz und Mischverhalten der untersuchten Strömungen. Eine vorgestellte Erweiterung dieses Konzepts auf volumetrische Datensätze aus der Geophysik ermöglicht die Segmentierung und selektive Visualisierung von Strömungsvorgängen in der Erdkruste. Zusätzlich stellen wir neue Ansätze zur adaptiven Generierung und Visualisierung makroskopischer Deformationen von Gebiets- und Flächenstrukturen vor. Als verwandtes physikalisches Verhalten analysieren wir Verschiebungsdaten in der Form von Momententensoren. Zur aussagekräftigen Darstellung der Messungsdaten entwickeln wir Multi-Field Visualiserungtechniken, die auf der Verwendung gekoppelter Datenansichten basieren und die interaktive Analysen im dreidimensionalen und projektiven Raum ermöglichen.

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Metadaten
Author:Harald Obermaier
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-26041
Advisor:Hans Hagen
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:English
Year of Completion:2011
Year of Publication:2011
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2011/02/09
Tag:Multi-Field; Skalar
Mesh-Free ; Scalar ; Tensor ; Vector ; Visualization
GND-Keyword:Fließanalyse ; Merkmalsextraktion ; Scattered-Data-Interpolation ; Tensor ; Vektor ; Verzerrungstensor; Visualisierung
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Informatik
CCS-Classification (computer science):I.3.3 Picture/Image Generation
DDC-Cassification:004 Datenverarbeitung; Informatik

$Rev: 12793 $