This thesis introduces a collection of new real-time rendering techniques and applications for focus+context visualization of interactive 3D geovirtual environments such as virtual 3D city and landscape models. These environments are generally characterized by a large number of objects and are of high complexity with respect to geometry and textures. For these reasons, their interactive 3D rendering represents a major challenge. Their 3D depiction implies a number of weaknesses such as occlusions, cluttered image contents, and partial screen-space usage. To overcome these limitations and, thus, to facilitate the effective communication of geo-information, principles of focus+context visualization can be used for the design of real-time 3D rendering techniques for 3D geovirtual environments (see Figure). In general, detailed views of a 3D geovirtual environment are combined seamlessly with abstracted views of the context within a single image. To perform the real-time image synthesis required for interactive visualization, dedicated parallel processors (GPUs) for rasterization of computer graphics primitives are used. For this purpose, the design and implementation of appropriate data structures and rendering pipelines are necessary. The contribution of this work comprises the following five real-time rendering methods: • The rendering technique for 3D generalization lenses enables the combination of different 3D city geometries (e.g., generalized versions of a 3D city model) in a single image in real time. The method is based on a generalized and fragment-precise clipping approach, which uses a compressible, raster-based data structure. It enables the combination of detailed views in the focus area with the representation of abstracted variants in the context area. • The rendering technique for the interactive visualization of dynamic raster data in 3D geovirtual environments facilitates the rendering of 2D surface lenses. It enables a flexible combination of different raster layers (e.g., aerial images or videos) using projective texturing for decoupling image and geometry data. Thus, various overlapping and nested 2D surface lenses of different contents can be visualized interactively. • The interactive rendering technique for image-based deformation of 3D geovirtual environments enables the real-time image synthesis of non-planar projections, such as cylindrical and spherical projections, as well as multi-focal 3D fisheye-lenses and the combination of planar and non-planar projections. • The rendering technique for view-dependent multi-perspective views of 3D geovirtual environments, based on the application of global deformations to the 3D scene geometry, can be used for synthesizing interactive panorama maps to combine detailed views close to the camera (focus) with abstract views in the background (context). This approach reduces occlusions, increases the usage the available screen space, and reduces the overload of image contents. • The object-based and image-based rendering techniques for highlighting objects and focus areas inside and outside the view frustum facilitate preattentive perception. The concepts and implementations of interactive image synthesis for focus+context visualization and their selected applications enable a more effective communication of spatial information, and provide building blocks for design and development of new applications and systems in the field of 3D geovirtual environments. / Die Darstellung immer komplexerer raumbezogener Information durch Geovisualisierung stellt die existierenden Technologien und den Menschen ständig vor neue Herausforderungen. In dieser Arbeit werden fünf neue, echtzeitfähige Renderingverfahren und darauf basierende Anwendungen für die Fokus-&-Kontext-Visualisierung von interaktiven geovirtuellen 3D-Umgebungen – wie virtuelle 3D-Stadt- und Landschaftsmodelle – vorgestellt. Die große Menge verschiedener darzustellender raumbezogener Information in 3D-Umgebungen führt oft zu einer hohen Anzahl unterschiedlicher Objekte und somit zu einer hohen Geometrie- und Texturkomplexität. In der Folge verlieren 3D-Darstellungen durch Verdeckungen, überladene Bildinhalte und eine geringe Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bildraumes an Informationswert. Um diese Beschränkungen zu kompensieren und somit die Kommunikation