The analysis of heterogeneous, complex data sets has become important in many scientific domains. With the help of scientific visualization, researchers can be supported in exploring their research results. One domain, where researchers have to deal with spatio-temporal data from different sources including simulation, observation and time-independent data, is meteorology. In this thesis, a concept and workflow for the 3D visualization of meteorological data was developed in cooperation with domain experts. Three case studies have been conducted based on the developed concept. In addition, the concept has been enhanced based on the experiences gained from the case studies. In contrast to existing all-in-one software applications, the proposed workflow employs a combination of existing software applications and their extensions to make a variety of already implemented visualization algorithms available. The workflow provides methods for data integration and for abstraction of the data as well as for generating representations of the variables of interest. Solutions for visualizing sets of variables, comparing results of multiple simulation runs and results of simulations based on different models are presented. The concept includes the presentation of the visualization scenes in virtual reality environments for a more comprehensible display of multifaceted data. To enable the user to navigate within the scenes, some interaction functionality was provided to control time, camera, and display of objects. The proposed methods have been selected with respect to the requirements defined in cooperation with the domain experts and have been verified with user tests. The developed visualization methods are used to analyze and present recent research results as well as for educational purposes. As the proposed approach uses generally applicable concepts, it can also be applied for the analysis of scientific data from other disciplines. / In nahezu allen Wissenschaftsdisziplinen steigt der Umfang erhobener Daten. Diese sind oftmals heterogen und besitzen eine komplexe Struktur, was ihre Analyse zu einer Herausforderung macht. Die wissenschaftliche Visualisierung bietet hier Möglichkeiten, Wissenschaftler bei der Untersuchung ihrer Forschungsergebnisse zu unterstützen. Eine der Disziplinen, in denen räumlich-zeitliche Daten aus verschiedenen Quellen inklusive Simulations- und Observationsdaten eine Rolle spielen, ist die Meteorologie. In dieser Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Experten der Meteorologie ein Konzept und ein Workflow für die 3D-Visualisierung meteorologischer Daten entwickelt. Dabei wurden drei Fallstudien erarbeitet, die zum einen auf dem erstellten Konzept beruhen und zum anderen durch die während der Fallstudie gesammelten Erfahrungen das Konzept erweiterten. Der Workflow besteht aus einer Kombination existierender Software sowie Erweiterungen dieser. Damit wurden Funktionen zur Verfügung gestellt, die bei anderen Lösungsansätzen in diesem Bereich, die oft nur eine geringere Anzahl an Funktionalität bieten, nicht zur Verfügung stehen. Der Workflow beinhaltet Methoden zur Datenintegration sowie für die Abstraktion und Darstellung der Daten. Es wurden Lösungen für die Visualisierung einer Vielzahl an Variablen sowie zur vergleichenden Darstellung verschiedener Simulationsläufe und Simulationen verschiedener Modelle präsentiert. Die generierten Visualisierungsszenen wurden mit Hilfe von 3D-Geräten, beispielsweise eine Virtual-Reality-Umgebung, dargestellt. Die stereoskopische Projektion bietet dabei die Möglichkeit, diese komplexen Daten mit verbessertem räumlichem Eindruck darzustellen. Um dem Nutzer eine umfassende Analyse der Daten zu ermöglichen, wurden eine Reihe von Funktionen zur Interaktion zur Verfügung gestellt, um beispielsweise Zeit, Kamera und die Anzeige von 3D-Objekten zu steuern. Das Konzept und der Workflow wurden entsprechend der Anforderungen entwickelt, die zusammen mit Fachexperten definiert wurden. Des Weiteren wurden die Anwendungen in verschiedenen Entwicklungsstadien durch Nutzer getestet und deren Feedback in die Entwicklung einbezogen. Die Ergebnisse der Fallstudien wurden von den Wissenschaftlern benutzt, um ihre Daten zu analysieren, sowie diese zu präsentieren und in der Lehre einzusetzen. Da der vorgeschlagene Workflow allgemein anwendbare Konzepte beinhaltet, kann dieser auch für die Analyse wissenschaftlicher Daten anderer Disziplinen verwendet werden.

