Neue Ansätze zur Visualisierung wissenschaftlicher Daten über das Internet

Eine der beeindruckendsten Entwicklungen, die auf dem Gebiet der Kommunikationstechnologie in den vergangenen Jahren stattgefunden haben, war die Entwicklung des World Wide Web (WWW) auf der Basis des Internet. Die Kombination aus einfach bedienbaren Browsern auf unterschiedlichsten Rechnerplattformen und verteilten Servern hat völlig neue Möglichkeiten Informationen einer großen Benutzergruppe zur Verfügung zu stellen, eröffnet. Wir sehen in dieser Entwicklung des Internet eine exzellente Möglichkeit, Neuerungen auf dem Gebiet der Visualisierung wissenschaftlicher Daten, innerhalb kürzester Zeit einer breiten Gruppe von Anwendern, unabhängig von der von ihnen verwendeten Hard- und Softwareumgebung, zur Verfügung zu stellen. Visualisierung wird in verschiedensten Wissenschaftsdisziplinen zur Untersuchung und Illustration großer Datenmengen herangezogen ("Erzeugen von Bildern aus riesigen Zahlenhaufen"). Ein wichtiges Teilgebiet innerhalb der Visualisierung wissenschaftlicher Daten ist die Visualisierung dynamischer Systeme. Vorgänge der realen Welt, z.B. Wertpapierkurse, Wettervorgänge, Ausbreitung von Wellen, Ökonometrische Systeme, chemische Reaktionen oder biologische Vorgänge, werden häufig als dynamische Systeme modelliert. Das Verständnis der Modelle gewährt nützliche Einblicke in die Dynamik der modellierten Vorgänge. Visualisierung unterstützt die, oftmals auf Grund hoher Dimensionalität, Nichtlinearität oder chaotischem Verhalten sehr komplexe, Analyse und Erforschung der Eigenschaften komplexer dynamischer Systeme. Durch den Einsatz spezialisierter Visualisierungstechniken können die Eigenschaften des dynamischen Systems in einer mehr intuitiven und für den Betrachter verständlichen Form dargestellt werden. Zu diesem Zweck ist in der Vergangenheit eine breite Palette an Visualisierungstechniken entwickelt worden (von lkonen und Glyphen zur Darstellung des Systemverhaltens bei bestimmten Systemzuständen, bis zu Methoden wie Strömungslinien oder Strömungsflächen, die zur Darstellung des Systemverhaltens über längere Zeitperioden dienen). Die Entwicklung solcher Visualisierungsmethoden wird üblicherweise von Wissenschaftlern unter Verwendung spezieller Graphikhardware (z.B. Workstations von Silicon Graphics) und teuren Visualisierungssoftware (z.B. AVS oder IRIS Explorer) durchgeführt. Die Mehrzahl der potentiellen Nutznießer dieser Techniken hat jedoch nur selten Zugang zu Hard- und Software Ressourcen, die zu den Ressourcen der Entwickler kompatibel sind. Die Folge davon ist Ineffizienz und lange Verzögerungen in der Weitergabe der Innovationen von den entwickelnden Forschem zu den anwendenden Wissenschaftlern. Wir schlagen deshalb vor, die Einfachheit des Umgangs mit dem WWW und das Potential des Internet für portables und transparentes Computing auszunützen, um die Vorteile hochentwickelter Visualisierungstechniken einer breiten Gruppen von Benutzern, die mit dynamischen Systemen arbeiten, ohne jedoch Zugriff zu teurer Hard- und Software zu haben, zur Verfügung zu stellen. Um Akzeptanz innerhalb der Zielgruppe zu erreichen muß die Lösung folgende Merkmale aufweisen: Portabilität: Das System soll auf möglichst allen verbreiteten Plattformen, von UNIX Workstations bis zu PCs laufen. Java und VRML stellen die dazu erforderlichen Voraussetzungen zur Verfügung. Einfache Bedienung: Häufig wiederkehrende Aufgaben sollen mit einem Minimum an Aufwand realisierbar sein. Das System präsentiert auf allen Plattformen die selbe, intuitive und schnell erlernbare Oberfläche. Flexibilität: Der Benutzer soll in der Lage sein, schnell und problemlos Visualisierungstechniken zu kombinieren, um eine auf sein Problem maßgeschneiderte Visualisierung zu erzeugen. Interaktivität: Die Arbeit mit den Benutzerdaten soll interaktiv sein, das System paßt sich an die vorhandenen Rechenressourcen an. Die Berechnung der Visualisierung kann nach Bedarf auf Client und Server verteilt werden. Sowohl die Anwender als auch die Entwickler würden von diesem Ansatz profitieren. Das System bringt auch gelegentlichen Anwendern eine Möglichkeit, günstig und ressourcenschonend State-of-the-Art Visualisierungstechniken einzusetzen, während die Entwickler innerhalb kürzester Zeit Informationen über Stärken und Schwächen der von ihnen entwickelten Visualisierungsmethoden von einem breiten Anwenderkreis erhalten können.

