Master's Theses and Diploma

Also see Bachelor's Theses and Seminar Papers.

Um Vorgänge in der Natur zu verstehen, werden diese häufig mit wissenschaftlichen Simulationen nachgebildet. Als Beispiel dient hier die Bewegung von Bakterien mit Hilfe von Flagellen. Da die genauen Vorgänge nicht bekannt sind, werden viele Simulationen mit unterschiedlichen Parametern durchgeführt. Momentan werden die Ergebnisse nach Ablauf der Simulation und dem Postprocessing als Video visualisiert und ausgewertet. Dann wird entschieden, ob mit den gewählten Eingabeparametern weitergearbeitet werden kann.

Da dieses Vorgehen zeitaufwendig ist, wird im Rahmen dieser Masterarbeit ein Verfahren zur Datenkommunikation vorgestellt, welches eine Live-Visualisierung ermöglicht. Dadurch können die Daten aus der laufenden Simulation kontinuierlich über das Netzwerk übertragen und von einem anderen Rechner abgefragt werden, wo sie visualisiert werden. Der Anwender erhält somit einen Einblick in die laufende Simulation, kann beurteilen, ob sinnvolle Ergebnisse zu erwarten sind und den Prozess gegebenenfalls abbrechen. Das Warten auf das Simulationsende und das Postprocessing entfällt dann.

Der Einsatz in diesem Umfeld stellt verschiedene Anforderungen an die Datenkommunikation, welche bei der Entwicklung beachtet werden müssen. Die Analyse dieser Anforderungen und die Realisierung eines angepassten Kommunikationssystems sind Inhalt dieser Masterarbeit.

/pub/doc/Masterarbeit_FabianBeule.pdf
@Mastersthesis{FabianBeule2016,
  Title                    = {Effizienter Transfer von wissenschaftlichen Simulationsdaten auf der Basis von Unix-IPC und ZeroMQ},
  Author                   = {Fabian Beule},
  School                   = {FH Aachen -- University of Applied Sciences},
  Year                     = {2016},
  Type                     = {Master's Thesis},
  Url                      = {https://pgi-jcns.fz-juelich.de/pub/doc/Masterarbeit_FabianBeule.pdf}
}

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 von Messdaten wird häufig auf Open Source Software zurückgegriffen.

Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde eine Visualisierungssoftware entwickelt, die 3D-Messdaten optimiert aufbereitet und mit OpenGL visualisiert. Die Daten stammen aus vernetzten Simulationsprogrammen und sollen über das Netzwerk empfangen und lokal verarbeitet werden. Es wird ein Satz von grafischen Basisobjekten definiert, aus denen die Visualisierung zusammengesetzt wird. Dabei werden Kriterien verwendet, die für jeden Datenpunkt bestimmen, welche Form der Darstellung verwendet werden soll, um eine angemessene Darstellung zu gewährleisten.

/pub/doc/Masterarbeit_DavidKnodt.pdf
@Mastersthesis{DavidKnodt2016,
  Title                    = {Aufbereitung und Visualisierung von Live-Daten aus verteilten Molekulardynamiksimulationen},
  Author                   = {David Knodt},
  School                   = {FH Aachen -- University of Applied Sciences},
  Year                     = {2016},
  Type                     = {Master's Thesis},
  Url                      = {https://pgi-jcns.fz-juelich.de/pub/doc/Masterarbeit_DavidKnodt.pdf}
}

Das direkte Volumenrendering, die Visualisierung von Skalarfeldern ohne Umwege wie Isoflächen, ist eine wichtige Technik der wissenschaftlichen Visualisierung und ein besonders in der Medizin verbreitetes Mittel zur Analyse von Volumendaten. Doch auch in anderen Anwendungsgebieten werden durch Experimente oder Simulationen Volumendaten erzeugt, wobei diese nicht zwangsweise in dreidimensionalen, sondern teilweise auch in höherdimensionalen Räumen liegen.

Im Rahmen dieser Masterarbeit wird ein Verfahren zur Visualisierung von Skalarfeldern auf dünn besetzten, n-dimensionalen Punktgittern vorgestellt. Über das Volumenrendering-Integral und die Funktionsapproximation durch mehrdimensionale Gaußkurven wird das Problem auf eine dreidimensionale Schnittebene zurückgeführt. Es wird aufgezeigt, wie anschließend Abwandlungen von bereits erprobten Algorithmen unabhängig von der Dimension des eigentlichen Punktgitters zur Bilderzeugung verwendet werden können.