Ergonomie ist seit Jahren ein wichtiges Thema in allen Bereichen des Lebens. Unter anderem beinhaltet dies auch die Anpassung der Arbeit an den Arbeiter, um so kurz- und langfristige gesundheitliche Probleme zu minimieren. Ergonomen begutachten in diesem Kontext zum Beispiel den Arbeitsplatz eines Werkers. Sie beobachten ihn bei seiner Tätigkeit, führen Messungen durch und untersuchen die erlangten Daten. Nach der Analyse präsentieren sie ihre Erkenntnisse Dritten (bspw. im Rahmen eines Workshops), dem Management und den Werkern. Insbesondere wenn es um die Auswertung über einen längeren Zeitraum geht (eine ganze Schicht oder mehrere Arbeitszyklen) sind gute Visualisierungen Mangelware und beschränken sich häufig nur auf einfache Linien- oder Balkendiagramme. Um den Ergonomen ihre Tätigkeit zu erleichtern, wurde ein Programm entwickelt, dass die ergonomischen Probleme in einer einfachen Weise als Gesamtüberblick dargestellt. Es ist hierbei möglich von der groben Übersicht aller kritischen Situationen bis hin zu einer detaillierten Ansicht eines Einzelfalls zu navigieren. Ungünstige Posen werden als Piktogramme in Form digitaler Menschmodelle repräsentiert und ermöglichen somit eine intuitive Darstellung. Die Visualisierung berücksichtigt mehrere Methoden aus dem Umfeld der Ergonomie. Eine Methode ist zum Beispiel RULA (Rapid Upper Limb Assessment). Hier wird eine statische Pose des Werkers betrachtet, sozusagen eine Momentaufnahme bei der Ausübung seiner Arbeit. Es basiert auf der Betrachtung der Gelenkwinkel und berücksichtigt zusätzlich Gewichte und Kräfte, die der Werker zu tragen hat beziehungsweise die er aufbringen muss. Darüber hinaus werden auch Anzeichen grenzwertiger Arbeitsumweltfaktoren dargestellt. Die finale interaktive Visualisierung wurde während des gesamten Entwicklungsprozesses in unterschiedlichen Studien evaluiert. Dies beinhaltet unter anderem die Erfassung der Benutzeranforderungen durch Expertenbefragungen, iteratives Prototyping und einer abschließenden Benutzbarkeitsstudie. / Ergonomics deals with the analysis and design of work processes. To identify ergonomically critical situations, appropriate evaluation options have to be developed to enable an efficient analysis process. Nowadays, such analyses are typically carried out with the help of digital models of the surrounding area and virtual humans. These produce a multitude of geo-referenced and time-oriented data. A design study was conducted on how to visualize this data to support the ergonomically analysis process optimally. We propose a novel interactive visualization which provides the user an overview of ergonomically critical situations and their causes. Simultaneously, the user obtains the main stress factors in a compressed form by a glyph-based visual design. During the implementation of the prototype, usability and ergonomics experts were consulted and their suggestions were included in the development of the system. Final expert interviews and a usability study depict the utility of the proposed visualization tool.