"Visualisierung über das Internet verarbeitet die Daten dort, wo die Rechenleistung zur Verfügung steht, und überträgt die visuellen Daten dorthin, wo sie der Benutzer benötigt" Eine der wichtigsten Entwicklungen der letzten Jahre war die Entstehung des Internet. Die Kombination von leicht verwendbaren Browsern auf unterschiedlichen Plattformen und vernetzten Rechnern bietet eine leistungsfähige Möglichkeit, Informationen zu einer großen Anzahl von Benutzern zu übertragen. Ziel des Projektes (kurz BandViz genannt) ist es interaktive Visualisierungsanwendungen hoher Qualität über das Internet anzubieten und die Kluft zwischen unterschiedlichen Forschergruppen zu überbrücken. Visualisierungsanwendungen sind durch sehr große Datenmengen und einen enormen Berechnungsbedarf gekennzeichnet. Die verteilte Visualisierung über das Internet nützt ein Netzwerk miteinander verbundener Rechner, welches von außen als eine einzelne, äußerst leistungsfähige Berechnungsmaschine wahrgenommen wird. Die einzelnen Schritte im Visualisierungsprozeß (Datenerfassung, Nachbearbeitung, Wahl der visuellen Repräsentation, Bilderzeugung) werden im Netz so verteilt, daß eine optimale Lastverteilung entsteht. Die Verarbeitung und Übertragung großer Datenmengen spielt dabei eine wesentliche Rolle. Im Projekt wurden folgende Themenkreise behandelt: Effiziente Datenrepräsentation: Die Kompression großer Daten (z.B. medizinische Bilddaten) ist essentiell für eine internet-basierte Visualisierung. Dabei wurden fortschreitende und hierarchische Speicher- und Übertragungsstrategien untersucht. Innovative Visualisierungstechniken: Die internet-basierte Visualisierung ist nach wie vor durch Ausgabegeräte sehr stark unterschiedlicher Leistungsfähigkeit gekennzeichnet. Daher sind Darstellungsformen notwendig, die auch auf Geräten geringer Leistungsfähigkeit eine schnelle Illustration der wesentlichen Datenaspekte ermöglichen. "Two-level volume rendering" integriert Darstellungsformen unterschiedlicher Qualität und unterschiedlichem Berechnungsbedarf. Auch nicht-photorealistische Darstellungsformen wie z.B. Kontur- und Silhouettendarstellungen erweisen sich für Volumendaten als vorteilhaft. Ökonometriemodelle, welche die Wechselwirkungen zwischen konkurrenzierenden Firmen modellieren, erforderten die Entwicklung neuer Visualisierungstechniken zur Darstellung von geometrisch hoch komplexen Strukturen (Attraktoren, Einflußgebiete). Ableitung charakteristischer Eigenschaften: Mit der rasch zunehmenden Größe der Daten ist eine Konzentration auf wesentliche Teilbereiche unumgänglich. In einem medizinischen Datensatz sind beispielsweise nur die Blutgefäße interessant. Die Extraktion dieser wesentlichen Teile basiert auf mathematischen Modellen (Ableitungen höherer Ordnung, Segmentierung). Die wichtigsten Bereiche eines Datensatzes benötigen in der Regel nur einen geringen Speicher- und Übertragungsbedarf. Zusammenfassend muß eine internet-basierte Visualisierung mit sehr großen Datenmengen und stark unterschiedlicher Leistungsfähigkeit der vernetzen Geräte zu Rande kommen. Im BandViz-Projekt wurden die folgenden Themenbereiche behandelt: Datenkompression, Extraktion der wesentlichen Dateninhalte, skalierbare Darstellungsformen. Die Konzepte wurden in Zusammenarbeit mit Medizinern und Spezialisten der Ökonometrie ausgetestet.