Hasso-Plattner-InstitutSDG am HPI
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Stefan Buschmann

A Software Framework for GPU-based Geo-Temporal Visualization Techniques

Räumlich-zeitliche Daten sind Daten, welche sowohl einen Raum- als auch einen Zeitbezug aufweisen. So können beispielsweise Zeitreihen von Geodaten, thematische Karten die sich über die Zeit verändern, oder Bewegungsaufzeichnungen von sich bewegenden Objekten als räumlich-zeitliche Daten aufgefasst werden. In der heutigen automatisierten Welt gibt es eine wachsende Anzahl von Datenquellen, die beständig räumlich-zeitliche Daten generieren. Hierzu gehören beispielsweise Verkehrsüberwachungssysteme, die Bewegungsdaten von Menschen oder Fahrzeugen aufzeichnen, Fernerkundungssysteme, die regelmäßig unsere Umgebung scannen und digitale Abbilder wie z.B. Stadt- und Landschaftsmodelle erzeugen, sowie Sensornetzwerke in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten, wie z.B. der Logistik, der Verhaltensforschung von Tieren, oder der KIimaforschung. Zur Analyse räumlich-zeitlicher Daten werden neben der automatischen Analyse mittels statistischer Methoden und Data-Mining auch explorative Methoden angewendet, welche auf der interaktiven Visualisierung der Daten beruhen. Diese Methode der Analyse basiert darauf, dass Anwender in Form interaktiver Visualisierung die Daten explorieren können, wodurch die menschliche Wahrnehmung sowie das Wissen der User genutzt werden, um Muster zu erkennen und dadurch einen Einblick in die Daten zu erlangen. Diese Arbeit beschreibt ein Software-Framework für die Visualisierung räumlich-zeitlicher Daten, welches GPU-basierte Techniken beinhaltet, um die interaktive Visualisierung und Exploration großer räumlich-zeitlicher Datensätze zu ermöglichen. Die entwickelten Techniken umfassen Datenhaltung, Prozessierung und Rendering und ermöglichen es, große Datenmengen in Echtzeit zu prozessieren und zu visualisieren. Die beschriebenen Techniken basieren auf dem Konzept einer GPU-zentrierten Visualisierungspipeline, in welcher alle Stufen — Prozessierung, Mapping, Rendering — auf der GPU ausgeführt werden. Bei diesem Konzept werden die räumlich-zeitlichen Daten direkt im GPU-Speicher abgelegt. Während des Rendering-Prozesses werden dann mittels Shader-Programmen die Daten prozessiert, gefiltert, ein Mapping auf visuelle Attribute vorgenommen, und schließlich die Geometrie für die Visualisierung erzeugt. Datenprozessierung, Filtering und Mapping können daher in Echtzeit ausgeführt werden. Dies ermöglicht es Usern, die Mapping-Parameter sowie den gesamten Visualisierungsprozess interaktiv zu steuern und zu kontrollieren. Auf Basis dieses Konzeptes wurden Visualisierungsmethoden für zwei verschiedene Arten räumlich-zeitlicher Daten implementiert: Die Visualisierung von attributierten 3D-Trajektorien, sowie die Visualisierung großer georeferenzierter Netzwerke. Es wurden interaktive Tools für zwei unterschiedliche Anwendungsfälle entwickelt. Das erste beinhaltet die Visualisierung attributierter 3D-Trajektorien, welche die Bewegungen von Flugzeugen um einen Flughafen beschreiben. Es erlaubt Nutzern durch interaktives Mapping und Filtering, eine große Anzahl von Flugbewegungen zu visualisieren und zu explorieren. Außerdem können unterschiedliche Prozessierungs- und Visualisierungsmethoden interaktiv kombiniert werden, bspw. interaktive 3D-Trajektorienvisualisierung mit 2D-Dichtekarten. Der zweite Anwendungsfall beinhaltet die Visualisierung von geographischen Netzwerken in der Klimaforschung. Dies umfasst die interaktive Visualisierung großer georeferenzierter Netzwerke innerhalb ihres geographischen Kontextes, und erlaubt interaktives Filtering, Mapping, sowie Selektion. Verschiedene 2D- und 3D-Representationen der geographischen Umgebung können dabei interaktiv ausgewählt werden, um die Daten im geographischen Kontext interpretieren zu können.