raumbezogener Information zu verbessern, kann das Prinzip der Fokus-&-Kontext-Visualisierung angewendet werden. Hierbei wird die für den Nutzer wesentliche Information als detaillierte Ansicht im Fokus mit abstrahierter Kontextinformation nahtlos miteinander kombiniert. Um das für die interaktive Visualisierung notwendige Echtzeit-Rendering durchzuführen, können spezialisierte Parallelprozessoren für die Rasterisierung von computergraphischen Primitiven (GPUs) verwendet werden. Dazu ist die Konzeption und Implementierung von geeigneten Datenstrukturen und Rendering-Pipelines notwendig. Der Beitrag dieser Arbeit umfasst die folgenden fünf Renderingverfahren. • Das Renderingverfahren für interaktive 3D-Generalisierungslinsen: Hierbei wird die Kombination unterschiedlicher 3D-Szenengeometrien, z. B. generalisierte Varianten eines 3DStadtmodells, in einem Bild ermöglicht. Das Verfahren basiert auf einem generalisierten Clipping-Ansatz, der es erlaubt, unter Verwendung einer komprimierbaren, rasterbasierten Datenstruktur beliebige Bereiche einer 3D-Szene freizustellen bzw. zu kappen. Somit lässt sich eine Kombination von detaillierten Ansichten im Fokusbereich mit der Darstellung einer abstrahierten Variante im Kontextbereich implementieren. • Das Renderingverfahren zur Visualisierung von dynamischen Raster-Daten in geovirtuellen 3D-Umgebungen zur Darstellung von 2D-Oberflächenlinsen: Die Verwendung von projektiven Texturen zur Entkoppelung von Bild- und Geometriedaten ermöglicht eine flexible Kombination verschiedener Rasterebenen (z.B. Luftbilder oder Videos). Somit können verschiedene überlappende sowie verschachtelte 2D-Oberflächenlinsen mit unterschiedlichen Dateninhalten interaktiv visualisiert werden. • Das Renderingverfahren zur bildbasierten Deformation von geovirtuellen 3D-Umgebungen: Neben der interaktiven Bildsynthese von nicht-planaren Projektionen, wie beispielsweise zylindrischen oder sphärischen Panoramen, lassen sich mit diesem Verfahren multifokale 3D-Fischaugen-Linsen erzeugen sowie planare und nicht-planare Projektionen miteinander kombinieren. • Das Renderingverfahren für die Generierung von sichtabhängigen multiperspektivischen Ansichten von geovirtuellen 3D-Umgebungen: Das Verfahren basiert auf globalen Deformationen der 3D-Szenengeometrie und kann zur Erstellung von interaktiven 3D-Panoramakarten verwendet werden, welche beispielsweise detaillierte Absichten nahe der virtuellen Kamera (Fokus) mit abstrakten Ansichten im Hintergrund (Kontext) kombinieren. Dieser Ansatz reduziert Verdeckungen, nutzt den zur Verfügung stehenden Bildraum in verbesserter Weise aus und reduziert das Überladen von Bildinhalten. • Objekt-und bildbasierte Renderingverfahren für die Hervorhebung von Fokus-Objekten und Fokus-Bereichen innerhalb und außerhalb des sichtbaren Bildausschnitts, um die präattentive Wahrnehmung eines Benutzers besser zu unterstützen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Konzepte, Entwürfe und Implementierungen von interaktiven Renderingverfahren zur Fokus-&-Kontext-Visualisierung sowie deren ausgewählte Anwendungen ermöglichen eine effektivere Kommunikation raumbezogener Information und repräsentieren softwaretechnische Bausteine für die Entwicklung neuer Anwendungen und Systeme im Bereich der geovirtuellen 3D-Umgebungen.

Three dimensional visualisation achieves tremendous savings in time and costs during the design process. Due to these circumstances this methods are gaining in importance. For example improvement in performance and the product security or enabling the operative optimization of a production sequence. By the virtual testing it is possible to validate a product in the whole developing process and product lifecycle. The flight simulator ATILa at Airbus Defence and Space in Friedrichshafen uses these advantages for own products. ATILa is used to test intelligent assistance systems for helicopter pilots. Here the graphic implementation of the virtual earth plays a key role when practicing realistical scenarios. This approach is implemented with the Common Database (CDB) which is enabled by the definition of specifications and standards. Different commercial software packages by Presagis are used to implement the aforementioned database. The software Terra Vista is used for the database generation, including the compilation. For the CDB implementation