Bachelor's Theses

Bei der Durchführung von Experimenten werden Messdaten erzeugt und dazu auch Metadaten, welche die Messung beschreiben. Dazu können Wissenschaftler beispielsweise das web-basierte, elektronische Laborbuch SampleDB verwenden.

Wissenschaftler können Experimente mit einer Instrumentsteuerungssoftware, wie dem Networked Instrument Control System (NICOS), durchführen. Dabei generiert NICOS bei der Durchführung des Experimentes Metadaten, welche das Experiment beschreiben. Ein Problem, auf das die Nutzer von NICOS jedoch stoßen ist, dass es keine Möglichkeit gibt, die Metadaten ihrer Experimente automatisiert von NICOS in eine SampleDB-Instanz zu exportieren.

In dieser Arbeit wurde eine Lösung für dieses Problem entwickelt, indem in NICOS ein solcher Export umgesetzt wurde. Dazu werden, während der Wissenschaftler sein Experiment durchführt, die Metadaten von NICOS an einen Prozess gesendet, welcher dazu dient, die Daten in SampleDB hochzuladen. Dieser Prozess nimmt die Daten entgegen und formt diese um, sodass sie kompatibel zu SampleDB sind. Nach der Beendigung des Experimentes wird versucht, diese Daten hochzuladen. Dabei wird auf Fehler, welche auftreten können, reagiert.

Um diesen Export zu ermöglichen, wurde NICOS um eine Möglichkeit der Authentifizierung über eine SampleDB-Instanz, sowie die Auswahl einer Probe und die Erstellung einer Messung für diese SampleDB-Instanz, erweitert.

Oft liegen Daten von Experimenten oder Simulationen im dreidimensionalen Raum. Um eine klarere Übersicht über die Position der Daten zu bekommen, kann es helfen, diese zu visualisieren. Die GR3-Grafikbibliothek ermöglicht eine Darstellung solcher Daten als beleuchtete, farbige Oberflächen. Bisher werden diese Oberflächen jedoch stets blickdicht dargestellt, sodass dahinterliegende Objekte verdeckt werden. Um komplexe und mehrschichtige Szenen verständlicher zu visualisieren, kann es jedoch von Nutzen sein, wenn Objekte transparent dargestellt werden können.

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Algorithmus zur Umsetzung von transparenten Objekten vorgestellt und dessen Implementierung im GR3-Softwarerendererer erläutert. Dieser Algorithmus setzt eine Zwischenspeicherung der Objekte voraus, ohne eine spezifische Datenstruktur dafür festzulegen. Daher werden mehrere Datenstrukturen und Sortieralgorithmen bezüglich ihrer Effizienz evaluiert.

Hierbei wird gezeigt, dass aus den vorgestellten Datenstrukturen der Vektor die Anforderungen am besten erfüllt. Auch werden mehrere Wachstumsstrategien für den Vektor miteinander verglichen und darauf aufbauend wird eine optimale Kombination aus linearem und exponentiellem Wachstum für das betrachtete Problem gefunden.

Zur Sortierung der benötigten Daten wird ein Sortierverfahren vorgestellt, welches eine Mischung aus Insertion- und Mergesort darstellt. Dieses Verfahren nutzt die Vorteile der jeweiligen Sortierverfahren, um sowohl sehr kleine, als auch sehr große Vektoren effektiv zu sortieren.

Abschließend wird eine Möglichkeit erläutert, dass Verfahren benutzerfreundlich in die Benutzerschnittstelle der GR3-Grafikbibliothek zu integrieren.

Zur Visualisierung von Daten wird im Peter Grünberg Institut bzw. Jülich Centre for Neutron Science (PGI / JCNS) das GR-Framework entwickelt. Für die Darstellung von dreidimensionalen Daten werden typische Oberflächenmethoden angeboten, aber auch Methoden fürs direkte und indirekte Volumenrendering. Im Gegensatz zur Oberflächendarstellung versucht direktes Volumenrendering das Verhalten von Licht innerhalb von Volumen zu simulieren, um interne Strukturen offenzulegen.

Die angebotenen Volumenrenderingverfahren haben zwei Einschränkungen: Die erste ist, dass ausschließlich Daten visualisiert werden können, die als reguläre Gitter strukturiert sind. Jede Zelle hat dabei die gleiche Größe. Die zweite Einschränkung ist, dass nur die trilineare Interpolation als Interpolationsmethode verwendet werden kann. Interpolationsmethoden werden verwendet, um die Daten innerhalb des Volumens anzunähern, da diese nur an den Eckpunkten der Zellen bekannt sind.

In der Wissenschaft können jedoch auch Daten gemessen oder simuliert werden, die nicht als reguläre Gitter strukturiert oder bei denen andere Interpolationsmethoden besser geeignet sind. Bisher wurden die Daten in ein entsprechendes Gitter konvertiert oder problemspezifische Volumenrenderer entwickelt. Beide Methoden besitzen jedoch Nachteile.