Visualization and study of reconformation of polyelectrolytes (PEs) of different architecture is of great fundamental and practical interest. Verification of theoretical predictions with experiment is of essential importance. On the other hand, a wide range of bottom-up techniques based on patterning of matter on the length scale of a few nanometers have been recently developed. Particularly interesting is the possibility of using self-assembled single molecule structures as templates for the deposition of inorganic matter, in particular metals. Synthetic "normal-sized" polymers of various architecture, like poly-2-vinylpyridine (P2VP) or polystyrene-poly(2-vynil pyridine) P2VP7-PS7 star-like block copolymer, adsorbed on solid substrates have been visualized for the first time with molecular resolution by AFM in different conformation. This finding allowed us to study largely discussed problem, a coil-to-globule transition of PEs. It was found that PE molecules undergo conformational transitions from stretched worm-like coil to compact globule via set of necklace-like globules, as the fraction of charged monomers decreases with an increase of pH and ionic strength. These results are in good agreement with recently developed DRO theory for weakly charged flexible PEs in poor solvent. The size of the deposited single molecules correlates very well with molecular dimensions in solution obtained in light scattering experiments. PE single molecules of various architectures was mineralized in different conformations that constitutes the route to nanoparticles with desired shape (including wire-shape and star-shaped), size, and composition (including metallic, magnetic and semiconductive nanoparticles). It was shown that molecular details of the adsorbed linear flexible PE molecules determine the dimensions of the nanostructures after metallization and that observed sizes are consistent with the decoration of single molecules with nanoclusters. Thus those metallized nanoparticles (cluster assembles) reflect the conformation of original adsorbed PE molecules. The dimensions of the obtained nanowires are significantly smaller than those previously reported. All of these features are of the potential benefit in applications for nanodevices. Metallization of the PS7-P2VP7 improves AFM resolution due to the selective deposition of Pd clusters along the P2VP chains. For the first time, the number of the P2VP second generation arms of the heteroarm block-copolymer was directly counted in the single molecule AFM experiment. Simple contrasting procedure was developed to improve AFM visualization of positively charged polymer chains deposited on the substrates of relatively high roughness. This method allows increasing the thickness of the resulting structures up to 10 nm, and, consequently, provide visualization of polymer chains on rough surfaces. This innovation is important for the development of single molecule experiments with polymer chains. The reaction of HCF-anion could be used for recognition of polycation molecules, when polycations, polyanions and neutral molecules coexist on the surface. Recently, the study was strongly restricted to atomically smooth surfaces. The contrasting procedure extends the range of substrates (Si-wafers, chemically modified or patterned Si-wafers, polished glasses, polymer films, etc) appropriate for the experiments. Thus, polymer single molecules can be considered not only as representative of the ensemble molecules, but also as individual nanoscale objects which can be used for future nanotechnology for the fabrication of single molecule electronic devices. Also these findings are important from fundamental point of view, since developed approach can be successfully applied for investigation of various "classical" problems in polymer science, such as polymer reconformation, interpolyelectrolyte complex formation, polymer diffusion, adsorption, etc.

Although many terminologies, taxonomies and also first ontologies for visualization have been suggested, there is still no unified and formal knowledge representation including the various fields of this interdisciplinary domain. We moved a step towards such an ontology by systematically reviewing existing models and classifications, identifying important fields and discussing inconsistently used terms. Finally, we specified an initial visualization ontology which can be used for both classification and synthesis of graphical representations. Our ontology can also serve the visualization community as a foundation to further formalize, align and unify its existing and future knowledge.