the software Vega Prime is used to prepare the data with the help of the RTP. The software Vega Prime is not able to display 3D models with LODs, due to a software error. Therefore a third software named Creator is used to modify them. The 3D models are available in the OpenFlight Format. This OpenFlight format consists of different kind of nodes with a complex hierarchical structure. Other software solutions, such as Autodesk or Blender, are not able to provide access to the specific structure. The edited models can be integrated in the virtual environment and have to defined by unambiguous indices. Various settings are used to implement the objects automatically. The compilation of the area of interest takes place by the definition of a geotile with a specific size depending on the latitude. The CDB ouput will be transferred by Vega Prime and with the help of the RTP into the simulator. In addition, there is the possibility to render various CDB databases in the simulator to enable a visualisation of the complete earth. Finally, any errors occurring will be described and methods of resolution explained. The complexity of the generation process of a CDB database could be represented with this thesis. However, the whole workflow of the visualisation of the earth is still in its initial stages, since among other things there are errors in the software. To sum up; the potential of the CDB can be evaluated as above average. / Die 3D Visualisierung vereinfacht den Planungsprozess und geht somit mit einer Zeit- und Kosten- einsparung einher. Aufgrund dieser Sachverhalte gewinnt sie immer weiter an Bedeutung, um zum Beispiel eine verbesserte und sichere Benutzung eines Produktes oder einen optimierten Betrieb einer Produktionskette zu ermöglichen. Durch vorherige virtuelle Erprobung und Vali- dierung eines Produktes können Kosten für den gesamten Entwicklungsprozess und den Pro- duktlebenszyklus gering gehalten werden. Im Flugsimulator für Helikopter namens ATILa in Friedrichshafen (Airbus Defence and Space) versucht man die genannten Vorteile für die eigenen Produkte zu nutzen. Im ATILa werden Assistenzsysteme geprüft, welche die Helikopterpiloten während ihres Fluges unterstützen sollen. Hierbei spielt die grafische Umsetzung der virtuellen Erde in dem Simulator eine entscheidende Rolle, um die Szenarien realitätsnah durchführen zu können. Dies kann mit Hilfe einer sogenannten Common Database (CDB), die durch Spezi- fikationen und Standards definiert ist, umgesetzt werden. Mittels verschiedener kommerzieller Softwarepakete der Firma Presagis lässt sich die oben genannte Datenbank erstellen. Die Gener- ierung und Kompilierung wird mit dem Softwareprogramm Terra Vista vorgenommen. Die Imple- mentierung der CDB in den Flugsimulator erfolgt mit der Software Vega Prime, welche die Daten über einen RTP zur Verfügung stellt. Da dieses Programm durch einen Softwarefehler nicht in der Lage ist, 3D Modelle mit verschiedenen Detaillierungsgraden darzustellen, muss eine dritte Soft- ware namens Creator genutzt werden. Die 3D Modelle liegen im OpenFlight Format vor. Dieses OpenFlight Format weist eine komplexe hierarchische Struktur aus verschiedenen Knoten auf. Andere Softwarelösungen, wie Autodesk oder Blender, sind nicht in der Lage einen Einblick in die spezielle Struktur zu geben. Die bearbeiteten Modelle können dann in der virtuellen Umgebung eingebunden und müssen durch eindeutige Indizes definiert werden. Verschiedene Einstellun- gen werden genutzt, um Objekte automatisch einzubinden. Die Kompilierung des Interessenge- bietes erfolgt über die Definition einer Geokachel mit einer bestimmten Größe, die abhängig vom Breitengrad ist. Die ausgegebene CDB wird mit Vega Prime und mit Hilfe des RTPs in den Simu- lator übertragen. Des Weiteren gibt es die Möglichkeit verschiedene CDB Datenbanken im Sim- ulator simultan zu rendern, was eine vollständige Visualisierung der kompletten Erde ermöglicht. Abschließend werden aufgetretene Fehler näher beschrieben und Lösungsansätze erläutert. Mit der vorliegenden Arbeit konnte die Komplexität der Entstehung einer CDB Datenbank dargestellt werden. Dennoch befindet sich der gesamte Arbeitsablauf der Visualisierung der Erde noch am Anfang, da u.a. Softwarefehler zu bemängeln sind. Zusammenfassend kann das Potenzial einer CDB als überdurchschnittlich bewertet werden.

