Post on 18-Aug-2019
Johann Wolfgang Goethe UniversitätFrankfurt am MainFachbereich Biologie und Informatik (15)Lehrstuhl für Graphische Datenverarbeitung
Abschlussvortrag zur Diplomarbeit Abschlussvortrag zur Diplomarbeit von Frank Bergmannvon Frank Bergmann
Konfiguration, Simulation und Visualisierung Konfiguration, Simulation und Visualisierung von einfachen, dreidimensionalen von einfachen, dreidimensionalen
ReaktionsdiffusionssystemenReaktionsdiffusionssystemen
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 2 / 342 / 34
ÜberblickÜberblick
EinleitungEinleitung•• MotivationMotivation•• Ziel der ArbeitZiel der Arbeit
GrundlagenGrundlagenKonzeptKonzeptRealisierungRealisierungZusammenfassungZusammenfassungAusblickAusblickDemonstrationDemonstration
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 3 / 343 / 34
EinleitungEinleitungIn biologischen Systemen diffundieren und In biologischen Systemen diffundieren und interagieren Moleküle innerhalb eines interagieren Moleküle innerhalb eines abgeschlossenen Reaktionsvolumensabgeschlossenen ReaktionsvolumensAus solchen Systemen sind im Laufe der Zeit so Aus solchen Systemen sind im Laufe der Zeit so komplexe Strukturen wie lebende Zellen komplexe Strukturen wie lebende Zellen entstandenentstandenMotivation:Motivation:•• Simulation / Visualisierung von Simulation / Visualisierung von ReaktionsdiffusionsReaktionsdiffusions--
systemensystemen verspricht Erkenntnisse bei der Untersuchung verspricht Erkenntnisse bei der Untersuchung von räumlichen Effekten in von räumlichen Effekten in metabolischenmetabolischen ProzessenProzessen
•• Damit kann ein besseres Verstehen und Verfolgen der Damit kann ein besseres Verstehen und Verfolgen der Entstehung von dreidimensionalen Mustern erreicht Entstehung von dreidimensionalen Mustern erreicht werdenwerden
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 4 / 344 / 34
Ziel dieser ArbeitZiel dieser ArbeitZiel der Arbeit ist die Spezifikation und Ziel der Arbeit ist die Spezifikation und prototypische Implementierung:prototypische Implementierung:•• Konfigurationstools:Konfigurationstools:
zur Definition der Verteilung unterschiedlicher zur Definition der Verteilung unterschiedlicher Molekülkonzentrationen, Membranen und Kanäle im Molekülkonzentrationen, Membranen und Kanäle im ReaktionsvolumenReaktionsvolumen
•• 3D 3D –– Simulationsalgorithmus (PDE Simulationsalgorithmus (PDE SolverSolver):):zur Simulation einfacher dreidimensionaler zur Simulation einfacher dreidimensionaler ReaktionsdiffusionssystemeReaktionsdiffusionssysteme
•• 3D Visualisierungskomponente:3D Visualisierungskomponente:Zur Darstellung der SimulationsergebnisseZur Darstellung der SimulationsergebnisseMit Untersuchung ob eine 3DMit Untersuchung ob eine 3D--Visualisierung während Visualisierung während der Laufzeit der Simulation durchgeführt werden der Laufzeit der Simulation durchgeführt werden kann. kann.