Für einen Anwendungsfall, die Analyse von Neutronenstreuexperimenten an Flugzeitspektrometern, wird die Bedeutung der erzeugten Bilder erläutert und die Ergebnisse werden mit bestehenden Grafiken verglichen. Dies dient als Beispiel eines vierdimensionalen Punktgitters, bei dem große Datenmengen bearbeitet werden müssen, für das eine zufriedenstellende Visualisierung aber dennoch mit üblichen Desktop- Rechnern möglich ist. Dazu werden zwei OpenGL/GLSL-basierte Implementierungen vorgestellt und anhand von Experimentdaten auf ihre Leistungsfähigkeit hin untersucht.

/pub/doc/Masterarbeit_FlorianRhiem.pdf
@Mastersthesis{FlorianRhiem2014,
  Title                    = {Visualisierung eines Skalarfelds auf einem dünn besetzten, n-dimensionalen Punktgitter},
  Author                   = {Florian Rhiem},
  School                   = {FH Aachen -- University of Applied Sciences},
  Year                     = {2014},
  Type                     = {Master's Thesis},
  Url                      = {https://pgi-jcns.fz-juelich.de/pub/doc/Masterarbeit_FlorianRhiem.pdf}
}

Die Mitarbeiter des Peter Grünberg Instituts analysieren im Bereich der „Quanten- Theorie der Materialien“ (PGI-1) strukturelle, elektronische und magnetische Eigenschaften von Festkörpern und Molekülen.

Simulationen liefern große Datenmengen, die für eine Interpretation zunächst in eine für den Menschen verständliche Form überführt werden müssen. Insbesondere multidimensionale Datensätze stellen dabei eine besondere Herausforderung dar, weil sie zu Anschauungszwecken meist auf geringere Dimensionen beschränkt werden müssen. Eine mögliche Einschränkung liefert die Fragestellung, an welchen Koordinaten ein vorgegebener skalarer Wert angenommen wird. Das Ergebnis ist im R3 eine zweidimensionale Isofläche.

Sind die Daten auf einem kartesischen Gitter gegeben, so existieren auf Basis des Marching-Cubes-Algorithmus bereits Implementierungen, deren Resultate mit Hardware-Beschleunigern interaktiv visualisiert werden können. Im Falle von irregulären Gittern liegen bisher allerdings nur wenige anwendungsspezifische Lösungen vor. Die Berechnung von Fermi-Flächen findet z. B. auf irregulären Gitter statt, die sich aufgrund von Symmetrien aus einem nahezu regulären Teilgitter ergeben. Bei dieser Beispielanwendung treten insbesondere an den Symmetrieachsen Irregularitäten auf, die beachtet werden müssen.

Zielsetzung dieser Masterarbeit ist es daher, ein allgemein einsetzbares Verfahren zu entwickeln, welches Isoflächen auf irregulären Gittern erzeugt, visualisiert und – sofern vorhanden – Symmetrieeigenschaften zur Optimierung sinnvoll ausnutzt. Trotz dieser Abstraktion soll das Verfahren qualitativ mit bisherigen Lösungen vergleichbar sein. Für den Anwender wird zusätzlich eine einfache API bereitgestellt, die sich in den bestehenden Arbeitsfluss integriert und somit eine Anbindung an vorhandene Python-Umgebungen ermöglicht.

/pub/doc/Masterarbeit_IngoHeimbach.pdf
@Mastersthesis{IngoHeimbach2014,
  Title                    = {Berechnung und Visualisierung von Isoflächen auf irregulären Gittern},
  Author                   = {Ingo Heimbach},
  School                   = {FH Aachen -- University of Applied Sciences},
  Year                     = {2014},
  Type                     = {Master's Thesis},
  Url                      = {https://pgi-jcns.fz-juelich.de/pub/doc/Masterarbeit_IngoHeimbach.pdf}
}

Am Peter Grünberg Institut (PGI) sowie am Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) des Forschungszentrums Jülich werden für die Softwareentwicklung im Bereich der Instrumentierung schon seit Jahren einheitliche Softwarebibliotheken für grafische Benutzeroberflächen und die Visualisierung von Daten eingesetzt. Hierbei wurden das Qt-Toolkit sowie die GR-Visualisierungsbibliothek für 2D- und OpenGL für 3D-Visualisierungen als Standard festgelegt. Zahlreiche Anwendungen und Programmierschnittstellen aus dem Bereich der Instrumentierungs- und Auswertesoftware wurden auf der Basis dieser Bibliotheken entwickelt. Mit der zunehmenden Leistungsfähigkeit und Einsatzmöglichkeit mobiler Endgeräte sind jedoch auch die Anforderungen an die Software im technisch-wissenschaftlichen Bereich gestiegen.

