Shape: A 3D Modeling Tool for Astrophysics

We present a flexible interactive 3D morpho-kinematical modeling application for astrophysics. Compared to other systems, our application reduces the restrictions on the physical assumptions, data type and amount that is required for a reconstruction of an object's morphology. It is one of the first publicly available tools to apply interactive graphics to astrophysical modeling. The tool allows astrophysicists to provide a-priori knowledge about the object by interactively defining 3D structural elements. By direct comparison of model prediction with observational data, model parameters can then be automatically optimized to fit the observation. The tool has already been successfully used in a number of astrophysical research projects.Comment: 13 pages, 11 figures, accepted for publication in the "IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics

Constrained inverse volume rendering for planetary nebulae

Journal ArticleDetermining the three-dimensional structure of distant astronomical objects is a challenging task, given that terrestrial observations provide only one viewpoint. For this task, bipolar planetary nebulae are interesting objects of study because of their pronounced axial symmetry due to fundamental physical processes. Making use of this symmetry constraint, we present a technique to automatically recover the asymmetric structure of bipolar planetary nebulae from two-dimensional images. With GPU-based volume rendering driving a non-linear optimization, we estimate the nebula's local emission density as a function of its radial and axial coordinates, and we recover the orientation of the nebula relative to Earth. The optimization refines the nebula model and its orientation by minimizing the differences between the rendered image and the original astronomical image. The resulting model enables realistic 3D visualizations of planetary nebulae, e.g. for educational purposes in planetarium shows. In addition, the recovered spatial distribution of the emissive gas allows validating computer simulation results of the astrophysical formation processes of planetary nebulae

Reconstruction and visualization of planetary nebulae

Journal ArticleAbstract-From our terrestrially confined viewpoint, the actual three-dimensional shape of distant astronomical objects is, in general, very challenging to determine. For one class of astronomical objects, however, spatial structure can be recovered from conventional 2D images alone. So-called planetary nebulae (PNe) exhibit pronounced symmetry characteristics that come about due to fundamental physical processes. Making use of this symmetry constraint, we present a technique to automatically recover the axisymmetric structure of many planetary nebulae from photographs. With GPU-based volume rendering driving a nonlinear optimization, we estimate the nebula's local emission density as a function of its radial and axial coordinates and we recover the orientation of the nebula relative to Earth. The optimization refines the nebula model and its orientation by minimizing the differences between the rendered image and the original astronomical image. The resulting model allows creating realistic 3D visualizations of these nebulae, for example, for planetarium shows and other educational purposes. In addition, the recovered spatial distribution of the emissive gas can help astrophysicists gain deeper insight into the formation processes of planetary nebulae

Algebraische 3D-Rekonstruktion planetarischer Nebel

Distant astrophysical objects like planetary nebulae can normally only be observed from a single point of view. Assuming a cylindrically symmetric geometry, one can nevertheless create 3D models of those objects using tomographical methods. Small deviations from axial symmetry can be corrected by means of heuristic processes, though the arising 3D models are, in general, no longer unambiguously defined. Making use of Volume Rendering techniques, the created models are then visualized.Weit entfernte astrophysikalische Objekte wie planetarische Nebel sind der Beobachtung in der Regel nur aus einem einzelnen Blickwinkel zugänglich. Unter Annahme einer zylindersymmetrischen Geometrie lassen sich dennoch mit tomographischen Verfahren 3D-Modelle solcher Objekte erzeugen. Kleinere Abweichungen von der Zylindersymmetrie lassen sich mittels heuristischer Methoden im Modell ergänzen, die entstehenden 3D-Modelle sind jedoch im Allgemeinen nicht mehr eindeutig. Mittels Volume Rendering werden die entstandenen Modelle visualisiert

Constrained Inverse Volume Rendering for Planetary Nebulae

Determining the three-dimensional structure of distant astronomical objects is a challenging task, given that terrestrial observations provide only one viewpoint. For this task, bipolar planetary nebulae are interesting objects of study because of their pronounced axial symmetry due to fundamental physical processes. Making use of this symmetry constraint, we present a technique to automatically recover the axisymmetric structure of bipolar planetary nebulae from two-dimensional images. With GPU-based volume rendering driving a non-linear optimization, we estimate the nebula 's local emission density as a function of its radial and axial coordinates, and we recover the orientation of the nebula relative to Earth. The optimization refines the nebula model and its orientation by minimizing the differences between the rendered image and the original astronomical image. The resulting model enables realistic 3D visualizations of planetary nebulae, e.g. for educational purposes in planetarium shows. In addition, the recovered spatial distribution of the emissive gas allows validating computer simulation results of the astrophysical formation processes of planetary nebulae