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 5 / 345 / 34
ÜberblickÜberblickEinleitungEinleitungGrundlagenGrundlagen•• ReaktionsdiffusionssystemeReaktionsdiffusionssysteme•• VolumenvisualisierungVolumenvisualisierung•• Systems Biology Workbench (SBW)Systems Biology Workbench (SBW)
KonzeptKonzeptRealisierungRealisierungZusammenfassungZusammenfassungAusblickAusblickDemonstrationDemonstration
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 6 / 346 / 34
ReaktionReaktion--DiffusionDiffusionIn Ansammlungen von Elementen In Ansammlungen von Elementen bewegen sich die einzelnen Elemente in bewegen sich die einzelnen Elemente in zufälliger Weise (Brownsche Bewegung).zufälliger Weise (Brownsche Bewegung).Durch diese zufälligen Bewegungen Durch diese zufälligen Bewegungen breiten sich die Elemente aus.breiten sich die Elemente aus.Resultiert diese Bewegung der einzelnen Resultiert diese Bewegung der einzelnen Elemente in einer gerichteten Bewegung Elemente in einer gerichteten Bewegung der Gruppe spricht man von der Gruppe spricht man von DiffusionDiffusion. . Falls diese einzelnen Elemente Falls diese einzelnen Elemente miteinander interagieren spricht man nicht miteinander interagieren spricht man nicht mehr von mehr von DiffusionDiffusion, sondern , sondern ReaktionReaktion--DiffusionDiffusion..
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 7 / 347 / 34
VolumenvisualisierungVolumenvisualisierung
Die Visualisierung von Daten, welche die Die Visualisierung von Daten, welche die dreidimensionale Struktur der Daten dreidimensionale Struktur der Daten erhält, nennt man Volumenvisualisierungerhält, nennt man VolumenvisualisierungÜblicherweise werden Algorithmen zur Üblicherweise werden Algorithmen zur Volumenvisualisierung in drei Kategorien Volumenvisualisierung in drei Kategorien unterteiltunterteilt•• DirectDirect VolumeVolume RenderingRendering (DVR)(DVR)•• InteractiveInteractive MethodsMethods•• SurfaceSurface--FittingFitting AlgorithmsAlgorithms
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 8 / 348 / 34
Systems Biology Workbench Systems Biology Workbench (SBW)(SBW)
Software Framework das PlattformSoftware Framework das Plattform-- und und Sprachübergreifende Kommunikation Sprachübergreifende Kommunikation zwischen Anwendungen ermöglichtzwischen Anwendungen ermöglicht
Durch Durch BindingBinding--LibrariesLibraries ermöglicht SBW ermöglicht SBW den einfachen Zugriff auf Anwendungen den einfachen Zugriff auf Anwendungen unterschiedlichster Art. Im Moment unterschiedlichster Art. Im Moment stehen Simulationsstehen Simulations--, Modellierungs, Modellierungs-- und und Optimierungsmodule zur Verfügung.Optimierungsmodule zur Verfügung.
SBW BrokerSBW BrokerSBW ModuleSBW Module
C++ BindingLibrary
C++ BindingLibrary
SBW ModuleSBW Module
JavaB
indingLibrary
JavaB
indingLibrarySBW BrokerSBW BrokerSBW ModuleSBW Module
C++ BindingLibrary
C++ BindingLibrarySBW ModuleSBW Module
C++ BindingLibrary
C++ BindingLibrary
SBW ModuleSBW Module
JavaB
indingLibrary
JavaB
indingLibrary SBW ModuleSBW Module
JavaB
indingLibrary
JavaB
indingLibrary
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 9 / 349 / 34
ÜberblickÜberblickEinleitungEinleitungGrundlagenGrundlagenKonzeptKonzept•• KonfigurierungKonfigurierung•• SimulationSimulation•• VisualisierungVisualisierung
RealisierungRealisierungZusammenfassungZusammenfassungAusblickAusblickDemonstrationDemonstration
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 10 / 3410 / 34
KonzeptKonzeptDreiteilung des Projekts in Konfiguration, Dreiteilung des Projekts in Konfiguration, Simulation und VisualisierungSimulation und Visualisierung
