Konzept und Implementierung eines Systems zur Visualisierung von Zelldifferenzierungssimulationen

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, zunächst den Stand der Forschung auf dem Gebiet der Zelldifferenzierungssimulatoren und –visualisierungen zu ermitteln. Davon ausgehend wurde ein eigenes Konzept für ein Visualisierungssystem entwickelt. Es wurde in einer prototypischen Implementierung mit dem Titel D-VISION umgesetzt. Die Recherchearbeiten ergaben, dass in der Forschung bisher hauptsächlich biochemische Reaktions-Netzwerke, die mithilfe von Differentialgleichungen gelöst werden, für Zell-Simulationen benutzt werden. Der dabei verwendete Abstraktionsgrad der repräsentierten Zellen ist zu hoch, um die gestellten Anforderungen einer realistischen 3D-Darstellung der Zellen zu erfüllen. Die grundlegende Idee, die Zelldifferenzierung aufgrund ihrer Genexpression also der in den Zellen vorhandenen Substanzen zu beschreiben, wurde als Basis für das Konzept für D-VISION verwendet. Die Daten, die visualisiert werden sollen, sind die Zellen selbst, die Substanzen, die in der Zelle vorhanden sind, Substanzen an der Zellhülle und die Gene, die in einer Zelle aktiv sind. Die Visualisierung wird durch Darstellung von aufeinander folgenden Standbildern vorgenommen, in denen navigiert werden kann. Zellen werden in Form von Kugeln repräsentiert, die, um eine realistischere Ansicht zu erreichen, so deformiert werden, dass sich die Kugeloberflächen aneinander angleichen. Die Deformation bietet nicht nur in der Ansicht von außen ein natürliches Bild. Auch die Möglichkeit, ein Schnittbild durch den Zellhaufen zu erzeugen, ergibt durch die Deformation eine mit realen Mikroskopieaufnahmen vergleichbare Darstellung. Ein solches zweidimensionales Schnittbild kann durch Verschieben der Schnittebene eine stufenlose Fahrt durch die Schichten des simulierten Zellhaufens zeigen. Neben den Zellen selbst, liegt ein besonderes Augenmerk auf der Darstellung von Substanzkonzentrationen. Sie werden durch kleine Objekte (Tiny Cubes) dargestellt. Allerdings unterscheidet sich ihr Einsatz von der bisher verbreiteten Methode, volumetrische Daten durch Farbskalen zu repräsentieren. Sie geben die Stoffmengen allein durch ihre Anzahl wieder. Um Zusammenhänge mit der Zelldifferenzierung erkennbar zu machen, können bis zu drei verschiedene Stoffe gleichzeitig angezeigt werden. Der Benutzer hat die Möglichkeit, Regeln bezüglich des Zustandes von Zellen zu formulieren. Die so definierten Zellklassen, fassen Zellen gleichen Typs zusammen und ermöglichen so die Darstellung von Zelldifferenzierung. D-VISION wurde konzipiert, um auch mit Simulatoren zusammen zu arbeiten, die Grid Computing für ihre Berechnungen nutzen. Ein separater Datenaufbereiter soll die Simulationsdaten verwalten. Der entwickelte Prototyp ist flexibel genug, um auch mit einfacheren Simulatoren zusammenzuarbeiten. Auf welchem Weg die visualisierten Daten gewonnen werden, spielt keine Rolle. Auch reine Messwerte, können zu guten Bildern führen

Effiziente 3D-Interaktions- und Visualisierungstechniken für benutzer-zentrierte Modellierungssysteme