Daher werden im Rahmen dieser Bachelorarbeit zwei Volumenrenderer entwickelt, die beliebige Punktdaten mit beliebigen Interpolationsfunktionen visualisieren können. Dazu werden zwei Verfahrensklassen vorgestellt und jeweils ein bekanntes Verfahren aus diesen adaptiert. Anschließend werden verschiedene Optimierungen für diese Verfahren angewandt, wobei ein Verfahren eine deutlich geringere Laufzeit als das andere zeigt. Dieses wird anschließend weiter optimiert und parallelisiert und mit den im GR-Framework bestehenden Volumenrenderingverfahren verglichen.

Das GR-Framework ist eine im PGI / JCNS-TA entwickelte Grafikbibliothek. Das GRM ist die Meta-Ebene des GR-Frameworks und ermöglicht es, schnell und einfach komplexe Plots zu zeichnen, die aus Grafikelementen der GR-Bibliothek zusammengesetzt sind. In einigen Fällen werden mehrere Plots in einem Fenster dargestellt, um diese zu vergleichen oder weil diese sich ergänzen, z. B. eine Legende. Dafür muss der Nutzer bei jedem Plot die Koordinaten des Rechtecks angeben, welches der Plot auf dem Fenster einnehmen soll.

Im Rahmen der Bachelorarbeit wird ein System entwickelt, welches es dem Nutzer ermöglicht, das Layout auf eine einfachere, intuitivere und doch präzise Weise anzupassen. Im zweiten Teil der Arbeit wird behandelt, wie das Erstellen von Layouts automatisiert werden kann. Dies wäre vor allem in Bereichen, in denen sich die Größe des Ausgabefensters ändert, von Vorteil, da ein Layout durch diese Änderung unbrauchbar werden kann. Der Nutzer müsste sich dann keine Gedanken mehr um das Ausgabefenster machen und lediglich eine Menge von Plots sowie wahlweise eine Menge an Vorgaben übergeben. Schwierig ist beim Entwurf eines solchen Verfahrens das Bewerten anhand von Kriterien, die ein gutes Layout ausmachen, sowie das Entwickeln eines Algorithmus, der verschiedene Nutzervorgaben beachten kann.

Grafiken und Visualisierungen werden vielseitig benutzt, beispielsweise um Ergebnisse aus Messungen oder Simulationen darzustellen. Dafür werden verschiedenste Programme, Programmbibliotheken und Frameworks verwendet. Das im Peter Grünberg Institut und Jülich Centre for Neutron Science entwickelte GR Framework wird für Datenvisualisierungen eingesetzt und für verschiedene Programmiersprachen bereitgestellt. Um hiermit Grafiken zu erstellen, müssen die Funktionen und Datenstrukturen in der jeweiligen Programmiersprache verwendet werden. Der daraus resultierende Quellcode muss jedoch für die spätere Erstellung von ähnlichen Grafiken angepasst werden. Des Weiteren lässt sich der Code schlecht mit anderen Personen austauschen, die das GR Framework in einer anderen Programmiersprache verwenden.

Zur Lösung dieser Probleme soll das GR Framework um ein Rezeptsystem erweitert werden. Mit einem solchen Rezeptsystem wird Code, welchen Nutzende für die Erstellungen von Grafiken schreiben, durch Rezepte ersetzt. Mit Rezepten lassen sich ähnliche Grafiken mit anderen Daten erstellen und sie können unabhängig von der Programmiersprache mit anderen Nutzenden ausgetauscht werden. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit werden verschiedene Herangehensweisen bei der Entwicklung bzw. Implementierung einer domänenspezifische Sprache zur Formulierung dieser Rezepte untersucht. Die Sprache soll eine simple Verwendung dieses Rezeptsystems ermöglichen und könnte auch von anderen Mitteln für Datenvisualisierung unterstützt werden, wodurch die Rezepte unabhängig vom GR Framework verwendet werden könnten.

Als Kandidaten für die zu entwickelnde domänenspezifische Sprache wurden sowohl existierende als auch eine selbstdefinierte Sprache in Betracht gezogen. Hierbei wurden die entsprechenden verfügbaren bzw. selbstentwickelten Parser und die Implementierungen der Verarbeitungen der Sprache in Hinblick auf Erweiterbarkeit, Benutzerfreundlichkeit, Aufwand und Verfügbarkeit verglichen. Für die Entwicklung eines Teils der Sprache werden die möglichen Inhalte eines Rezeptes betrachtet und es wird ein Satz geeigneter Datentypen hergeleitet mit denen sich Modelle für die Sprache bzw. verschiedenen Teilsprachen erstellen lassen.

Im Peter Grünberg Institut / Jülich Centre for Neutron Science werden technische Infrastrukturen und zahlreiche Dienste mit wissenschaftlichem Fokus bereitgestellt. Für deren reibungslosen Betrieb werden Monitoring-Lösungen benötigt, welche die Infrastruktur-Komponenten effizient überwachen, zeitnah Probleme detektieren und diese in geeigneter Form präsentieren. Diese Bachelorarbeit knüpft an ein vorheriges Projekt an, in dem ein System zum Monitoring eines bestehenden Ökosystems, das mit dem Virtualisierungsdienst Docker verschiedene Webdienste bereitstellt, erstellt wurde. In dieser Arbeit wird dieses System so erweitert, dass das Erfassen der Daten von vielen Quellen parallel geschehen kann. Ziel ist es außerdem, dass das Erfassen und Verarbeiten der Daten möglichst in Echtzeit geschieht. Die erfassten Daten werden zusätzlich über eine API an registrierte externe Dienste zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin werden bestehende Monitoring-Tools vorgestellt und ihre Merkmale herausgearbeitet.