Regularisierte Optimierungsverfahren für Rekonstruktion und Modellierung in der Computergraphik

The field of computer graphics deals with virtual representations of the real world. These can be obtained either through reconstruction of a model from measurements, or by directly modeling a virtual object, often on a real-world example. The former is often formalized as a regularized optimization problem, in which a data term ensures consistency between model and data and a regularization term promotes solutions that have high a priori probability. In this dissertation, different reconstruction problems in computer graphics are shown to be instances of a common class of optimization problems which can be solved using a uniform algorithmic framework. Moreover, it is shown that similar optimization methods can also be used to solve data-based modeling problems, where the amount of information that can be obtained from measurements is insufficient for accurate reconstruction. As real-world examples of reconstruction problems, sparsity and group sparsity methods are presented for radio interferometric image reconstruction in static and time-dependent settings. As a modeling example, analogous approaches are investigated to automatically create volumetric models of astronomical nebulae from single images based on symmetry assumptions.Das Feld der Computergraphik beschäftigt sich mit virtuellen Abbildern der realen Welt. Diese können erlangt werden durch Rekonstruktion eines Modells aus Messdaten, oder durch direkte Modellierung eines virtuellen Objekts, oft nach einem realen Vorbild. Ersteres wird oft als regularisiertes Optimierungsproblem dargestellt, in dem ein Datenterm die Konsistenz zwischen Modell und Daten sicherstellt, während ein Regularisierungsterm Lösungen fördert, die eine hohe A-priori-Wahrscheinlichkeit aufweisen. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass verschiedene Rekonstruktionsprobleme der Computergraphik Instanzen einer gemeinsamen Klasse von Optimierungsproblemen sind, die mit einem einheitlichen algorithmischen Framework gelöst werden können. Darüber hinaus wird gezeigt, dass vergleichbare Optimierungsverfahren auch genutzt werden können, um Probleme der datenbasierten Modellierung zu lösen, bei denen die aus Messungen verfügbaren Daten nicht für eine genaue Rekonstruktion ausreichen. Als praxisrelevante Beispiele für Rekonstruktionsprobleme werden Sparsity- und Group-Sparsity-Methoden für die radiointerferometrische Bildrekonstruktion im statischen und zeitabhängigen Fall vorgestellt. Als Beispiel für Modellierung werden analoge Verfahren untersucht, um basierend auf Symmetrieannahmen automatisch volumetrische Modelle astronomischer Nebel aus Einzelbildern zu erzeugen

Realistic rendering and reconstruction of astronomical objects and an augmented reality application for astronomy

These days, there is an ever increasing need for realistic models, renderings and visualization of astronomical objects to be used in planetarium and as a tool in modern astrophysical research. One of the major goals of this dissertation is to develop novel algorithms for recovering and rendering 3D models of a specific set of astronomical objects. We first present a method to render the color and shape of the solar disc in different climate conditions as well as for different height to temperature atmospheric profiles. We then present a method to render and reconstruct the 3D distribution of reflection nebulae. The rendering model takes into account scattering and absorption to generate physically realistic visualization of reflection nebulae. Further, we propose a reconstruction method for another type of astronomical objects, planetary nebulae. We also present a novel augmented reality application called the augmented astronomical telescope, tailored for educational astronomy. The real-time application augments the view through a telescope by projecting additional information such as images, text and video related to the currently observed object during observation. All methods previously proposed for rendering and reconstructing astronomical objects can be used to create novel content for the presented augmented reality application.Realistische Modelle, Visualisierungen und Renderings von astronomischen Objekten gewinnen heuzutage in Planetarium Shows oder als Werkzeug für die Astrophysikalische Forschung immer mehr an Bedeutung. Eines der Hauptziele dieser Dissertation ist es, neue Algorithmen zum Rendering und zur Rekonstruktion von Astronomischen Objekten zu entwickeln. Wir beschreiben zuerst ein Verfahren zum Rendering von Farbe und Form der Sonnenscheibe für verschiedene Klimate und gegebenen Höhe zu Temperatur Profilen. Im weiterem wird eine Methode zum Rendering und zur Rekonstruktion von 3D Modellen von Reflexionsnebeln präsentiert. Das Renderingmodell berücksichtigt Streuung und Absorption, um physikalisch realistische Visualisierungen von Reflexionsnebeln zu erzeugen. Weiter, wird ein Rekonstruktionsalgorithmus für eine andere Art astronomischer Objekte, Planetarische Nebel, vorgeschlagen. Wir stellen eine neuartige Erweiterte Realität Anwendung vor, welche für die astronomische Bildung zugeschnitten ist. Die Anwedung erweitert die Sicht durch das Okular des Teleskopes und projiziert zusätzliche Informationen wie Bilder, Text und Video online, während des Betrachtens. Alle vorher erwähnten Verfahren zum Rendering und zur Rekonstruktion von Astronomischen Objekten können verwendet werden, um Inhalte für die vorgestellte Erweiterte Realität Anwendung zu entwerfen