Visualization and study of reconformation of polyelectrolytes (PEs) of different architecture is of great fundamental and practical interest. Verification of theoretical predictions with experiment is of essential importance. On the other hand, a wide range of bottom-up techniques based on patterning of matter on the length scale of a few nanometers have been recently developed. Particularly interesting is the possibility of using self-assembled single molecule structures as templates for the deposition of inorganic matter, in particular metals. Synthetic "normal-sized" polymers of various architecture, like poly-2-vinylpyridine (P2VP) or polystyrene-poly(2-vynil pyridine) P2VP7-PS7 star-like block copolymer, adsorbed on solid substrates have been visualized for the first time with molecular resolution by AFM in different conformation. This finding allowed us to study largely discussed problem, a coil-to-globule transition of PEs. It was found that PE molecules undergo conformational transitions from stretched worm-like coil to compact globule via set of necklace-like globules, as the fraction of charged monomers decreases with an increase of pH and ionic strength. These results are in good agreement with recently developed DRO theory for weakly charged flexible PEs in poor solvent. The size of the deposited single molecules correlates very well with molecular dimensions in solution obtained in light scattering experiments. PE single molecules of various architectures was mineralized in different conformations that constitutes the route to nanoparticles with desired shape (including wire-shape and star-shaped), size, and composition (including metallic, magnetic and semiconductive nanoparticles). It was shown that molecular details of the adsorbed linear flexible PE molecules determine the dimensions of the nanostructures after metallization and that observed sizes are consistent with the decoration of single molecules with nanoclusters. Thus those metallized nanoparticles (cluster assembles) reflect the conformation of original adsorbed PE molecules. The dimensions of the obtained nanowires are significantly smaller than those previously reported. All of these features are of the potential benefit in applications for nanodevices. Metallization of the PS7-P2VP7 improves AFM resolution due to the selective deposition of Pd clusters along the P2VP chains. For the first time, the number of the P2VP second generation arms of the heteroarm block-copolymer was directly counted in the single molecule AFM experiment. Simple contrasting procedure was developed to improve AFM visualization of positively charged polymer chains deposited on the substrates of relatively high roughness. This method allows increasing the thickness of the resulting structures up to 10 nm, and, consequently, provide visualization of polymer chains on rough surfaces. This innovation is important for the development of single molecule experiments with polymer chains. The reaction of HCF-anion could be used for recognition of polycation molecules, when polycations, polyanions and neutral molecules coexist on the surface. Recently, the study was strongly restricted to atomically smooth surfaces. The contrasting procedure extends the range of substrates (Si-wafers, chemically modified or patterned Si-wafers, polished glasses, polymer films, etc) appropriate for the experiments. Thus, polymer single molecules can be considered not only as representative of the ensemble molecules, but also as individual nanoscale objects which can be used for future nanotechnology for the fabrication of single molecule electronic devices. Also these findings are important from fundamental point of view, since developed approach can be successfully applied for investigation of various "classical" problems in polymer science, such as polymer reconformation, interpolyelectrolyte complex formation, polymer diffusion, adsorption, etc.

The analysis of heterogeneous, complex data sets has become important in many scientific domains. With the help of scientific visualization, researchers can be supported in exploring their research results. One domain, where researchers have to deal with spatio-temporal data from different sources including simulation, observation and time-independent data, is meteorology. In this thesis, a concept and workflow for the 3D visualization of meteorological data was developed in cooperation with domain experts. Three case studies have been conducted based on the developed concept. In addition, the concept has been enhanced based on the experiences gained from the case studies. In contrast to existing all-in-one software applications, the proposed workflow employs a combination of existing software applications and their extensions to make a variety of already implemented visualization algorithms available. The workflow provides methods for data integration and for abstraction of the data as well as for generating representations of the variables of interest. Solutions for visualizing sets of variables, comparing results of multiple simulation runs and results of simulations based on different models are presented. The concept includes the presentation of the visualization scenes in virtual reality environments for a more comprehensible display of multifaceted data. To enable the user to navigate within the scenes, some