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Die amtliche Flächenstatistik in Deutschland erweist sich aus verschiedenen Gründen als ergänzungsbedürftig. Die Auswertung von topographischen Geobasisdaten kann hier einen wesentlichen Beitrag zur Qualifizierung der jetzigen flächenstatistischen Berichtssysteme leisten. Daraus resultiert die Motivation für den Aufbau eines Monitors der Siedlungs- und Freiraumentwicklung (IÖR-Monitor). Der Beitrag stellt nach Darstellung der Ziele, Grundlagen und Funktionen dieses Monitors erste exemplarische Ergebnisse einer Flächennutzungsanalyse Deutschlands auf Grundlage der genauesten topographischen Geobasisdaten (ATKIS Basis-DLM) vor. Dazu wurden die Siedlungs- und Verkehrsstruktur zu den Zeitschnitten 2006 und 2008 erfasst und in Form von Indikatoren auf Landes-, Kreis- und Gemeindeebene ausgewertet. Die zugrunde liegenden bundesweiten Flächennutzungsinformationen ermöglichen prinzipiell auch Indikatorberechnungen für nichtadministrative Bezugseinheiten wie Überschwemmungs- und Flusseinzugsgebiete oder quadratische Rasterzellen unterschiedlicher Größe. Die Vorteile der Nutzung topographischer Geobasisdaten für die Analyse der Flächennutzung und ihrer Entwicklung werden gegenüber der katasterorientierten Sicht der amtlichen Flächenstatistik herausgestellt. Ein Schwerpunkt des Beitrages liegt auf indikatorbasierten Siedlungs- und Verkehrsflächenanalysen. Darüber hinaus ermöglicht die Einbeziehung von Bevölkerungszahlen die Ermittlung von Dichte- bzw. Ausstattungsindikatoren (ausgewählte Flächennutzungsarten pro Einwohner). Straßen- und Schienennetzdichten können sowohl in Bezug auf die Gebietsfläche als auch nur den Siedlungsraum ausgewertet werden. Durch die georäumliche Verortung neuer Bauflächen wird zukünftig erstmals auch die Bestimmung der Relation städtebaulicher Innen- zur Außenentwicklung möglich. Wegen des aufwändigen Fortführungsprozesses topographischer Geobasisdaten nach Kartenblattschnitten und der damit verbundenen Laufendhaltungszyklen ergeben sich teilweise größere Zeitintervalle für deren Grundaktualität. Deshalb wird beim IÖR-Monitor für jeden Indikator eine mittlere Aktualität zu jeder Gebietseinheit berechnet und in Karten- bzw. Tabellenform angezeigt. In den letzten Jahren gibt es deutliche Verbesserungen der Grundaktualität des ATKIS Basis-DLM in Deutschland, die auch aus diesem Grund die Nutzung dieser Daten für ein Monitoring der Flächennutzung nahelegen.

In diesem Beitrag werden Methoden der gebäudebasierten Erfassung der Siedlungsstruktur, deren Veränderung und Visualisierung vorgestellt. Die Analyse der Siedlungsentwicklung mit SEMENTA®-CHANGE basiert auf der automatisierten Auswertung topographischer Kartenwerke verschiedenster Zeitstände im Maßstab 1:25 000. Der Verfahrensansatz leistet einen wichtigen Beitrag für die Planung, da er für große Flächen eine Verortung der Gebäude-, Siedlungsflächen- und Siedlungsstrukturentwicklung der vergangenen Jahrzehnte erlaubt und sich daraus auch wertvolle Aussagen über die Wirksamkeit von raumplanerischen Instrumenten (z. B. Verhältnis der Innen- zur Außenentwicklung) ableiten lassen. Beispielhaft werden an ausgewählten Projektergebnissen das Anwendungspotenzial sowie die Grenzen des Verfahrens diskutiert.

Techn. University, Diss., 2003--Darmstadt.

In diesem Jahr fand das erste Studentensymposium Informatik Chemnitz (TUCSIS StudSym 2012) statt. Wir freuen uns, Ihnen in diesem Tagungsband studentische Beiträge präsentieren zu können. Das Studentensymposium der Fakultät für Informatik der TU Chemnitz richtet sich an alle Studierende und Doktoranden der Informatik sowie angrenzender Disziplinen mit Schwerpunkt Informatik aus dem Raum Chemnitz. Das Symposium hat das Ziel, den Studierenden eine Plattform zu geben, ihre Projekte, Studienarbeiten und Forschungsvorhaben vorzustellen. Im Mittelpunkt des Symposiums stehen studentische Projekte aus Seminaren, Praktika, Abschlussarbeiten oder extracurricularen Aktivitäten. Das Symposium bietet die Möglichkeit, vor einem akademischen Publikum Ideen, Pläne und Ergebnisse zu präsentieren und zu diskutieren. Darüber hinaus sind Doktoranden eingeladen ihre Promotionsprojekte mit einem Poster zu präsentieren um dadurch Feedback von anderen jungen Wissenschaftlern und Professoren für ihre wissenschaftliche Arbeit zu erhalten.