Das im Peter Grünberg Institut und im Jülicher Zentrum für Forschung mit Neutronen entwickelte Grafik-Framework GR bietet Wissenschaftlern und anderen Anwendern eine Vielzahl an Möglichkeiten zur Visualisierung zwei- und dreidimensionaler Daten. Eine dieser Möglichkeiten ist das Darstellen von Volumendaten. Dazu wird das Volumen-Rendering benötigt.

Volumen-Rendering bezeichnet Verfahren, bei dem dreidimensionale Volumendaten auf einen zweidimensionalen Bereich projiziert und dargestellt werden können. Die dreidimensionalen Daten, welche beispielsweise in bildgebenden Verfahren oder Simulationen erzeugt werden, liegen dabei meist in Form von Skalarfeldern vor. Das erzeugte Bild wird auch als Volumengrafik bezeichnet.

Mithilfe des Grafik-Frameworks GR können solche Volumengrafiken erstellt werden. Dazu wird bislang eine Implementierung verwendet, welche sich der Programmierschnittstelle OpenGL bedient. Allerdings steht OpenGL nicht auf jedem System bereit, weshalb der Volumen-Renderer des GR-Frameworks auf diesen nicht verwendet werden kann.

Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wird daher ein von OpenGL unabhängiger CPU-basierter Volumen-Renderer entwickelt. Dazu werden der Raycasting-, der Splatting- und der Shear-Warp-Algorithmus genauer analysiert und anschließend verglichen. Hierbei wird die Optimierung und Parallelisierung der einzelnen Algorithmen ebenfalls betrachtet. Der über diesen Vergleich bestimmte Raycasting-Algorithmus wird dann abschließend in das GR-Framework eingebaut, um dessen Funktionalität zu erweitern.

Im Peter Grünberg Institut / Jülich Centre for Neutron Science werden im Rahmen der Visualisierung von Forschungsergebnissen und Simulationen, unter Verwendung des hauseigenen Visualisierungsframeworks, dem GR Framework, häufig Daten zwischen zwei oder mehreren Prozessen ausgetauscht. Aus diesem Grund wurde bereits in der Seminararbeit mit dem Titel "Nachrichtenbasierte Kommunikation zwischen wissenschaftlichen Applikationen" eine Bibliothek entwickelt, welche den Datenaustausch zwischen zwei Prozessen, asynchron und nach dem Request-Response-Muster ermöglicht.

Um beispielsweise Nachrichten mehrerer Sender zu sammeln als auch Daten an mehrere Empfänger verteilen zu können, soll im Rahmen dieser Bachelorarbeit nun die Bibliothek unter Beibehaltung der Asynchronität um Many-to-Many-Kommunikaton erweitert werden. Da verschiedene Anwendungsfälle denkbar sind, in denen ein beliebiger an der Kommunikation teilnehmender Prozess Datenaustausch initiieren möchte, beispielsweise zum Versenden von Steuerbefehlen an einen datenerzeugenden Prozess, soll die Kommunikation nun bidirektional erfolgen, sodass alle miteinander verbundenen Prozesse einen Datenaustausch initiieren können.

Wissenschaftler am Peter Grünberg Institut/Jülich Centre for Neutron Science untersuchen in Experimenten und Simulationen Form und Dynamik von Materialien wie Polymeren, Zusammenlagerungen großer Moleküle und biologischen Zellen sowie die elektronischen Eigenschaften von Festkörpern. Für die Präsentation der in diesem Zusammenhang anfallenden Forschungsergebnisse in Vorträgen und Veröffentlichungen müssen häufig dreidimensionale Strukturen in Echtzeit dargestellt werden.

Bei der Darstellung besagter Strukturen wird bislang in GR3 auf OpenGL, die Spezifikation einer Programmierschnittstelle zur hardwarebeschleunigten Erzeugung von 3D-Grafiken, zurückgegriffen. Die zur Nutzung von OpenGL notwendigen Hardwarekomponenten und Bibliotheken sind allerdings in Umgebungen wie Docker-Containern oder Servern ohne grafische Ausgabe oft nur eingeschränkt oder gar nicht verfügbar. Um dennoch eine performante dreidimensionale Visualisierung in besagten Umgebungen zu ermöglichen, soll im Rahmen dieser Bachelorarbeit der Software-Renderer aus [Rit19], der bislang nur bivariate Funktionen als Oberflächen visualisieren kann, in seiner Funktionalität erweitert und optimiert werden, um verschiedene in Dreiecke zerlegte dreidimensionale Strukturen in angemessener Zeit darstellen zu können. Die dabei erzeugten Grafiken sollen zu der Ausgabe der bisher verwendeten, hardwarebeschleunigten Variante des GR3 nahezu identisch sein. Von besonderer Relevanz ist hierbei die Minimierung der Laufzeit, welche sich durch verschiedene Techniken an die durch die hardwarebeschleunigte Variante erzielte annähern soll. So wird in Zukunft auf Systemen ohne ausreichende Grafikhardware automatisch auf den Software-Renderer zurückgegriffen, ohne dass dies zu erkennbaren optischen Unterschieden oder groben Differenzen in der Ausführungszeit führt.