Ziel dieser Arbeit ist es, die o.g. Bibliotheken auf mobilen Endgeräten der Firma Apple nutzbar zu machen. Hierbei ist ein geeignetes Verfahren zu entwickeln, mit dem solche Endgeräte nach dem Client-Server-Prinzip in vorhandene Anwendungen integriert werden können. Dazu sollen sich mobile Geräte über das Netzwerk an Qt- und GR-basierte Programme andocken können, um diese zu beobachten und gegebenenfalls zu steuern. Der Anpassungsaufwand für die vorhandenen Instrumentierungsanwendungen sollte dabei minimal sein. Im Rahmen dieser Arbeit ist eine flexible und effiziente Kommunikationsmethode sowohl für die Benutzerinteraktion als auch für den Austausch von Daten zu entwerfen und zu implementieren. Das resultierende Verfahren ist am Beispiel der KWS1- Livedisplay Software konkret in die Praxis umzusetzen.

/pub/doc/Masterarbeit_MarcelDueck.pdf
@Mastersthesis{MarcelDück2012,
  Title                    = {Integration von mobilen iOS Geräten der Firma Apple in Instrumentierungsanwendungen},
  Author                   = {Marcel Dück},
  School                   = {FH Aachen -- University of Applied Sciences},
  Year                     = {2012},
  Type                     = {Master's Thesis},
  Url                      = {https://pgi-jcns.fz-juelich.de/pub/doc/Masterarbeit_MarcelDueck.pdf}
}

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. So werden am Institut Quanten-Theorie der Materialien unter anderem Simulationen zur Spindynamik (SD) in magnetischen Nanostrukturen für Anwendungen zukünftiger Datenspeicher durchgeführt. Für das Verständnis der in diesem Zusammenhang anfallenden Ergebnisse ist eine Visualisierung der Magnetisierungsvektoren in verschiedenen Darstellungsmodi oft hilfreich.

Im Rahmen dieser Masterarbeit ist zunächst eine CUDA-basierte GPU-Anwendung in ein OpenCL-basiertes Programm zu überführen, welches den rechenintensiven Teil der Simulation - ein stochastisches Runge-Kutta Verfahren - sowohl auf GPUs als auch Mehrkern-CPUs ausführen kann. Darüber hinaus ist eine Methode zu entwickeln, welche den gleichzeitigen Zugriff einer OpenGL-basierten Visualisierungs-Anwendung ist als generisches API umzusetzen, welches auch in anderen GPU-Programmen zum Einsatz kommen kann.

Weiterer Bestandteil der Arbeit ist neben der Implementierung verschiedener effizienter Darstellungsverfahren die Implementierung eines OpenCL-basierten FFT-Algorithmus für nicht-äquidistante Daten. In diesem Zusammenhang soll unter anderem eine Visualisierung der Magnetisierungsvektoren von dreidimensionalen Nanostrukturen ermöglicht werden, bei denen auch Schnitte durch diese Strukturen betrachtet werden können. Des Weiteren ist vorzusehen, in thermisch angeregten magnetischen Strukturen eine Echtzeit-Darstellung der Fouriertransformierten zu analysieren, um magnetische Phasenübergänge zu erkennen.

