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Dokument Type: Doctoral Thesis
Title: Real-time particle systems and their application to flow visualization
Echtzeit-Partikelsysteme und deren Anwendung auf Strömungsvisualisierung
Authors: Cuntz, Nicolas 
Institute: Institut für Bildinformatik 
Dewey Decimal Classification: 004 Informatik
GHBS-Clases: TVVC
Issue Date: 2009
Publish Date: 2009
Abstract: 
Both visualization and simulation tasks make high demands on
accuracy and interactivity. The former is an evident requisite of
any tool focusing on quality, the latter stands for a responsive
system in which the user has real-time control. A permanent
trade-off between both demands can be observed, since high
accuracy is usually time-consuming.

The graphics processing unit (GPU), which evolved to a powerful
general purpose coprocessor during the last decade, is undoubtedly
becoming an ideal instrument for performing visualization and
simulation tasks accurately and in real-time.

One of the main challenges in the context of geometric flow
visualization and fluid dynamics is the representation of motion.
In both fields, particle systems and grid-based structures
constitute basic models describing the objects to which the motion
is applied.

This work is dedicated to the development of GPU-based particle
techniques and their combination with grids in order to improve
the efficiency of fluid simulation and geometric flow
visualization techniques. All resulting algorithms are
characterized by their parallel nature and by being entirely
executable on graphics hardware.

The first aim is to provide an efficient solution to particle
coupling in the context of fluids based on smoothed particle
hydrodynamics. A parallel processing using graphics hardware is
achieved by providing a grid-based mechanism for the efficient
processing of particle neighborhoods.

The second aim is to provide a set of algorithms for various
geometric flow visualization techniques including flow particles,
flow lines and flow surfaces/volumes. The accuracy is explicitly
addressed in all cases. Accordingly, a method for generating
time-adaptive stream and path lines and a special refinement
scheme for streak lines is presented.

The flow volumes, including time surfaces, path and streak
volumes, are based on a parallel reinterpretation of the particle
level set (PLS) method. This reinterpretation is based on a method
for grid-particle interchange which is similar to the one proposed
for particle coupling. Combining a grid and a particle set takes
the advantages from both models: the grid representation is robust
w.r.t. deformations and topological changes, and the particles are
used to reduce numerical diffusion. For the reinitialization of
the level set function, which is the most time-consuming step of
the PLS algorithm, a hierarchical method for computing distance
transforms is proposed. It turns out that the use of a distance
transform is advantageous for realizing a GPU-based PLS framework.

Sowohl Visualisierungen als auch Simulationen setzen hohe
Ansprüche an Genauigkeit und Interaktivität. Erstere ist eine
offensichtliche Voraussetzung für Werkzeuge, bei denen die
Qualität im Vordergrund steht, letztere steht für ein System, das
in Echtzeit auf Benutzereingaben reagiert. Beide Aspekte liegen in
permanenter Konkurrenz zueinander, denn eine hohe Genauigkeit ist
i.A. zeitaufwändig.

Moderne Graphikprozessoren (engl. Graphics Processing Units bzw.
kurz GPU's) haben sich im Laufe des letzten Jahrzehnts zu
universal einsatzfähigen Recheneinheiten weiterentwickelt. Die GPU
als Coprozessor ist unzweifelhaft ein ideales Werkzeug geworden,
um Visualisierungs- und Simulationsaufgaben in hoher Genauigkeit
und in Echtzeit zu lösen.

Eine der größten Herausforderungen im Kontext geometrischer
Strömungsvisualisierung und der Simulation von Fluiden ist die
Repräsentation von Bewegungen und Verformungen. In beiden
Disziplinen bilden Partikelsysteme und gitterbasierte Strukturen
grundlegende Modelle zur Beschreibung der veränderlichen Objekte.

Diese Arbeit widmet sich der Weiterentwicklung GPU-basierter
Partikelsysteme und deren Kombination mit Gitterstrukturen, um die
Effizienz von Techniken in den beiden zuvor genannten Disziplinen
zu verbessern. Alle resultierenden Algorithmen sind gekennzeichnet
durch Ihren parallelen Aufbau, und dadurch, dass sie vollständig
auf Graphik-Hardware ausführbar sind.

Die erste Zielsetzung besteht darin, eine effiziente
Partikelkopplung im Kontext von Fluiden zu ermöglichen, die auf
den SPH-Ansatz (Smoothed Particle Hydrodynamics) basieren. Eine
parallele Verarbeitung mittels der Graphik-Hardware wird erreicht
durch einen Mechanismus zur effizienten gitterbasierten
Verarbeitung von Partikelnachbarschaften.

Die zweite Zielsetzung besteht darin, einen Satz von Algorithmen
für unterschiedliche geometrische
Strömungsvisualisierungstechniken bereitzustellen, welche die
folgenden Primitive nutzen: Partikel, Linien, Oberflächen und
Volumina. Die Genauigkeit wird in allen Fällen explizit
thematisiert. Dementsprechend wird eine Methode zur Generierung
zeitadaptiver Stream- und Path-Lines und ein Schema zur adaptiven
Verfeinerung von Streak-Lines präsentiert.

Die dritte Kategorie von Primitiven besteht aus Time-Surfaces,
Path- und Streak-Volumes. Diese werden aufgrund einer
Neuinterpretation der PLS-Methode (Particle Level Set)
beschrieben. Diese Neuinterpretation basiert auf einem Schema zum
Gitter-Partikel-Austausch, das dem zuvor für die Partikelkopplung
vorgeschlagenen ähnelt. Die Kombination beider Strukturen, der
Partikelmenge und des Gitters, vereinigt die Vorteile beider
Modelle: Die Gitterrepräsentation ist robust gegenüber
Deformationen und topologischen Veränderungen, und die Partikel
können verwendet werden, um die numerische Diffusion zu
verringern. Für die Reinitialisierung der Level-Set-Funktion,
welche den aufwändigsten Schritt im PLS-Algorithmus bildet, wird
eine hierarchische Methode zur Berechnung eines
Distance-Transforms vorgeschlagen. Es stellt sich heraus, dass die
Nutzung eines Distance-Transforms vorteilhaft bei der Realisierung
eines GPU-basierten PLS-Frameworks.

Alle präsentierten Strömungsvisualisierungstechniken werden auf
ein reales Beispiel im Kontext der Klimaforschung angewandt. Die
Evaluation zeigt, dass das interaktive System die effiziente
Exploration von komplexen Strömungsdatensätzen erleichtert.
URN: urn:nbn:de:hbz:467-4126
urn:nbn:de:hbz:467-4126
URI: https://dspace.ub.uni-siegen.de/handle/ubsi/412
License: https://dspace.ub.uni-siegen.de/static/license.txt
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