Die jährlich am Forschungszentrum Jülich stattfindende IFF Spring School bietet Studierenden und Nachwuchswissenschaftlern an zwei Nachmittagen die Möglichkeit an Veranstaltungen wie Labor- und Institutsbesichtigungen und Praxiskursen teilzunehmen. Die Studenten können ihren Interessen entsprechend wählen, an welchen der angebotenen Kurse sie gerne teilnehmen möchten. Nicht jeder Teilnehmer kann dabei die gewünschten Kurse besuchen, da die Anzahl der Teilnehmer pro Kurs begrenzt ist. Deshalb müssen bei der Kursbelegung Kompromisse eingegangen werden.

Zur Planug der Veranstaltung ist eine Verteilung der Teilnehmer auf die Kurse entsprechend ihrer Wahlen nötig. Bei dieser Zuordnung handelt es sich um ein kombinatorisches Optimierungsproblem.

Ein vollständiges Durchsuchen des Lösungsraums zum Finden der Optimallösung kann nicht sinnvoll eingesetzt werden, weil die Problemgröße mit der Anzahl der Teilnehmer und Kurse stark ansteigt.

Ein Lösungsansatz für kombinatorische Optimierungsprobleme basiert auf Deep Reinforcement Learning. Dabei wird mittels des Trainings eines neuronalen Netzes eine gute Lösung gesucht. Wie in dieser Arbeit gezeigt wird, kann dieses Verfahren durch verschiedene Anpassungen auf das Problem der Kursplanung und auch andere mehrdimensionale Optimierungsprobleme angewendet werden. In der Anwendung auf das Problem der Kursplanung liefert es deutlich bessere Ergebnisse, als die zuvor verwendete Heuristik.

Im Peter Grünberg Institut/Jülich Centre for Neutron Science werden in Experimenten und Simulationen oft große Datenmengen erzeugt, für deren Auswertung geeignete Visualisierungsmethoden benötigt werden. Die Anzahl der einzelnen Datenelemente übersteigt dabei oftmals die Auflösung moderner Computer-Bildschirme oder führt zu erheblichen Verzögerungen bei der Darstellung in nachgelagerten webbasierten Systemen und erfordert daher zunächst eine Vorverarbeitung. Diese erweiterte Visualisierungs-Pipeline führt zum sog. Abstract Rendering, welches die zur Darstellung verfügbaren Pixel nicht als Farbmatrix, sondern als Datencontainer auffasst. Zu visualisierende Daten werden zunächst Pixeln zugeordnet, anschließend aggregiert und über eine Transferfunktion darstellbaren Farben zugewiesen. Auf diese Weise können auch große Datenmengen performant und für den Menschen aussagekräftig in eine Bildform überführt werden.

Im Rahmen dieser Bachelorarbeit soll eine Visualisierungs-Pipeline, die an den Konzepten des Abstract Rendering orientiert ist, implementiert und in das im PGI/JCNS vorhandene Grafik-Framework GR integriert werden. Die Umsetzung soll auch in interaktiven Anwendungen einsetzbar sein und ist deshalb möglichst effizient zu gestalten. In einem weiteren Schritt soll das Visualisierungsverfahren so erweitert werden, dass nicht nur punktbasierte Daten, sondern auch Liniensegmente verarbeitet werden können.

Im Forschungszentrum Jülich, Jülich Centre for Neutron Science (JCNS), wird im Gebiet der Neutronenwissenschaft geforscht. Das JCNS betreibt Forschung mit Neutronen in den Bereichen der Biomaterie, des Nanomagnetismus und in hoch korrelierten Elektronensystemen.

Neutronen ermöglichen einen tiefen Einblick ins Innere einer Materie, da diese tief in den zu betrachteten Stoff eindringen und einen Einblick über die Struktur des Atomgitters geben. Durch die Verwendung von Neutronenstreuinstrumenten, in denen eine Probe durch den Beschuss von Neutronen untersucht wird, kann der Aufbau und die Dynamik dieses betrachteten Stoffes erforscht werden.

Um die Messergebnisse eines Experimentes grafisch darzustellen, wurde im Rahmen dieser Bachelorarbeit eine Software, das sogenannte nsi_plot, entwickelt. Das Programm generiert anhand der Versuchsdaten, die aus einem ausgewählten Neutronenstreuinstrument stammen, eine Grafik. Im Einzelnen wird in der Arbeit auf die Neutronenstreuung und die damit resultierende Rechnung, die Triangulation, die Rasterisierung, und die Interpolation eingegangen, sowie auf die Modellierung von Fits (Gauss, Lorentz).

