Visualization for integrated simulation systems

Abstract

Today, a large part of science as well as many applications in industry require the usage of simulation technology. Several key elements are relevant for an expedient use of modern simulation technology. It is important that the methods for analyzing the simulation outcome are suitable for the increasing complexity of simulations and the generated data. Larger or more complex data is analyzed visually in many cases. Therefore, visualization is essential for the work with simulation technology. Furthermore, an integrated simulation system providing simulation components as well as visualization components allows a more efficient work with simulation technology. Finally, uncertainties can be introduced at different stages in the simulation and analysis process. Correct interpretation of simulation results must consider these uncertainties. The theme of this thesis is to improve the work with simulation technology by employing novel visualization approaches and techniques. Each of these approaches targets one or more of these key elements. Since the key role of visualization in this context lies in displaying the simulation results, novel methods for visualizing different classes of data are introduced. It is discussed how scalar values covering a large value range can be visualized. Furthermore, several methods for time-dependent vector fields are presented. Another approach deals with the visualization of coherent structures in symmetric second-order tensor fields Effective analysis of simulation results is important, but not the only aspect that can be supported with visualization. Considering integrated simulation systems, such a complex software environment is typically built in a modular way. Workflows are a common way to control modular software and define the connections between the respective modules and their execution. This thesis presents two methods for visualizing the evolution of such workflows. They can be used to recapitulate previous sessions or analyze user behavior. This can help continue previous work or improve the respective software. Finally, three different types of uncertainty are discussed in this thesis and methods for handling them are presented: Uncertainty in the simulation model can be handled with a computational steering approach that allows the interactive change of simulation parameters. A glyph-based visualization method is introduced for time-dependent vector fields with uncertainty. Finally, the handling of uncertainty in user interaction is demonstrated in the context of flow visualization.

Heutzutage erfordern sowohl ein großer Teil der Wissenschaft als auch viele industrielle Anwendungen den Einsatz von Simulationstechnologie. Mehrere Schlüsselelemente sind bei einem sinnvollen Einsatz moderner Simulationstechnologie von Bedeutung. Ein wichtiger Aspekt ist, dass die Methoden für die Analyse der Simulationsergebnisse mit der steigenden Komplexität der Simulationen und erzeugten Daten mithalten können. Größere und komplexere Daten werden dabei häufig visuell analysiert. Daher ist die Visualisierung essentiell für den Einsatz von Simulationstechnologie. Weiterhin ermöglicht ein integriertes Simulationssystem, das sowohl Simulations- als auch Visualisierungskomponenten bereithält, ein effizienteres Arbeiten mit Simulationstechnologie. Zu guter Letzt können Unsicherheiten in den verschiedenen Stufen des Simulations- und Analysevorgangs auftreten. Eine korrekte Interpretation der Simulationsergebnisse muss solche Unsicherheiten berücksichtigen. Das Leitmotiv dieser Dissertation ist es, die Arbeit mit Simulationstechnologie mit Hilfe von neuen Visualisierungsansätzen und -techniken zu verbessern. Jeder der hier vorgestellten Ansätze zielt dabei auf ein oder mehrere dieser Schlüsselelemente ab. Da die Schlüsselrolle der Visualisierung im Zusammenhang mit Simulationen die Darstellung der Simulationsergebnisse ist, werden neue Visualisierungsmethoden für verschiedene Arten von Daten vorgestellt. Es wird aufgezeigt, wie Skalardaten dargestellt werden können, die einen großen Wertebereich abdecken. Außerdem werden mehrere Methoden für zeitabhängige Vektorfelder vorgestellt. Ein weiterer Ansatz behandelt die Visualisierung von kohärenten Strukturen in symmetrischen Tensorfeldern zweiter Ordnung. Eine effektive Analyse der Simulationsergebnisse ist zwar wichtig, aber nicht der einzige Aspekt, der sich mit Visualisierung unterstützen lässt. Komplexe Softwareumgebungen wie integrierte Simulationssysteme werden häufig modular aufgebaut. Workflows sind eine gebräuchliche Technik, um modulare Software zu steuern und die Kopplung der Module und ihre Ausführungsparameter festzulegen. In dieser Dissertation werden zwei Methoden für die Visualisierung der zeitlichen Entwicklung solcher Workflows präsentiert. Die Methoden können dafür verwendet werden, frühere Arbeitsvorgänge nachzuvollziehen oder das Benutzerverhalten zu analysieren. Dies kann bei der Fortsetzung zurückliegender Arbeit oder bei der Verbesserung der entsprechenden Software helfen. Zu guter Letzt werden in dieser Dissertation drei Arten von Unsicherheiten besprochen und Methoden für deren Handhabung vorgestellt. Unsicherheit im Simulationsmodell kann mit einem Computational-Steering-Ansatz gehandhabt werden, bei dem es möglich ist, die Simulationsparameter interaktiv zu ändern. Für zeitabhängige Vektorfelder, die mit Unsicherheit behaftet sind, wird eine Visualisierungsmethode auf Basis von Glyphen vorgestellt. Schließlich wird die Behandlung von Unsicherheit in der Benutzereingabe am Beispiel von einer Strömungsvisualisierungsmethode dargelegt.