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

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

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

Cinematic Scientific Visualizations

The Hubble Space Telescope has provided the world with incredible imagery of the surrounding universe. The aesthetic quality of this imagery is limited by production resources; by creating a method to harness the highly refined detail and quality of CG elements in live-action films, we can inspire and educate at a much greater level. In this thesis, I create a rendering approach that allows camera movement around and through elements such as nebulae and galaxies, creating a more cinematic experience. The solution will also allow for reasonable scientific accuracy, visual appeal, efficiency, and extendability to other astronomical visualizations. 3D meshes are constructed and textured using telescopic images as reference. Splats are volumetrically generated using a voxelized bounding box around the mesh. Valid splats within a user specified maximum distance receive initial color and alpha values from the texture map. Probability density functions are used to create a density falloff along the edges of the object, and modifications to the RGBA values are made to achieve the desired cloud-like appearance. The data sets are rendered using a C program developed at the Space Telescope Science Institute by Dr. Frank Summers. The methodology is applied to the test cases of a nebula, star-forming region Sharpless 2-106, and a galaxy, Messier 51, or the Whirlpool Galaxy. The results of this thesis demonstrate the visual, scientific, and technical success of this solution. The code developed during this project generates the desired imagery with reasonable efficiency. A short animation moving from outside the galaxy to a close up of the nebula exhibits the flexibility in scale and camera movement. A careful balance between scientific accuracy and visual appeal were maintained through consultation with astronomers at the Space Telescope Science Institute. The favorable efficient, flexible, visual, and scientific results presented by this work make this process extendable to most other cases of nebula and galaxy visualizations

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