Die Beschäftigten des Peter Grünberg Instituts / Jülich Centre for Neutron Science untersuchen in Experimenten und Simulationen die Form und Dynamik von Materialien wie Polymeren, Zusammenlagerungen großer Moleküle und biologischer Zellen sowie die elektronischen Eigenschaften von Festkörpern. Dabei gewonnene Daten werden für eine anschließende Analyse typischerweise visualisiert. Institutsintern wird für Visualisierungsanwendungen häufig das GR-Framework verwendet. Dieses wurde in einer vorherigen Abschlussarbeit bereits so erweitert, dass dessen API (engl. Application Programming Interface) in einem Browserkontext zur Verfügung steht.

Ein Ansatz zur Auswertung besteht in der Nutzung von Jupyter-Notebooks, welche die Möglichkeiten moderner Interpretersprachen mit Elementen aktueller Webtechnologie verbinden. Im Rahmen der vorliegenden Bachelorarbeit wurde eine Endanwenderkomponente JSTerm (JavaScript Terminal, in Anlehnung an bestehende Implementierungen bspw. GKSTerm) entwickelt, die sowohl als Ausgabe für Jupyter-Notebooks genutzt als auch in beliebige Webseiten eingebettet werden kann.

Neben einer einfach einzubettenden Ausgabe stellt JSTerm außerdem Interaktionsmechanismen bereit, die es beispielsweise erlauben, nachträglich den Fokus der Darstellung zu ändern, gezielt Punkte aus Graphen mit der Maus auszulesen oder Attribute wie Sichtbarkeit zu manipulieren. Im Vordergrund steht hier die komfortable Bedienung für den Endanwender.

Um die zuvor beschriebenen Manipulationsmöglichkeiten realisieren zu können, wurde das GR-Framework um ein neues Protokoll erweitert, welches die Eingabedaten ohne vorherige Reduktion an JSTerm weiterleitet. Als Kommunikationsmedium wird die vorhandene Jupyter-Infrastruktur verwendet. Alternativ zu der Jupyter Variante des JSTerms gibt es die sogenannte standalone Variante. Bei dieser werden die Daten über einen Proxy-Server verschickt, welcher mit Tornado realisiert ist.

Die Erstellung von Grafiken und Visualisierungen ist ein oft sehr hilfreiches Mittel, um verschiedenste Daten wie Messergebnisse und Simulationsresultate zu veranschaulichen. Dabei werden oftmals 2D-Grafiken erzeugt, doch besonders im Kontext wissenschaftlicher Daten sind bei vielen Problemstellungen 3D-Grafiken eher geeignet. Für jeden der beiden Bereiche existieren zwar bereits die verschiedensten Anwendungen zur Erstellung von Grafiken, oft ist jedoch eine Kombination daraus gefordert.

Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurde deshalb ein Softwaresystem entwickelt, dass Elemente zwei- und dreidimensionaler Grafiken kombinieren kann. Je nach Problemstellung werden teils sehr spezielle Anforderungen an die Visualisierung der Daten gestellt. Deshalb ist zudem die einfache Erweiterbarkeit unter Verwendung einer einheitlichen Schnittstelle, die das Ergänzen fehlender Grafikelemente ermöglicht, ein wesentliches Ziel der entwickelten Softwarearchitektur.

Neben der Erweiterbarkeit wurde bei dem Entwurf der Architektur des Systems die Möglichkeit der Verwendung in interaktiven Interpretern berücksichtigt, sodass auch damit Grafiken erzeugt werden können.

Um die entworfene Architektur zu prüfen, wurde im Rahmen dieser Arbeit der Kern dieses erweiterbaren Grafiksystems implementiert und um verschiedene zweiund dreidimensionale Grafikelemente ergänzt.

Im Peter Grünberg Institut/Jülich Centre for Neutron Science untersuchen Wissenschaftler in Experimenten und Simulationen die Form und Dynamik von Materialien wie Polymeren, Zusammenlagerungen großer Moleküle und biologischer Zellen, sowie die elektronischen Eigenschaften von Festkörpern. Die Ergebnisse und der aktuelle Stand der Forschung werden dabei sowohl in Fachzeitschriften als auch zunehmend im World Wide Web veröffentlicht. Ein wichtiges Element bei der Vermittlung dieser Inhalte stellt die Visualisierung von Mess- und Simulationsdaten dar, wofür häufig ein Grafisches Kernsystem und das darauf aufbauende GR Framework verwendet werden.

Im Rahmen dieser Bachelor-Arbeit sollen diese Visualisierungs-Werkzeuge aus JavaScript heraus nutzbar gemacht werden, um eine interaktive Verwendung in dynamischen HTML-Dokumenten zu ermöglichen. Diese Portierung soll dabei weitgehend automatisiert werden, damit zukünftige Änderungen und Erweiterungen der Grafikinfrastruktur ohne zusätzliche Entwicklungsarbeit übernommen werden können. Anhand der Entwicklung einer Beispiel-Anwendung zur Visualisierung von Echtzeitdaten soll die Browser-basierte Verwendung des GR Frameworks demonstriert werden.

