Generalized Framework and Algorithms for Illustrative Visualization of Time-Varying Data on Unstructured Meshes

Photo- and physically-realistic techniques are often insufficient for visualization of simulation results, especially for 3D and time-varying datasets. Substantial research efforts have been dedicated to the development of non-photorealistic and illustration-inspired visualization techniques for compact and intuitive presentation of such complex datasets. While these efforts have yielded valuable visualization results, a great deal of work has been reproduced in studies as individual research groups often develop purpose-built platforms. Additionally, interoperability between illustrative visualization software is limited due to specialized processing and rendering architectures employed in different studies. In this investigation, a generalized framework for illustrative visualization is proposed, and implemented in marmotViz, a ParaView plugin, enabling its use on variety of computing platforms with various data file formats and mesh geometries. Detailed descriptions of the region-of-interest identification and feature-tracking algorithms incorporated into this tool are provided. Additionally, implementations of multiple illustrative effect algorithms are presented to demonstrate the use and flexibility of this framework. By providing a framework and useful underlying functionality, the marmotViz tool can act as a springboard for future research in the field of illustrative visualization

Doctor of Philosophy

dissertationA broad range of applications capture dynamic data at an unprecedented scale. Independent of the application area, finding intuitive ways to understand the dynamic aspects of these increasingly large data sets remains an interesting and, to some extent, unsolved research problem. Generically, dynamic data sets can be described by some, often hierarchical, notion of feature of interest that exists at each moment in time, and those features evolve across time. Consequently, exploring the evolution of these features is considered to be one natural way of studying these data sets. Usually, this process entails the ability to: 1) define and extract features from each time step in the data set; 2) find their correspondences over time; and 3) analyze their evolution across time. However, due to the large data sizes, visualizing the evolution of features in a comprehensible manner and performing interactive changes are challenging. Furthermore, feature evolution details are often unmanageably large and complex, making it difficult to identify the temporal trends in the underlying data. Additionally, many existing approaches develop these components in a specialized and standalone manner, thus failing to address the general task of understanding feature evolution across time. This dissertation demonstrates that interactive exploration of feature evolution can be achieved in a non-domain-specific manner so that it can be applied across a wide variety of application domains. In particular, a novel generic visualization and analysis environment that couples a multiresolution unified spatiotemporal representation of features with progressive layout and visualization strategies for studying the feature evolution across time is introduced. This flexible framework enables on-the-fly changes to feature definitions, their correspondences, and other arbitrary attributes while providing an interactive view of the resulting feature evolution details. Furthermore, to reduce the visual complexity within the feature evolution details, several subselection-based and localized, per-feature parameter value-based strategies are also enabled. The utility and generality of this framework is demonstrated by using several large-scale dynamic data sets