interaction functionality was provided to control time, camera, and display of objects. The proposed methods have been selected with respect to the requirements defined in cooperation with the domain experts and have been verified with user tests. The developed visualization methods are used to analyze and present recent research results as well as for educational purposes. As the proposed approach uses generally applicable concepts, it can also be applied for the analysis of scientific data from other disciplines. / In nahezu allen Wissenschaftsdisziplinen steigt der Umfang erhobener Daten. Diese sind oftmals heterogen und besitzen eine komplexe Struktur, was ihre Analyse zu einer Herausforderung macht. Die wissenschaftliche Visualisierung bietet hier Möglichkeiten, Wissenschaftler bei der Untersuchung ihrer Forschungsergebnisse zu unterstützen. Eine der Disziplinen, in denen räumlich-zeitliche Daten aus verschiedenen Quellen inklusive Simulations- und Observationsdaten eine Rolle spielen, ist die Meteorologie. In dieser Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Experten der Meteorologie ein Konzept und ein Workflow für die 3D-Visualisierung meteorologischer Daten entwickelt. Dabei wurden drei Fallstudien erarbeitet, die zum einen auf dem erstellten Konzept beruhen und zum anderen durch die während der Fallstudie gesammelten Erfahrungen das Konzept erweiterten. Der Workflow besteht aus einer Kombination existierender Software sowie Erweiterungen dieser. Damit wurden Funktionen zur Verfügung gestellt, die bei anderen Lösungsansätzen in diesem Bereich, die oft nur eine geringere Anzahl an Funktionalität bieten, nicht zur Verfügung stehen. Der Workflow beinhaltet Methoden zur Datenintegration sowie für die Abstraktion und Darstellung der Daten. Es wurden Lösungen für die Visualisierung einer Vielzahl an Variablen sowie zur vergleichenden Darstellung verschiedener Simulationsläufe und Simulationen verschiedener Modelle präsentiert. Die generierten Visualisierungsszenen wurden mit Hilfe von 3D-Geräten, beispielsweise eine Virtual-Reality-Umgebung, dargestellt. Die stereoskopische Projektion bietet dabei die Möglichkeit, diese komplexen Daten mit verbessertem räumlichem Eindruck darzustellen. Um dem Nutzer eine umfassende Analyse der Daten zu ermöglichen, wurden eine Reihe von Funktionen zur Interaktion zur Verfügung gestellt, um beispielsweise Zeit, Kamera und die Anzeige von 3D-Objekten zu steuern. Das Konzept und der Workflow wurden entsprechend der Anforderungen entwickelt, die zusammen mit Fachexperten definiert wurden. Des Weiteren wurden die Anwendungen in verschiedenen Entwicklungsstadien durch Nutzer getestet und deren Feedback in die Entwicklung einbezogen. Die Ergebnisse der Fallstudien wurden von den Wissenschaftlern benutzt, um ihre Daten zu analysieren, sowie diese zu präsentieren und in der Lehre einzusetzen. Da der vorgeschlagene Workflow allgemein anwendbare Konzepte beinhaltet, kann dieser auch für die Analyse wissenschaftlicher Daten anderer Disziplinen verwendet werden.

Die vorliegende Arbeit nutzt die Publikationsdaten der TU Chemnitz zur Darstellung der Entwicklung von Kooperationen zwischen Instituten und Fakultäten über die Zeit. Dabei wird die Unzulänglichkeit gängiger Netzwerkanalysen mithilfe von Graphen, die komplexen Beziehungen um eine zeitliche Dimension zu erweitern, aufgezeigt. Stattdessen wird eine Anwendung auf Basis des Streamgraphen vorgestellt, welche nicht nur den Vergleich der Entwicklung beliebiger Kombinationen von Instituten und Fakultäten ermöglicht, sondern auch spezifische Auskünfte zu den Kooperationsarten und deren zeitlicher Verlagerung gibt. Dafür werden zwei Erweiterungen für den Streamgraphen vorgestellt, welche seinen Informationsumfang erweitern und ihn damit zur Erfüllung der gesetzten Anforderungen befähigen. / This thesis uses data about publications from members of the TU Chemnitz to visualize the progress of cooperations between institutes and faculties over time. Thereby it is shown, that the attempt to expand common used network analyses, via graphs, by a temporal dimension, is insufficient for this task. Instead we present an application, based on a streamgraph, which enables the user to compare the development of any combination of institutes and faculties, as well as giving specific information about cooperation types and their temporal shift. Therefore, two extensions to the streamgraph are proposed, which increase the amount of information visible and provide tools to satisfy the stated requirements.

Die 1.000-jährige Ersterwähnung einer Stadt feiern zu können ist ein stolzes Jubiläum. Die Geschichte Leipzigs bietet aber noch mehr. Die viel gepriesene Musikkultur ist historisch ebenso gut dokumentiert. Ganze 800 Jahre währt die Klangtradition inzwischen. Die Musikbibliothek Peters bewahrt dieses Erbe nicht nur, sondern hat der Stadt und ihren Bewohnern ein Geschenk gemacht, das althergebrachte Akustik mit modernem digitalem Auftritt verbindet.

