Datum: 3. April 2012, Nr. 18

Von Computerspielen in die Wissenschaft

Neue Beleuchtungsmethode verbessert Qualität von Visualisierungen

Simulationen sind aus vielen Bereichen in Forschung, Industrie oder der Medizin nicht mehr wegzudenken. Die Menge der Daten und ihre Komplexität steigt, und die Betrachtungszeiträume werden länger. Daher ist es ist eine große Herausforderung, Prozesse möglichst realistisch zu untersuchen, ohne die verfügbaren Rechenleistungen zu sprengen. Wissenschaftler des Visualisierungsinstitutes der Universität Stuttgart haben nun im Rahmen des Sonderforschungsbereiches (SFB) 716 ein Verfahren entwickelt, das die Qualität virtueller Bilder erheblich verbessert und gleichzeitig schnell genug ist, um komplexe, dynamische Simulationen effizient auf handelsüblichen Computern zu analysieren. Hierzu machen sie sich eine Beleuchtungs-Methodik zu Nutze, die von Computerspielen bekannt ist.

Wann bricht Metall unter mechanischen oder thermischen Belastungen? Unter welchen Bedingungen binden sich Fette an Waschmittel? Wann nutzen sich Verschleißteile einer hydraulischen Maschine ab? Simulationen ermöglichen es, diese Fragen zu beantworten und Prozesse zu optimieren, bei denen Experimente nicht oder nur mit unverhältnismäßigem Aufwand durchführbar sind. Voraussetzung für eine effektive Analyse ist jedoch eine hohe Bildqualität. Dazu gehört eine optimale Beleuchtung. Doch das ist einfacher gesagt als getan: Die auszuwertenden Datensätze erreichen viele Gigabyte und enthalten oft mehrere Millionen Partikel pro Zeitschritt. Eine lange Beobachtungsdauer potenziert die zu verarbeitende Informationsflut zusätzlich.

Realistische Bilder auf handelsüblichen Rechnern
Beleuchtungs-Modelle der klassischen Echtzeitcomputergrafik sind für solche umfangreichen Simulationen nicht geeignet. Die Beleuchtung photometrisch exakt zu berechnen, sprengt dagegen schnell die verfügbare Rechenkapazität und verlängert den Analyseprozess unnötig. Auf der Suche nach Alternativen haben Forscher des SFB 716 nun eine aus der Computergrafik bekannte Methodik auf wissenschaftliche Darstellungen übertragen. Mit dem sogenannten „Ambient Occlusion Verfahren“ werden üblicherweise Szenen für Computerspiele berechnet. Die Darstellungsqualität von Daten aus Partikelsimulationen hat sich dadurch enorm verbessert. „Was man sieht, ist zwar physikalisch nicht ganz korrekt, aber der Eindruck ist mit einer realen Beleuchtungssituation vergleichbar. Zudem ist das Verfahren schnell genug, um die Visualisierungen auf handelsüblichen Rechnern zu berechnen“, beschreibt Sebastian Grottel seine gemeinsam mit Kollegen entwickelte Arbeit.

Von Medizin bis Materialbearbeitung
Erste Anwendung fand die Methode bei der Untersuchung von sogenannten Laserablationen, dem Abtragen von Material mit Laserstrahlen. Dieses Verfahren wird unter anderem in der minimalinvasiven Chirurgie oder bei der Behandlung von Hauterkrankungen eingesetzt, aber auch in verschiedenen Sparten der Materialbearbeitung, so bei Gravierungen auf mikroskopischer Skala, Reinigungs- oder Beschichtungsprozessen. Dabei kommt es zu Wechselwirkungen zwischen verdampftem Material und dem Laserstrahl, was dazu führt, dass ein Teil der winzig kleinen abgetragenen Teilchen die Materialoberfläche beeinträchtigt. Mit dem neuen Beleuchtungsverfahren können die Wissenschaftler diese Prozesse leichter analysieren, da sich die Tiefe der entstandenen Krater sowie die Menge und Größe des ausgeschleuderten Materials wesentlich besser einschätzen lassen.

Ebenso profitieren Biochemiker und Pharmazeuten von dieser Methodik: Denn um Medikamente zu entwickeln und verbessern, sind konkrete Informationen zu Oberfläche und Form von Makromolekülen wie Proteine, Viren und Bakterien erforderlich. Beispielsweise müssen reagierende Antikörper nicht nur in ihrer chemischen Zusammensetzung, sondern auch durch ihre Form wie ein Puzzleteil exakt an die Oberfläche eines Virus passen. Solche Informationen sind nun wesentlich detaillierter und präziser zu erkennen. Das Verfahren wurde im März auf der internationalen Visualisierungskonferenz Pacific VIS 2012 in Songdo in Korea vorgestellt. Langfristig wird es in umfangreiche Visualisierungssoftware-pakete integriert, so dass Wissenschaftler und Ingenieure an Universitäten und in der Industrie zur Auswertung von Simulationsdaten darauf zugreifen können.

Weitere Informationen bei Tina Barthelmes, Universität Stuttgart, Sonderforschungsbereich 716 (Dynamische Simulation von Systemen mit großen Teilchenzahlen), Tel. 0711/685-88604, e-mail: tina.barthelmes@sfb716.uni-stuttgart.de, www.sfb716.uni-stuttgart.de

Originalveröffentlichung:
Grottel, Sebastian; Krone, Michael; Scharnowski, Katrin; Ertl, Thomas: Object-Space Ambient Occlusion for Molecular Dynamics.
In: Proceedings of IEEE Pacific Visualization Symposium 2012 (2012).

          

Visualisierung eines Virus mit 220.000 Atomen. Links: klassische Beleuchtung in Echtzeitcomputergrafik. Rechts: die Beleuchtung mit Ambient Occlusion macht die Oberflächenstruktur erheblich besser sichtbar.

Ein Laser sprengt Atome aus einem Aluminium-Block. Links: klassische Beleuchtung. Rechts: die Beleuchtung mit Ambient Occlusion stellt den Krater entsprechend seiner Form und Tiefe dar und ermöglicht es, die Struktur besser zu erkennen.

 

Quelle: Universität Stuttgart/SFB 716