Für die anschauliche Darstellung der Ergebnisse mechanischer Untersuchungen von Bauteilbeanspruchungen existieren diverse Visualisierungsformen. Eine solche Visualisierungsform ist die Darstellung von Hauptspannungstrajektorien, vorwiegend der Hauptnormalspannungstrajektorien des Spannungszustandes eines Bauteils. Trajektorienbilder sind im Bereich des Bauingenieurwesens insbesondere im Massivbau nach wie vor von großem Interesse. So werden beispielsweise die in der Stahlbetonnormung fest verankerten Stabwerkmodelle in erster Linie auf der Basis von Hauptspannungstrajektorien entwickelt. Aus diesem Grund gehören Trajektorienbilder heute nicht nur zum akademischen Standardlehrstoff, sondern werden auch in wissenschaftlichen Veröffentlichungen gern zur Erläuterung von komplexen Spannungszuständen herangezogen. Unglücklicherweise finden sich in der einschlägigen Fachliteratur und in wissenschaftlichen Arbeiten nicht selten grundlegende Fehldarstellungen. Diese Arbeit stellt einen geeigneten Algorithmus zur korrekten Darstellung von Trajektorienbildern auf der Basis numerisch (beispielsweise mit der Finite-Elemente-Methode) berechneter Spannungslösungen bereit. Anhand von systematischen Untersuchungen zu verschiedenen Bauteilgeometrien und Beanspruchungs-konstellationen konnte eine Reihe von immer wieder zu findenden Fehlinterpretationen von Trajektorienbildern aufgezeigt werden. Die oft angenommene Analogie von Spannungstrajektorien zu Stromlinien von Fluidströmungen im Sinne eines „Kraftflusses“ wurde widerlegt. Das Problem bei herkömmlichen Trajektorienbildern, dass diese nicht imstande sind, Auskunft über die Größe der Spannungen zu geben, führte mitunter zu der bisweilen verbreiteten Annahme, die Verdichtung von Trajektorien in einem Trajektorienbild bedeute eine Spannungskonzentration an entsprechender Stelle. Anhand von Beispielen wird dies eindeutig widerlegt. Zur Vermeidung dieses Fehleindrucks wurde eine neue Darstellungsform eingeführt, die neben den Richtungen auch die Größen der Hauptspannungen anhand eines Farbmaßstabes ablesbar macht. Mithilfe einer variablen Schrittweitensteuerung konnte die Genauigkeit bei der Pfadverfolgung der Trajektorien gegenüber festen Schrittweiten maßgeblich verbessert werden. Geeignete Abbruchkriterien gewährleisten das zuverlässige Auffinden von äußeren sowie innenliegenden Bauteilbegrenzungen und die Detektion geschlossener Trajektorien. Einen wesentlichen Punkt stellen mögliche Singularitäten wie isotrope Punkte, isotrope Grenzen oder isotrope Gebiete dar, in denen die Hauptspannungsrichtungen mithilfe der Lösung des Eigenwertproblems nicht eindeutig ermittelbar sind. Deren Nichtbeachtung ist eine wesentliche Ursache für Fehldarstellungen in der Literatur. Die an solchen Stellen auftretenden Effekte und entstehenden Probleme bei der Ermittlung und Interpretierbarkeit von Trajektorienbildern wurden systematisch analysiert und entsprechende Lösungsvorschläge erarbeitet. Bisher blieb die Verwendung von Trajektorienbildern praktisch auf zweidimensionale Probleme beschränkt. Das Potenzial von Spannungstrajektorien zur Visualisierung dreidimensionaler Spannungszustände war bislang noch unerforscht. Daher wurde das Verfahren zur Berechnung von Spannungstrajektorien auf dreidimensionale Spannungszustände übertragen. Während sich einige Teilbereiche des entwickelten Algorithmus, wie beispielsweise die Schrittweitensteuerung, problemlos unter Hinzuziehung einer weiteren Richtungskomponente für dreidimensionale Probleme erweitern lassen, hat sich gezeigt, dass diese Erweiterung auch diverse Nichttrivialitäten enthält. Bei den aus der Berechnung erhaltenen Trajektorien handelt es sich im dreidimensionalen Fall um räumliche Kurven. Eine wesentliche Erkenntnis aus berechneten dreidimensionalen Trajektorienbildern ist, dass sich diese Raumkurven im Unterschied zum ebenen Fall in der Regel nicht schneiden und somit keine Maschen zwischen den Trajektorien wie im Zweidimensionalen aufspannen. Eine noch verbleibende Schwierigkeit bei der Anwendung dreidimensionaler Trajektorienbilder besteht in deren interpretierbarer Darstellung. In der vorliegenden Arbeit wurden hierzu einige Vorschläge erarbeitet sowie deren Anwendbarkeit getestet und bewertet. Um die Möglichkeit der eigenständigen Berechnung von Trajektorienbildern einem breiten Nutzerkreis zugänglich zu machen, können aufbauend auf den Erkenntnissen dieser Arbeit leicht bedienbare Softwarelösungen mit grafischer Benutzeroberfläche entwickelt werden. Der Algorithmus zur Trajektorienermittlung wurde mit diesem Ansinnen in allen Details beschrieben. Auf dem Gebiet der Trajektorien dreidimensionaler Spannungszustände hat sich darüber hinaus noch weiterer Forschungsbedarf herausgestellt, hierzu werden