Realistic rendering and reconstruction of astronomical objects and an augmented reality application for astronomy

These days, there is an ever increasing need for realistic models, renderings and visualization of astronomical objects to be used in planetarium and as a tool in modern astrophysical research. One of the major goals of this dissertation is to develop novel algorithms for recovering and rendering 3D models of a specific set of astronomical objects. We first present a method to render the color and shape of the solar disc in different climate conditions as well as for different height to temperature atmospheric profiles. We then present a method to render and reconstruct the 3D distribution of reflection nebulae. The rendering model takes into account scattering and absorption to generate physically realistic visualization of reflection nebulae. Further, we propose a reconstruction method for another type of astronomical objects, planetary nebulae. We also present a novel augmented reality application called the augmented astronomical telescope, tailored for educational astronomy. The real-time application augments the view through a telescope by projecting additional information such as images, text and video related to the currently observed object during observation. All methods previously proposed for rendering and reconstructing astronomical objects can be used to create novel content for the presented augmented reality application.Realistische Modelle, Visualisierungen und Renderings von astronomischen Objekten gewinnen heuzutage in Planetarium Shows oder als Werkzeug für die Astrophysikalische Forschung immer mehr an Bedeutung. Eines der Hauptziele dieser Dissertation ist es, neue Algorithmen zum Rendering und zur Rekonstruktion von Astronomischen Objekten zu entwickeln. Wir beschreiben zuerst ein Verfahren zum Rendering von Farbe und Form der Sonnenscheibe für verschiedene Klimate und gegebenen Höhe zu Temperatur Profilen. Im weiterem wird eine Methode zum Rendering und zur Rekonstruktion von 3D Modellen von Reflexionsnebeln präsentiert. Das Renderingmodell berücksichtigt Streuung und Absorption, um physikalisch realistische Visualisierungen von Reflexionsnebeln zu erzeugen. Weiter, wird ein Rekonstruktionsalgorithmus für eine andere Art astronomischer Objekte, Planetarische Nebel, vorgeschlagen. Wir stellen eine neuartige Erweiterte Realität Anwendung vor, welche für die astronomische Bildung zugeschnitten ist. Die Anwedung erweitert die Sicht durch das Okular des Teleskopes und projiziert zusätzliche Informationen wie Bilder, Text und Video online, während des Betrachtens. Alle vorher erwähnten Verfahren zum Rendering und zur Rekonstruktion von Astronomischen Objekten können verwendet werden, um Inhalte für die vorgestellte Erweiterte Realität Anwendung zu entwerfen

Visualisierung von planetarischen Nebeln in Celestia

Weltraumnebel sind Wolken aus Staub und Gas. Diese können in verschiedene Kategorien eingeteilt werden. Sie können Licht von benachbarten Sternen reflektieren (Reflexionsnebel), selbst Licht emittieren (Emissionsnebel) oder Licht absorbieren (Dunkelwolke). Aufgrund ihrer Farbenvielfalt und Struktur besteht ein Interesse dreidimensionale Modelle dieser Nebel zu erstellen. Da nur 2D Aufnahmen dieser Gebilde vorliegen müssen die Modelle aus diesen Aufnahmen rekonstruiert werden. Dazu können die Modelle komplett von Hand modelliert werden, oder es können automatische Verfahren eingesetzt werden. Automatische Verfahren sind deutlich schneller, daher wurden die verwendeten Nebel mit einem solchen Verfahren rekonstruiert. Die damit erstellten Modelle können mit einem Volumen Rendering Verfahren dargestellt werden. Hierzu kann entweder ein direktes oder indirektes Verfahren verwendet werden. Bei den indirekten Verfahren werden aus dem Modell Polygonflächen erzeugt. Das direkte Volumen Rendering Verfahren arbeitet direkt auf den Volumendaten. Mit Raycasting wird ein direktes Verfahren verwendet, das in das Programm Celestia eingebettet wurde