Heute werden 3D-Modellierungssysteme (3D-CAD-Systeme) hauptsächlich in Verbindung mit 2D-Ein- und -Ausgabegeräten verwendet, was zur Folge hat, daß 3D-Interaktionen aus einer Sequenz von 2D-Eingaben zusammengesetzt werden müssen. Dies erfordert eine mentale Abbildung seitens des Benutzers. CAD-Systeme sind traditionell technologie-zentriert. Alternativ bietet sich ein benutzer-zentrierter Ansatz an, den den Mensch in den Mittelpunkt stellt und ein intuitiveren und effizienteren Mensch-Maschine-Dialog ermöglicht. Benutzer-zentrierte Ansätze erfordern die Berücksichtigung der wahrnehmungs- psychologischen und motorischen Fähigkeiten sowie Einschränkungen des Menschen. Benutzer-zentrierte Systeme laden zum experimentellen Erforschen der System- eigenschaften ein. Sie sollen ein flexibles Maß an Kooperationsunterstützung sowie Immersion bieten und dem Benutzer einen unmittelbareren Umgang mit dem System ermöglichen. Übertragen auf ein Modellierungssystem bedeutet dies, daß eine integrierte Betrachtung der Anforderungen von CAD, Virtueller Realität (VR) und computer-unterstützter Zusammenarbeit (CSCW) erforderlich ist. VR-Technologie, wie z.B. 3D-Eingabegeräte, haben in der Vergangenheit ihre Intuitivität für herkömmliche Interaktionen in VR, wie Greifen und Bewegen, bereits unter Beweis gestellt. Aber 3D-Eingabegeräte sind für Modellierungs- aufgaben bislang nicht in größerem Umfang akzeptiert. Das ist darauf zurück- zuführen, daß die bislang entwickelten 3D-Interaktionstechniken die CAD-spezifischen Anforderungen, wie Präzision und Effizienz, kaum in Betracht zogen. Aus diesem Grund wurden im Rahmen der Arbeit neuartige 3D-Interaktions- techniken insbesondere für die Volumenmodellierung entwickelt, die die Reiz-Reaktions-Korrespondenz wahren, direkte Manipulationen unterstützen und Präzision sowie Effizienz bieten. Diese Interaktionstechniken wurden mit entsprechenden Visualisierungstechniken kombiniert, die die Form von Objekten und deren räumliche Relationen augenfällig darstellen. Darüber hinaus wurde eine Systemarchitektur für benutzer-zentrierte Modellierungssysteme erarbeitet, die die Anforderungen von CAD, VR und CSCW gleichermaßen erfüllt. Eine prototypische Umsetzung zeigt direkt- manipulatives, kooperatives Modellieren mit 3D-Eingabegeräten in einer verteilten virtuellen Umgebung mit unterschiedlichem Maß an Immersion. Mit den entwickelten Interaktionstechniken konnte gezeigt werden, daß 3D-Eingabegeräte auch im Konstruktionsprozeß, wo Präzision eine Kernforderung ist, Vorteile bieten können. Ein neues Interaktionsparadigma, die Topologie- basierte eingeschränkte Modifikationstechnik (TCBM) ist der Schlüssel, um Eingabegeräte mit 6 Freiheitsgraden für CAD-spezifische Modifikationen zu nutzen, die oft nur eine geringere Anzahl von Freiheitsgraden benötigen. Die TCBM nutzt die 6 Freiheitsgrade von 3D-Eingabegeräten zur nicht-modalen, gesten-basierten Interaktion. Ein flexibles Diskretisierungsschema sorgt für die im detaillierten Konstruktionsprozeß benötigte Präzision der Interaktionen. Die Kombination dieser neuen Techniken und Algorithmen ermöglicht eine effiziente und präzise geometrische Modellierung mit 3D-Eingabegeräten