/pub/doc/Masterarbeit_AnnaJakobs.pdf
@Mastersthesis{AnnaJakobs2012,
  Title                    = {Integration von OpenGL-Visualisierungstechniken in GPU-Anwendungen},
  Author                   = {Anna Jakobs},
  School                   = {FH Aachen -- University of Applied Sciences},
  Year                     = {2012},
  Type                     = {Master's Thesis},
  Url                      = {https://pgi-jcns.fz-juelich.de/pub/doc/Masterarbeit_AnnaJakobs.pdf}
}

Am Peter Grünberg Institut sowie am Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) des Forschungszentrums Jülich ist schon seit Jahren eine standardisierte Grafikbibliothek im Einsatz, die auf einer Implementierung des grafischen Kernsystems (GKS) basiert. Zahlreiche Anwendungen und Programmschnittstellen aus dem Bereich der Instrumentierungs-, Simulations- und Auswertesoftware wurden auf der Basis dieser Bibliothek entwickelt, die sowohl von höhereren Programmiersprachen als auch gängigen Interpretern angesprochen werden können. Die Anforderungen an die Grafiksoftware im wissenschaftlich-technischen Umfeld sind in den letzten Jahren gestiegen, insbesondere der Bereich der Client-/Server-basierten Visualisierungslösungen hat an Bedeutung gewonnen.

Ziel dieser Arbeit ist es, die oben genannte Bibliothek auf mobilen Endgeräten der Firma Apple nutzbar zu machen. Auf der Basis der OpenGL ES Anwendungsschnittstelle des iOS Betriebssystems sind erweiterte Funktionen zu implementieren, die den gewachsenen Ansprüchen an Interaktivität, Performance und Qualität gerecht werden. Dazu zählen spezielle Eingabegesten für die Transformation von dreidimensionalen Grafiken sowie der Aufbau einer effizienten Kommunikationsmethode für Livedaten. Hierzu ist ein Plugin zu entwickeln, das als eigenständige iOS Anwendung eine komfortable mobile Schnittstelle zu vorhandenen Anwendungen bietet.

/pub/doc/Masterarbeit_ChristianFelder.pdf
@Mastersthesis{ChristianFelder2011,
  Title                    = {Implementierung einer Visualisierungsanwendung für Apples iOS},
  Author                   = {Christian Felder},
  School                   = {FH Aachen -- University of Applied Sciences},
  Year                     = {2011},
  Type                     = {Master's Thesis},
  Url                      = {https://pgi-jcns.fz-juelich.de/pub/doc/Masterarbeit_ChristianFelder.pdf}
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/pub/doc/Diplomarbeit_ChristophHahn.pdf
@Mastersthesis{ChristophHahn2009,
  Title                    = {Berechnung und Visualisierung von Cavities in GeSbTe-Molekülen von wiederbeschreibbaren Medien},
  Author                   = {Christoph Hahn},
  School                   = {FH Aachen -- University of Applied Sciences},
  Year                     = {2009},
  Type                     = {Diploma},
  Url                      = {https://pgi-jcns.fz-juelich.de/pub/doc/Diplomarbeit_ChristophHahn.pdf}
}

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/pub/doc/Diplomarbeit_RobertNesselrath.pdf
@Mastersthesis{StefanJongen2006,
  Title                    = {Entwicklung schneller Löser für Randwertprobleme in der geoelektrischen Widerstandstomographie},
  Author                   = {Stefan Jongen},
  School                   = {FH Aachen -- University of Applied Sciences},
  Year                     = {2006},
  Type                     = {Diploma},
  Url                      = {https://pgi-jcns.fz-juelich.de/pub/doc/Diplomarbeit_RobertNesselrath.pdf}
}

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/pub/doc/Diplomarbeit_AndreasKleefeld.pdf
@Mastersthesis{AndreasKleefeld2005,
  Title                    = {Numerische Untersuchungen zur Bestimmung von Bodenstrukturen durch elektrische Widerstandstomographie (ERT)},
  Author                   = {Andreas Kleefeld},
  School                   = {FH Aachen -- University of Applied Sciences},
  Year                     = {2005},
  Type                     = {Diploma},
  Url                      = {https://pgi-jcns.fz-juelich.de/pub/doc/Diplomarbeit_AndreasKleefeld.pdf}
}

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/pub/doc/Diplomarbeit_RobertNesselrath.pdf
@Mastersthesis{RobertNeßelrath2005,
  Title                    = {Plattformunabhängige Visualisierung von Neutronenspektren auf der Basis von OpenGL},
  Author                   = {Robert Neßelrath},
  School                   = {FH Aachen -- University of Applied Sciences},
  Year                     = {2005},
  Type                     = {Diploma},
  Url                      = {https://pgi-jcns.fz-juelich.de/pub/doc/Diplomarbeit_RobertNesselrath.pdf}
}