Bei der Entwicklung wiederverwendbarer Software stellen in C implementierte Bibliotheken eine gute Wahl dar, denn sie ermöglichen eine plattformunabhängige und effiziente Implementierung und können dabei im Gegensatz zu vielen Alternativen auch aus anderen Programmiersprachen heraus verwendet werden. Die Programmiersprache C bietet allerdings keine direkte Unterstützung für einige Techniken der modernen Softwareentwicklung, welche die Verwendung von Schnittstellen durch Anwendungsentwickler deutlich vereinfachen und somit eine losere Kopplung erlauben.

Da C-Bibliotheken häufig aus Programmiersprachen wie Python oder Julia verwendet werden, die solche Techniken unterstützen, soll im Rahmen dieser Bachelorarbeit ein Konzept entwickelt und umgesetzt werden, welches beispielsweise optionale Schlüsselwort-Argumente in C ermöglicht. Bei der Verwendung der Schnittstelle sollen sprachtypische Techniken, wie etwa Multiple Dispatch, transparent nutzbar sein.

Im Rahmen der Entwicklung einer MATLAB-kompatiblen Grafikbibliothek soll das in dieser Bachelorarbeit entwickelte Konzept angewendet, analysiert und beurteilt werden.

Die Wissenschaftler des Peter Grünberg Instituts/Jülich Centre for Neutron Science untersuchen in Experimenten und Simulationen Form und Dynamik von Materialien wie Polymeren, Zusammenlagerungen großer Moleküle und biologischer Zellen, sowie die elektronischen Eigenschaften von Festkörpern. Zur Visualisierung der Messdaten wird häufig ein Grafisches Kernsystem verwendet, welches eine einheitliche Schnittstelle und viele Ausgabemöglichkeiten bietet (z. B. PDF, Qt, PNG).

Im Rahmen dieser Bachelorarbeit ist ein in Python geschriebener Ausgabetreiber zu entwickeln, der die Daten in einem statischen HTML-Dokument darstellt. Hierfür ist das Canvas-Element des HTML5-Standards zu verwenden. Das Python-Modul zur Interpretation der GKS-Daten ist so zu erstellen, dass es für weitere Python- Ausgabetreiber wiederverwendet werden kann. Die Kommunikation zwischen dem GKS und dem Treiber ist mit der Bibliothek ZeroMQ zu realiseren.

Die Wissenschaftler am Peter Grünberg Institut / Jülich Centre for Neutron Science untersuchen in Experimenten und Simulationen Form und Dynamik von Materialien wie Polymeren, Zusammenlagerungen großer Moleküle und biologischer Zellen sowie die elektronischen Eigenschaften von Festkörpern. Für die Präsentation der in diesem Zusammenhang anfallenden Forschungsergebnisse in Vorträgen und Veröffentlichungen werden häufig 2D- und 3D-Darstellungen von Mess- und Simulationsergebnissen in Echtzeit benötigt.

Den Schwerpunkt dieser Bachelorarbeit bildet die Entwicklung eines logischen Gerätetreibers für ein im Hause entwickeltes Grafisches Kernsystem (GKS) auf der Basis der Open Graphics Library (OpenGL). Das Modul ist so aufzubauen, dass ein beliebiger OpenGL Kontext zur Darstellung von 2D-Grafikprimitiven des GKS genutzt werden kann. Die Erstellung eines OpenGL Kontextes ist losgelöst vom Treiber zu betrachten und durch ein Toolkit (z. B. GLUT oder GLFW) zu realisieren. Für die Darstellung von Texten ist die in der Seminararbeit [Win12] untersuchte FreeType- Bibliothek zu verwenden, welche das geräteunabhängige Rasterisieren von Texten ermöglicht.

Computersimulationen spielen eine wichtige Rolle in der Plasmaphysik. Sie dienen zur Verifikation von theoretischen Modellen und liefern Grundlagen für die Entwicklung und Verbesserung von praktischen Experimenten. Dazu müssen die Ergebnisse ausgewertet und interpretiert werden. Um diesen Arbeitsschritt möglichst effizient zu gestalten, ist geeignete Visualisierung nötig. Da Simulationen im dreidimensionalen Raum vierdimensionale Er- gebnisse liefern (drei Koordinaten und ein Wert), ist eine Nachbearbeitung unumgänglich, wenn die Daten auf den Bildschirm oder auf Papier ausgegeben werden sollen.

Die vorliegende Bachelorarbeit befasst sich mit der Entwicklung und Anwendung von Verfahren zur Darstellung von im dreidimensionalen Raum liegenden Daten, welche von der Transportsimulation EIRENE [1] erzeugt werden. Der Raum, der diskretisiert als Tetraedergitter gegeben ist, wird dabei mit einer Ebene oder einer Geraden geschnitten. Die Ergebnisdaten werden von den Gitterzellen auf die errechneten Strukturen interpoliert und als farbiges Höhenprofil der Schnittfläche oder als Graph der Werte entlang eines Sehstrahls ausgegeben.

