Nr. 2  2003    

 

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Visualisierung technisch-wissenschaftlicher Daten

 

Die Vorlesung „Visualisierung technisch-wissenschaftlicher Daten" wird seit 1992 vom Verfasser als Ergänzungsfach im Rahmen des Hauptfaches „Angewandte Informatik“ im Hauptstudium des Maschinenbaus als zweistündige Vorlesung gehalten. Ergänzt wird die Vorlesung durch ein rechnerbasiertes Praktikum im Umfang von zwei Nachmittagen. Durch das 100-online-Projekt wurde die Vorlesung sowie das Praktikum multimedial aufbereitet.

Ziel der Vorlesung

Ziel der Vorlesung ist es den Studenten zunächst einen Überblick über moderne Auswertungsmethoden für technisch-wissenschaftliche Daten zu geben, wobei vor allem von umfangreichen Daten ausgegangen wird, die komplexe Zusammenhänge beschreiben. Daten können dabei sowohl von Berechnungen, z.B. auf Höchstleistungsrechnern, als auch von Experimenten und Messapparaturen kommen. Ausgehend vom menschlichen Wahrnehmungsprozess wird erläutert, welche Charakteristiken das Erfassen von Informationen mit verschiedenen Sinnesorganen hat. Dies wird mit einer Sammlung an Bildbeispielen sowie Filmen verdeutlicht. Vor der Einführung der Visualisierungsprozesskette werden einige Grundlagen der graphischen Datenverarbeitung erläutert und anhand von Beispielprogrammen basierend auf der Graphikbibliothek OpenGL zugänglich gemacht.
Visualisierungsmethoden werden sowohl algorithmisch beschrieben, als auch in ihrem visuellen Eindruck anhand von Bildern und Filmsequenzen diskutiert.
Virtuelle Realitätstechniken ermöglichen eine wesentliche verbesserte Nutzung der menschlichen Wahrnehmungsfähigkeit. Nach Einführung von Methodik und Gerätetechnik wird mit der am Höchstleistungsrechenzentrum vorhandener Infrastruktur der praktische Nutzen präsentiert.
Alternative Architekturansätze von Visualisierungspaketen basierend auf der Implementierung der Visualisierungsprozesskette werden verglichen und ihre Vor- bzw. Nachteile diskutiert.
Virtuelle Prototypenkonzepte ermöglichen die Überlagerung von Prototypengeometrien mit der Visualisierung von Eigenschaften dieser Prototypen, erzeugt durch Simulationen. Dazu werden Simulation und Visualisierung direkt gekoppelt und in einer virtuellen Realitätsumgebung dargestellt sowie gehandhabt.
Im Praktikum werden Beispieldatensätze mit verfügbaren Software-Paketen visualisiert, wobei alternative Visualisierungsmethoden ausgetestet werden.
Nach Besuch der Vorlesung sind Studenten in der Lage Visualisierungsmethoden zu beurteilen, virtuelle Realitätstechniken einzustufen und Visualisierungspakete einzusetzen.

Das Projekt

Eine Vorlesung zum Thema Visualisierung setzte bereits traditionell auf visuelle Medien. Vor Beginn des 100-online-Projektes wurden Bilder in Form von Dias, sowie Videos auf VHS-Kassetten zur Verdeutlichung von visuellen Effekten eingesetzt. Das Vorlesungsmaterial lag einerseits als Farbfolien vor, andererseits wurde bereits teilweise mit PowerPoint gearbeitet. Das Präsentationsmaterial für die Vorlesung wurde vollständig auf PowerPoint umgestellt, wobei Bilder und Videoanimationen digitalisiert und integriert wurden. Sämtliche Veranstaltungen erfolgten von einem Notebook unter Verwendung eines Seminarraum-Beamers. Schwierigkeiten bereitete bei der Rechnerpräsentation der geringe Farbkontast von Projektoren sowie deren Abgleich zur Darstellung von subtilen Effekten wie Mach-Bändern. Teilweise musste auf den Einsatz von Literatur in Buchform zurückgegriffen werden. Hierfür gibt es insbesondere in der Visualisierung spezielle Buchdrucke mit hohem Kontrastumfang für Lehrzwecke.
Für den Teil Grundlagen der Graphikprogrammierung wurden Anleitungen zur Nutzung der Software-Entwicklungsumgebung, Beispielprogramme mit OpenGL sowie Ergebnisdarstellungen verfügbar gemacht.
Virtuelle Realitätstechniken sowie der Einsatz von Videoproduktionsumgebungen zur Erstellung von Animationen wurde am Rechenzentrum in den jeweiligen Labors präsentiert. Durch diese realen Präsentationen wurde der Unterricht aufgelockert und wesentliche Anregungen zur Durchführung späterer Studien- und Diplomarbeiten gegeben.
Für das Praktikum wurde das Visualisierungspaket OpenDX eingesetzt. Es ist als Open Source verfügbar und kann auf gängigen Workstations und PCs unter Linux eingesetzt werden. Eine auf Video vorhandene Einführung in die Nutzung des Paketes wurde digitalisiert und den Studenten elektronisch zugänglich gemacht. Während des Praktikums konnten Studenten schrittweise durch das Video gehen und die Vorgaben unmittelbar umsetzen. Dies führte zu einer wesentlichen Motivationssteigerung bei den Studenten.
Auf dem Server wurden des weiteren PDF-Dateien aller Vorlesungen sowie das Manuskript zur Vorlesung abgelegt. Ebenso wurden Software-Pakete zum Download und zur Installation, wie z.B. Opendx unter Linux bereitgestellt. Die Einführungsvideos wurden ebenfalls über den Server zugänglich gemacht.

Bisherige Erfahrungen und aufgetretene Schwierigkeiten

Diskussionen mit den Studenten haben ergeben, dass der Online-Zugang über ein Web Interface zu den Lehrinhalten weniger gewünscht war. Vielmehr wollten Sie herunterladbare, kompakte Folienrepräsentationen wie sie z.B. Acrobat liefert. Das gleiche gilt für das Manuskript zur Vorlesung, wobei hier am häufigsten um eine ausgedruckte Version gebeten wurde, obwohl diese auf Unkostenbasis weitergegeben wurde.
Im Extremfall wurde um den Ausdruck von etwa 750 Folien gebeten.
Die Bereitstellung von Visualisierungs-Software bzw. die Einführung in deren Nutzung als digitalisierte Videos auf Linux wurde sehr gut angenommen. Studenten arbeiteten auch zuhause damit und waren entsprechend auf das Praktikum vorbereitet. Hier stellte sich auch der wesentlich Vorteil der Unterstützung von studentischen Aktivitäten auf dem Heim-PC heraus. Als ergänzendes Know-how mussten die Studenten sich in Linux einarbeiten.
Die PowerPoint-Präsentationen wurden von den Hörern sehr positiv aufgenommen. Ebenso die Bereitstellung aller sonstigen Materialien zur Vorlesung im PDF-Format oder im Falle von Programmen im Source Code.
Da in den Folien sowie im Manuskript teilweise noch auf Bilder anderer Autoren verwiesen wird, wurden die Materialien lediglich über einen passwortgeschützten Zugang verfügbar gemacht.


[ Autor/en:  Dr-.-Ing Ulrich Lang   Institut:  Höchstleistungsrechenzentrum ] [ Druckversion ]




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