Illustrative Flow Visualization of 4D PC-MRI Blood Flow and CFD Data

Das zentrale Thema dieser Dissertation ist die Anwendung illustrativer Methoden auf zwei bisher ungelöste Probleme der Strömungsvisualisierung. Das Ziel der Strömungsvisualisierung ist die Bereitstellung von Software, die Experten beim Auswerten ihrer Strömungsdaten und damit beim Erkenntnisgewinn unterstützt. Bei der illustrativen Visualisierung handelt es sich um einen Zweig der Visualisierung, der sich an der künstlerischen Arbeit von Illustratoren orientiert. Letztere sind darauf spezialisiert komplizierte Zusammenhänge verständlich und ansprechend zu vermitteln. Die angewendeten Techniken werden in der illustrativen Visualisierung auf reale Daten übertragen, um die Effektivität der Darstellung zu erhöhen. Das erste Problem, das im Rahmen dieser Dissertation bearbeitet wurde, ist die eingeschränkte Verständlichkeit von komplexen Stromflächen. Selbstverdeckungen oder Aufrollungen behindern die Form- und Strömungswahrnehmung und machen diese Flächen gerade in interessanten Strömungssituationen wenig nützlich. Auf Basis von handgezeichneten Strömungsdarstellungen haben wir ein Flächenrendering entwickelt, das Silhouetten, nicht-photorealistische Beleuchtung und illustrative Stromlinien verwendet. Interaktive Flächenschnitte erlauben die Exploration der Flächen und der Strömungen, die sie repräsentieren. Angewendet auf verschiedene Stromflächen ließ sich zeigen, dass die Methoden die Verständlichkeit erhöhen, v.a. in Bereichen komplexer Strömung mit Aufwicklungen oder Singularitäten. Das zweite Problem ist die Strömungsanalyse des Blutes aus 4D PC-MRI-Daten. An diese relativ neue Datenmodalität werden hohe Erwartungen für die Erforschung und Behandlung kardiovaskulärer Krankheiten geknüpft, da sie erstmals ein dreidimensionales, zeitlich aufgelöstes Abbild der Hämodynamik liefert. Bisher werden 4D PC-MRI-Daten meist mit Werkzeugen der klassischen Strömungsvisualisierung verarbeitet. Diese werden den besonderen Ansprüchen der medizinischen Anwender jedoch nicht gerecht, die in kurzer Zeit eine übersichtliche Darstellung der relevanten Strömungsaspekte erhalten möchten. Wir haben ein Werkzeug zur visuellen Analyse der Blutströmung entwickelt, welches eine einfache Detektion von markanten Strömungsmustern erlaubt, wie z.B. Jets, Wirbel oder Bereiche mit hoher Blutverweildauer. Die Grundidee ist hierbei aus vorberechneten Integrallinien mit Hilfe speziell definierter Linienprädikate die relevanten, d.h. am gefragten Strömungsmuster, beteiligten Linien ausgewählt werden. Um eine intuitive Darstellung der Resultate zu erreichen, haben wir uns von Blutflußillustrationen inspirieren lassen und präsentieren eine abstrakte Linienbündel- und Wirbeldarstellung. Die Linienprädikatmethode sowie die abstrakte Darstellung der Strömungsmuster wurden an 4D PC-MRI-Daten von gesunden und pathologischen Aorten- und Herzdaten erfolgreich getestet. Auch die Evaluierung durch Experten zeigt die Nützlichkeit der Methode und ihr Potential für den Einsatz in der Forschung und der Klinik.This thesis’ central theme is the use of illustrative methods to solve flow visualization problems. The goal of flow visualization is to provide users with software tools supporting them analyzing and extracting knowledge from their fluid dynamics data. This fluid dynamics data is produced in large amounts by simulations or measurements to answer diverse questions in application fields like engineering or medicine. This thesis deals with two unsolved problems in flow visualization and tackles them with methods of illustrative visualization. The latter is a subbranch of visualization whose methods are inspired by the art work of professional illustrators. They are specialized in the comprehensible and esthetic representation of complex knowledge. With illustrative visualization, their techniques are applied to real data to enhance their representation. The first problem dealt with in this thesis is the limited shape and flow perception of complex stream surfaces. Self-occlusion and wrap-ups hinder their effective use in the most interesting flow situations. On the basis of hand-drawn flow illustrations, a surface rendering method was designed that uses silhouettes, non-photorealistic shading, and illustrative surface stream lines. Additionally, geometrical and flow-based surface cuts allow the user an interactive exploration of the surface and the flow it represents. By applying this illustrative technique to various stream surfaces and collecting expert feedback, we could show that the comprehensibility of the stream surfaces was enhanced – especially in complex areas with surface wrap-ups and singularities. The second problem tackled in this thesis is the analysis of blood flow from 4D PC-MRI data. From this rather young data modality, medical experts expect many advances in the research of cardiovascular diseases because it delivers a three-dimensional and time-resolved image of the hemodynamics. However, 4D PC-MRI data are mainly processed with standard flow visualizaton tools, which do not fulfill the requirements of medical users. They need a quick and easy-to-understand display of the relevant blood flow aspects. We developed a tool for the visual analysis of blood flow that allows a fast detection of distinctive flow patterns, such as high-velocity jets, vortices, or areas with high residence times. The basic idea is to precalculate integral lines and use specifically designed line predicates to select and display only lines involved in the pattern of interest. Traditional blood flow illustrations inspired us to an abstract and comprehensible depiction of the resulting line bundles and vortices. The line predicate method and the illustrative flow pattern representation were successfully tested with 4D PC-MRI data of healthy and pathological aortae and hearts. Also, the feedback of several medical experts confirmed the usefulness of our methods and their capabilities for a future application in the clinical research and routine

Illustrative Informationsvisualisierung

Mit wachsender Größe von Daten wird es zunehmend schwerer, die in der Informationsvisualisierung erzeugte visuelle Repräsentation zu interpretieren und die relevanten Informationen adäquat darzustellen. Die Illustration beschäftigt sich seit längerem mit der Kommunikation wichtiger Bildinformationen. Das Ziel dieser Dissertation ist es deshalb, illustrative Verfahren in Techniken der Informationsvisualisierung zu integrieren - sowohl konzeptuell als auch in praktischer Anwendung. Als Ergebnis unterstützen die neu entwickelten Lösungsansätze die Kommunikation dargestellter Informationen