Nach einer Einführung in das physikalische Umfeld und die Rahmenbedingungen werden die Grundlagen dieser Verfahren vorgestellt. Danach folgt deren konkrete Anwendung unter Berücksichtigung der Implementierung in der Visualisierungssprache IDL [2]. Diese Verfahren werden in das Programm integriert, das im Rahmen der Seminararbeit [3] im Dezember 2012 vorgestellt wurde. Dieses konnte bisher nur zweidimensionale Gitter verarbeiten und wird durch die hier vorgestellten Verfahren erweitert.

Wissenschaftler am Peter Grünberg Institut/Jülich Centre for Neutron Science untersuchen in Experimenten und Simulationen Form und Dynamik von Materialen wie Polymeren, Zusammenlagerungen großer Moleküle und biologischen Zellen sowie die elektronischen Eigenschaften von Festkörpern. Für die Präsentation der in diesem Zusammenhang anfallenden Forschungsergebnisse in Vorträgen und Veröffentlichungen werden häufig Darstellungen von Kristall- und Molekülstrukturen in höchster Qualität benötigt.

Basierend auf der in einer Seminararbeit erstellten Offscreen Rendering-Bibliothek (GLor) zur Integration OpenGL-basierter 3D-Grafiken in 2D-Grafikwerkzeuge und Anwendungsschnittstellen soll die dafür entwickelte Schnittstelle im Rahmen dieser Bachelorarbeit erweitert und in vorhandene Visualisierungsprogramme integriert werden. Dabei ist zunächst ein Verfahren zu entwickeln, welches die Möglichkeiten konventioneller 2D-Grafik und interaktiver 3D-Systeme vereint.

Anschließend ist dieses Verfahren in zwei Programmsystemen konkret umzusetzen: Zum einen soll die am PGI/JCNS entwickelte GR-Visualisierungbibliothek um die neuen 3D-Funktionen erweitert werden, zum anderen soll eine Anwendung zur Darstellung von Molekülstrukturen (Moldyn) refaktoriert und um die Möglichkeit der Visualisierung von Elektronenspins erweitert werden. Im Zuge dieser Umstellung sollen die Ausgabemöglichkeiten der Bibliothek zudem um interaktiv nutzbare 3D-Anzeigefenster und alternative Ausgabeformate, wie JavaScript-basierte WebGLSkripte oder Szenenbeschreibungen für ein Raytracing-Programm (POV-Ray), ergänzt werden.

Das Peter Grünberg Institut / Jülich Centre for Neutron Science untersucht Form und Dynamik von Materialen wie Polymeren, Zusammenlagerungen großer Moleküle und biologischer Zellen sowie die elektronischen Eigenschaften von Festkörpern. Sowohl in den experimentellen als auch in den theoretischen Instituten werden zahlreiche Visualisierungs-Systeme zur Darstellung der Mess- oder Simulationsergebnisse benutzt. Dabei kommt bei der Entwicklung der Bedienoberflächen neben Qt häufig das wxWidgets Toolkit und vereinzelt GTK+ zum Einsatz.

Den Schwerpunkt dieser Bachelorarbeit bildet die Entwicklung einer Meta-Struktur zur Integration einer im Hause entwickelten Softwarebibliothek (GR) in graphische Benutzeroberflächen. Dazu ist zunächst ein Meta-Modell zu definieren, welches die hierzu benötigten Methoden und Eigenschaften verschiedener graphischer Toolkits (Qt, wxWidgets, GTK+) abstrahiert, sodass häufig verwendete Funktionalitäten (z.B. Initialisierung, Cursorverfolgung und Druckvorgänge) auf leicht handhabbare Weise zugänglich gemacht werden können. Ein besonderes Augenmerk ist hierbei auf den möglichen Einsatz in modernen objektorientierten Skriptsprachen (Python) zu legen.

In einem zweiten Schritt ist eine Anpassung und Erweiterung der GR-Softwarebibliothek vorzunehmen. Ziel ist es, eine möglichst einfache und transparente Anbindung der GR-Visualisierungssoftware in vorhandene GUI-Applikationen zu ermöglichen. Anschließend soll eine Beispielanwendung implementiert werden, die die erweiterten Einsatzmöglichkeiten unter Verwendung der verschiedenen Toolkits und Programmierschnittstellen demonstriert.

Am Peter Grünberg Institut werden die Formund Dynamik “weicher“ Materialen wie Polymeren, Zusammenlagerungen großer Moleküle und biologischer Zellen sowie die strukturellen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften von Festkörpern untersucht. Für die Präsentation der in diesem Zusammenhang anfallenden Forschungsergebnisse im Internet werden häufig dynamische Darstellungen komplexer Kristall- und Molekülstrukturen in hoher Qualität benötigt.

Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Visualisierung der Atome und Bindungen in solchen Molekülen über eine Web-Grafik-Bibliothek (WebGL), die Bestandteil vieler moderner Webbrowser ist und die beschleunigte Darstellung von 3D-Grafiken erlaubt. Im Rahmen der Bachelorarbeit soll ein Großteil der Funktionalität einer vorhandenen Visualisierungssoftware (MOLDYN) auf Basis von JavaScript und WebGL nachgebildet werden.