in der Arbeit an den entsprechenden Stellen einige Vorschläge zur Weiterentwicklung gemacht. Der entwickelte Algorithmus ermöglicht darüber hinaus auch direkt auch die Ermittlung von Trajektorien materiell oder geometrisch nichtlinearer sowie dynamischer und sonstiger Probleme, sofern der entsprechende Spannungszustand vorliegt. Außerdem kann der Algorithmus prinzipiell auch zur Bestimmung von Hauptschubspannungstrajektorien oder Hauptmomentenlinien angewandt werden. / There are several kinds of visualisation for the illustration of the results of mechanical investigations of structural elements’ load bearing behaviour. The illustration of the stress state via principal stress trajectories, mainly principal normal stress trajectories, is one of them. In the field of civil engineering, trajectory plots are still of notable interest, particularly in solid construction. Thus, the truss models as part of the European engineering standards for steel-reinforced concrete are primarily developed using principal stress trajectories. For this reason, trajectory plots are not only part of the academic subjects taught at university, but they are also used in scientific publications for the illustration of complex stress states. Unfortunately, fundamental misrepresentations are not rare in the relevant literature and scientific works. This work provides a suitable algorithm for accurate trajectory plots based on numerically computed stress solutions (e.g. using the finite element method). By means of systematic investigations of several structural element’s geometries and loading situations, a number of prevalent misinterpretations was identified. The analogy often assumed between stress trajectories and streamlines of fluid flow in terms of “load flow” has been disproved. A property of traditional trajectory plots is not able to indicate the level of stress. Thus, in areas of narrowing trajectories stress concentrations are often assumed. By means of examples this assumption was clearly disproved. To prevent the appearance of such misimpressions, the stress levels are represented using a colour scale known from contour plots. An adaptive incrementation during path tracing allows a significant increase of accuracy compared with uniform incrementation. Suitable stop criteria ensure reliable detection of outer and inner borders as well as closing of trajectories. One important aspect is the appearance of singularities like isotropic points, isotropic borders and isotropic areas, where the principal stress directions in terms of eigenvectors are not unique. Non-observance is one of the main causes of misrepresentations of trajectory plots in literature. The effects due to the appearance of isotropic points and the arising problems for calculation and interpretation of stress trajectories were systematically analysed, and proposals for a solution were made. Up to now, the usage of trajectory plots was limited to two-dimensional problems. The potential of stress trajectories for the visualisation of three-dimensional stress states was still unexplored. Therefore, the algorithm for the calculation of stress trajectories was augmented in three dimensions. Some parts of the two-dimensional algorithm like adaptive incrementation could be directly translated simply considering the third coordinate, whereas the necessary modifications of some parts turned out to be non-trivial. The stress trajectories of three-dimensional stress states prove to be space curves. An essential finding from the calculated three-dimensional trajectory plots was, that three-dimensional trajectories – compared to two-dimensional trajectories – generally do not intersect each other. According to this, three-dimensional trajectories generally do not build meshes. The interpretable display of three-dimensional trajectories is still a difficulty. In this work, the applicability of some methods has been tested and assessed. To enable a large group of users to create stress trajectory plots individually, easily operated software solutions with a graphical user interface should be developed. For this purpose, the developed algorithm for tracing trajectories is described in every detail. In the field of three-dimensional stress trajectories need of further research came to light, which is specified in the corresponding parts of this work. In addition, the developed algorithm allows also the calculation of stress trajectories of geometrical and material non-linear as well as dynamic and other problems, if only the stress state is available. Furthermore, the algorithm can be applied for the calculation of principal shear stress trajectories and principal moment trajectories.

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.