Interactive simulation and visualisation for the computerised biochemistry

Die moderne Biochemie ist eine Wissenschaft, die sich im Wandel befindet. Während die bisherige Forschung sehr stark experimentell geprägt ist, existiert eine theoretische Biologie, analog zur theoretischen Chemie, nur in Ansätzen. Trotzdem wandelt sich auch diese Wissenschaft hin zu einer stärkeren Einbindung theoretischer Ansätze. Der Grund hierfür liegt in der Betrachtung von zunehmend komplexeren Systemen. So beschäftigt man sich in der Systembiologie, einem Teilbereich der Biochemie, unter anderem mit der Aufklärung komplexer Reaktionsnetzwerke. Während Ausschnitte dieser Netzwerke weiterhin experimentell aufgeklärt und verstanden werden, lässt sich das zusammenhängende Bild zunehmend nur noch durch eine theoretisch geprägte Modellbildung fassen. Darüber hinaus zeigen neuere Forschungsergebnisse die Bedeutung der Tatsache, dass Moleküle, Zellen und Zellhaufen, also wichtige Forschungsubjekte der Biochmie, dreidimensionale Gebilde sind – eine Tatsache, die bei der Modellbildung berücksichtigt werden muss. Eine Antwort auf die genannten Herausforderungen ist der konzertierte Einsatz von Simulation und Visualisierung als Mittel des Erkenntnisgewinns. Damit ist die Informatik gefordert entsprechende dedizierte Werkzeuge zu entwickeln, die Simulation, Visualisierung und Interaktion im Kontext des von der Anwendungsdisziplin gesetzten räumlich-zeitlichen Problemkreises miteinander verbinden. In dieser Arbeit wird ein integriertes Konzept zu Simulation, Interaktivität und Visualisierung vorgelegt, das auf einer Anforderungsanalyse in Bezug auf Anforderungen an die Simulation und Anforderungen an die Interaktivität und Visualisierung basiert. Zur Lösung der aufgeworfenen Probleme wird ein „Baukastensystem“ auf Basis von Multi-Agenten-Systemen vorgeschlagen. Die Auswahl des geeigneten Simulationsverfahrens, z. B. die Auswahl eines stochastischen Verfahrens gegenüber einem deterministischen Verfahrens, wird so zur Auswahl eines Bausteins, wobei gezeigt wird, wie z. B. mit Hilfe von Regeln die Auswahl auch automatisiert werden kann. Ebenso wird gezeigt, wie man „Baussteine“ auch im räumlichen Sinne verstehen kann, als Dinge, die in einem dreidimensionalen Kontext einen bestimmten Raum einnehmen und die, in ihrer Gesamtheit betrachtet, den Beobachtungsraum der Simulation ausfüllen. Diese Bausteine finden sich entsprechend ebenfalls im Kontext der Interaktion wieder. Ein wichtiger Aspekt in diesem Baukastenkonzept ist die Frage der Kommunikationsstruktur und des Kommunikationsprotokolls, für den ein Vorschlag erarbeitet wird. Das entwickelte Gesamtkonzept besteht aus zwei Teilen: Einem Konzept für Ein- und Ausgabegeräte mit einer gemeinsamen Metapher, die die Geräte logisch in den Anwendungskontext einbettet und einem Simulations- und Visualisierungskonzept auf der Basis der Kopplung heterogener intelligenter Agenten in eine gemeinsame Simulationsumgebung. Hierfür wurde ein spezieller Dialekt einer Agentenkommunikationssprache entwickelt, der dabei insbesondere den Aspekt der dreidimensionalen Visualierung einer solchen Simulation berücksichtigt.Modern biochemistry is a science is changing rapidly. While traditional research in this field is characterised by experimental studies, there is a growing interest in the inclusion computerised, model and simulation based methodologies. Although the objects of research are three dimensional entities, like molecules, cells etc. and a number of phenomena within these entities are identified as three dimensional, many models used nowadays abstract from this three-dimensionality. This is, at least to a significant part, due to the lack of dedicated visualisation and simulation tools. This thesis presents an integrated concept for the interactive simulation and visualisation in the biochemistry domain of molecular modelling, systems biology and multi-cellular structures which is based on a thorough requirements analysis. The concept consists of a modular system based on multi-agent methodologies. It is shown how this system can be used to couple heterogeneous simulation models and how three-dimensional structures can be represented in a modular way. These modular building blocks are revisited in the context of the inteactive visulisation of simulation studies. The concept is based on a newly developed agent communication language dialect. The implementation of the concept is twofold: a new I/O device, the virtual glove box, allowes for an intuitive approach to the simulation infrastructure, while several integrated software systems built on the communication structure provide a suited simulation and visualisation infrastructure wich caters for the needs of simulating three-dimensional phenomena