Zur Veranschaulichung dynamischer Vorgänge wurden in der Vergangenheit meist kleine Videosequenzen erzeugt, die als Containerdateien publiziert und imW eb bereitgestellt wurden. Mit der in dieser Bachelorarbeit zu entwickelnden Umgebung soll untersucht werden, inwieweit solche Prozesse direkt im Browser verfolgt und in der Darstellung interaktiv gesteuert werden können.

Mobile Anwendungen auf Smartphones eröffnen neue und komfortable Wege der Kommunikation mit Netzwerken und Diensten in Unternehmen. Auch im Forschungszentrum Jülich sind in jüngster Zeit Anforderungen entstanden, welche den Einstieg in die Entwicklung solcher Anwendungen erfordern. Nachrichtenticker, Schlagzeilen, Wikis oder Blogs sind nur einige typische Beispiele, die sich aus dem zunehmenden Informations- und Kollaborationsbedarf der Nutzer ergeben.

Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Erstellung einer mobilen Anwendung für das Intranet des Forschungszentrums. Neben der Darstellung allgemein zugänglicher Informationen soll auch eine Mitarbeitersuche bereitgestellt werden, welche mit entsprechendem Kartenmaterial den mobilen Benutzer bei der Suche nach Personen und Gebäuden auf dem Campus unterstützt. Aus sicherheitstechnischen Erwägungen ist hier eine Hybrid-Struktur (nativ, Web-basiert) vorzusehen, um eine strikte Trennung der Verzeichnisinformationen von den öffentlich erreichbaren Informationsquellen zu gewährleisten. Die Kommunikation zwischen mobilem Endgerät und Verzeichnisdienst ist entsprechend zu schützen.

Die Anwendung ist auf der Basis des iOS Betriebssystems der Firma Apple zu entwickeln und soll als In-house App bereitgestellt werden können. Die Inhalte sind entsprechend den iOS Schnittstellen-Richtlinien (iOS Human Interface Guidelines) und unter Ausnutzung von Multi-Touch Gesten aufzubereiten.

Das Institut für Festkörperforschung (IFF) im Forschungszentrum Jülich und das Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) in Garching bei München betreiben Neutronenexperimente. Die Messungen der Instrumente werden auf der Basis eines Grafischen Kernsystems (GKS) visualisiert. Mithilfe eines GKS-Gerätetreibes, der mit einer Client/Server- Kommunikation arbeitet, soll die bisher verwendete Anzeigemethode am Standort Jülich abgelöst werden.

Zur Visualisierung der Daten wurde bereits ein Kommunikationsweg zwischen den Instrumenten und einem plattformunabhängigen Java-Applet konstruiert.

Die Nachbildung der Ausgabeprimitiven des GKS erfolgt, indem grafische Grundelemente auf der Zeichenfläche eines Applets erzeugt werden.

Das Ziel ist die Fertigstellung eines vollwertigen GKS-Gerätetreibers, der über eine Netzanbindung zu einem Instrument die verfügbaren Daten visualisiert.

Ein häufiges Problem bei wissenschaftlichen Programmen ist deren Laufzeit und die damit verbundene Auslastung des Hauptprozessors. Programme, die beispielsweise Teilchenbewegungen simulieren, rechnen mit sehr großen Datenmengen. Bei einigen Problemstellungen sind jedoch die Berechnungen gut parallelisierbar. Diese Bachelorarbeit gibt einen Einblick in die mesoskopische Simulationsmethode MPC (englisch multiparticle collision dynamics) und das Softwarepaket OpenCL zur Parallelprogrammierung. Anschließend wird erläutert, wie die Simulationsmethode unter Verwendung von OpenCL parallelisiert wurde.

Am Institut für Festkörperforschung des Forschungszentrums Jülich ist schon seit Jahren eine standardisierte Grafikbibliothek im Einsatz, die auf einer Implementierung des grafischen Kernsystems (GKS) basiert. Zahlreiche Anwendungen aus dem Bereich der Instrumentierungs- und Simulationssoftware wurden auf der Basis dieser Bibliothek entwickelt, die sowohl von höheren Programmiersprachen als auch gängigen Interpretern angesprochen werden kann. Die Anforderungen an die Grafiksoftware im technischen-wissenschaftlichen Bereich sind in den letzten Jahren gestiegen, insbesondere der Bereich der technischen Präsentationsgrafik hat an Bedeutung gewonnen.

Ziel dieser Arbeit ist es, die o.g. Bibliothek um moderne Visualisierungstechniken zu erweitern. Auf der Basis der Quartz-Anwendungsschnittstelle des Mac OS Betriebssystems sind erweiterte Funktionen implementiert, die den gewachsenen Ansprüchen an die Ausgabequalität gerecht werden. Dazu zählen Transparenz- und Schatteneffekte sowie affine Transformationen (Rotation, Scherung) und Spiegelungen. Hierzu ist ein logischer Gerätetreiber für GKS zu entwickeln, der als eigenständige Anwendung zweidimensionale Grafiken mit erweiterten Ausgabefunktionen auf der Basis von Quartz und PDF erzeugen kann.

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