Three-dimensional volume data is routinely produced, at increasingly high spatial resolution, in computer simulations and image acquisition tasks. In-situ visualization, the visualization of an experiment or simulation while it is running, enables new modes of interaction, including simulation steering and experiment control. These can provide the scientist a deeper understanding of the underlying phenomena, but require interactive visualization with smooth viewpoint changes and zooming to convey depth perception and spatial understanding. As the size of the volume data increases, however, it is increasingly challenging to achieve interactive visualization with smooth viewpoint changes. This thesis presents an end-to-end solution for interactive in-situ visualization based on novel extensions proposed to the Volumetric Depth Image (VDI) representation. VDIs are view-dependent, compact representations of volume data than can be rendered faster than the original data. Novel methods are proposed in this thesis for generating VDIs on large data and for rendering them faster. Together, they enable interactive in situ visualization with smooth viewpoint changes and zooming for large volume data. The generation of VDIs involves decomposing the volume rendering integral along rays into segments that store composited color and opacity, forming a representation much smaller than the volume data. This thesis introduces a technique to automatically determine the sensitivity parameter that governs the decomposition of rays, eliminating the need for manual parameter tuning in the generation of a VDI. Further, a method is proposed for sort-last parallel generation and compositing of VDIs on distributed computers, enabling their in situ generation with distributed numerical simulations. A low latency architecture is proposed for the sharing of data and hardware resources with a running simulation. The resulting VDI can be streamed for interactive visualization. A novel raycasting method is proposed for rendering VDIs. Properties of perspective projection are exploited to simplify the intersection of rays with the view-dependent segments contained within the VDI. Spatial smoothness in volume data is leveraged to minimize memory accesses. Benchmarks are performed showing that the method significantly outperforms existing methods for rendering the VDI, and achieves responsive frame rates for High Definition (HD) display resolutions near the viewpoint of generation. Further, a method is proposed to subsample the VDI for preview rendering, maintaining high frame rates even for large viewpoint deviations. The quality and performance of the approach are analyzed on multiple datasets, and the contributions are provided as extensions of established open-source tools. The thesis concludes with a discussion on the strengths, limitations, and future directions for the proposed approach.

Intuitive Modelle der Informatik sind gedankliche Vorstellungen über informatische Konzepte, die mit subjektiver Gewissheit verbunden sind. Menschen verwenden sie, wenn sie die Arbeitsweise von Computerprogrammen nachvollziehen oder anderen erklären, die logische Korrektheit eines Programms prüfen oder in einem kreativen Prozess selbst Programme entwickeln. Intuitive Modelle können auf verschiedene Weise repräsentiert und kommuniziert werden, etwa verbal-abstrakt, durch ablauf- oder strukturorientierte Abbildungen und Filme oder konkrete Beispiele. Diskutiert werden in dieser Arbeit grundlegende intuitive Modelle für folgende inhaltliche Aspekte einer Programmausführung: Allokation von Aktivität bei einer Programmausführung, Benennung von Entitäten, Daten, Funktionen, Verarbeitung, Kontrollstrukturen zur Steuerung von Programmläufen, Rekursion, Klassen und Objekte. Mit Hilfe eines Systems von Online-Spielen, der Python Visual Sandbox, werden die psychische Realität verschiedener intuitiver Modelle bei Programmieranfängern nachgewiesen und fehlerhafte Anwendungen (Fehlvorstellungen) identifiziert. / Intuitive models in computer science are Gestalt-like mental concepts about information processing, which are accompanied by confidence. People use them, when they try to understand the semantics of a computer programme, explain an algorithmic idea to someone else, check the logical correctness of existing code or create computer programmes. Intuitive models can be represented and communicated in different ways using static pictures, animated movies, concrete examples or verbal language. In this paper basic intuitions concerning the following issues are discussed: allocation of activity within a running programme, assignment of names to entities, data, functions, processing concepts, control of programme execution, recursion, classes and objects. By observing activities with a set of specially designed online games (the Python Visual Sandbox), evidence has been collected to proof the psychological existence of certain intuitive models among high school students and identify inappropriate applications (misconceptions).