Aufgaben der KonfigurationAufgaben der Konfiguration•• Festlegen des ReaktionsvolumensFestlegen des Reaktionsvolumens•• Auswählen des SimulationsmodusAuswählen des Simulationsmodus•• Einfügen der ElementeEinfügen der Elemente•• Abspeichern der Konfiguration in einem Abspeichern der Konfiguration in einem
StandardformatStandardformat
ConfigurationUnit
ConfigurationUnit
SimulationUnit
SimulationUnit
VisualizationUnit
VisualizationUnit
ConfigurationUnit
ConfigurationUnit
SimulationUnit
SimulationUnit
VisualizationUnit
VisualizationUnit
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 11 / 3411 / 34
Konzept Konzept –– KonfigurationKonfigurationElementeElemente•• ReaktionsvolumenReaktionsvolumen•• Molekülkonzentrationen der Molekülkonzentrationen der SpeciesSpecies X und X und SpeciesSpecies YY•• MembranenMembranen•• KanäleKanäle
DateiformateDateiformate•• cellMLcellML
Standardisiertes Dateiformat zum Austausch von zellulären und Standardisiertes Dateiformat zum Austausch von zellulären und subzellulären Prozessen subzellulären Prozessen Hauptaugenmerk liegt auf der mathematischen Beschreibung Hauptaugenmerk liegt auf der mathematischen Beschreibung der Modelleder ModelleModell definiert als Netzwerk von wieder verwendbaren Modell definiert als Netzwerk von wieder verwendbaren Komponenten (bestehend aus Variablen und Gleichungen) Komponenten (bestehend aus Variablen und Gleichungen)
•• SBMLSBMLStandardisiertes Dateiformat zum Austausch von biologischen ModeStandardisiertes Dateiformat zum Austausch von biologischen ModellenllenNatives Dateiformat für SBW ModuleNatives Dateiformat für SBW ModuleFokus auf PragmatismusFokus auf Pragmatismus
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 12 / 3412 / 34
Konzept Konzept –– SimulationSimulationAufgaben der SimulationAufgaben der Simulation•• Einlesen der KonfigurationEinlesen der Konfiguration•• Initialisieren des ReaktionsvolumensInitialisieren des Reaktionsvolumens•• Initialisieren des ReactionPluginsInitialisieren des ReactionPlugins•• Solange nicht abgebrochen wirdSolange nicht abgebrochen wird
Einen Schritt SimulierenEinen Schritt SimulierenAbspeichern / Weitergeben der SimulationsdatenAbspeichern / Weitergeben der Simulationsdaten
Plugin System zur Bereitstellung von Plugin System zur Bereitstellung von unterschiedlichen Simulationsmodiunterschiedlichen Simulationsmodi•• Reine DiffusionReine Diffusion•• Brusselator ReaktionsdiffusionssystemBrusselator Reaktionsdiffusionssystem•• SBW/JarnacSBW/Jarnac
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 13 / 3413 / 34
Konzept Konzept –– Simulation Simulation –– Plugins Plugins 1 / 31 / 3
Reine DiffusionReine Diffusion•• Nur der Diffusionsteil der ReaktionsNur der Diffusionsteil der Reaktions--
DiffusionsDiffusions--Gleichung wird ausgewertetGleichung wird ausgewertet•• Dies geschieht durch „Nullsetzen“ der Dies geschieht durch „Nullsetzen“ der
Reaktionsgleichungen in der Reaktionsgleichungen in der allgemeinen Gleichung:allgemeinen Gleichung:
3
3
x
y
x rD xty rD yt
∂= ∇
∂∂
= ∇∂
3
3
( , )
( , )
x x
y y
x F x y D xty F x y D yt
∂= + ∇
∂∂
= + ∇∂
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 14 / 3414 / 34
Konzept Konzept –– Simulation Simulation –– Plugins Plugins 2 / 32 / 3
Brusselator ReaktionsdiffusionssystemBrusselator Reaktionsdiffusionssystem•• Reaktionsdiffusionssystem (nach Reaktionsdiffusionssystem (nach NicolisNicolis et. al 1977) et. al 1977)
bestehend aus zwei Chemikalien welche in vier bestehend aus zwei Chemikalien welche in vier Reaktionen miteinander interagieren:Reaktionen miteinander interagieren:
A A XXB+X B+X Y + DY + D2X+Y 2X+Y 3X3XX X EE
•• Daraus ergeben sich die folgenden Gleichungen für die Daraus ergeben sich die folgenden Gleichungen für die KonzentrationsveränderungenKonzentrationsveränderungen::
( ) 2
2
1 and
rate of change X A B X X Y
rate of change Y BX X Y
= − + +
= −
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 15 / 3415 / 34
Konzept Konzept –– Simulation Simulation –– PluginsPlugins3 / 33 / 3
SBW/JarnacSBW/Jarnac•• Die Idee hierbei ist eine mittels des Konfigurationstools Die Idee hierbei ist eine mittels des Konfigurationstools
generierte Konfiguration in JDesigner nachzubearbeiten generierte Konfiguration in JDesigner nachzubearbeiten und später durch Jarnac berechnen zu lassenund später durch Jarnac berechnen zu lassen
ConfigurationUnit
ConfigurationUnit
JDesignerJDesigner
SimulationUnit
SimulationUnit
VisualizationUnit
VisualizationUnit
JarnacJarnacR
eactionP
luginR
eactionP
luginSBW
BrokerSBW
Broker
Create an initialConfiguration with the “configuration unit”
Load configuration intoJDesigner and visuallyadd reactions
Simulate altered config.This will invoke Jarnacvia SBW
Visualize the simulationresults with the “visualization unit”
ConfigurationUnit
ConfigurationUnit
JDesignerJDesigner
SimulationUnit
SimulationUnit
VisualizationUnit
VisualizationUnit
JarnacJarnacR
eactionP
luginR
eactionP
luginSBW
BrokerSBW
Broker
Create an initialConfiguration with the “configuration unit”
Load configuration intoJDesigner and visuallyadd reactions
Simulate altered config.This will invoke Jarnacvia SBW
Visualize the simulationresults with the “visualization unit”
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 16 / 3416 / 34
Konzept Konzept –– Visualisierung 1 / 2Visualisierung 1 / 2Zum Testen, ob eine 3D Visualisierung während der Zum Testen, ob eine 3D Visualisierung während der Durchführung der Simulation möglich/sinnvoll ist, sind zwei Durchführung der Simulation möglich/sinnvoll ist, sind zwei Ausführungsmodi vorgesehen:Ausführungsmodi vorgesehen:•• Online: Visualisierung während der SimulationOnline: Visualisierung während der Simulation•• Offline: Visualisierung von abgespeicherten SimulationsdatenOffline: Visualisierung von abgespeicherten Simulationsdaten
Aufgaben der VisualisierungAufgaben der Visualisierung•• Laden der Konfiguration / Laden der SimulationsdatenLaden der Konfiguration / Laden der Simulationsdaten•• Berechnen und Anzeigen einer ersten Iteration / Anzeigen der Berechnen und Anzeigen einer ersten Iteration / Anzeigen der
ersten abgespeicherten Iterationersten abgespeicherten Iteration•• Abgeben der Kontrolle an den Benutzer:Abgeben der Kontrolle an den Benutzer:
Navigation durch die generierte SzeneNavigation durch die generierte SzeneAutomatisches Abspielen weiterer IterationenAutomatisches Abspielen weiterer IterationenVerändern des Schwellenwertes für den die Szene erstellt wurdeVerändern des Schwellenwertes für den die Szene erstellt wurdeAuswählen einer anderen VisualisierungAuswählen einer anderen Visualisierung„„ClippenClippen“ des Reaktionsvolumen entlang der drei Hauptachsen“ des Reaktionsvolumen entlang der drei Hauptachsen
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 17 / 3417 / 34
Konzept Konzept –– Visualisierung 2 / 2Visualisierung 2 / 2
Plugin System für verschiedene Plugin System für verschiedene Visualisierung der Simulationsdaten:Visualisierung der Simulationsdaten:•• Umsetzung von Standardalgorithmen Umsetzung von Standardalgorithmen
der Volumenvisualisierungder VolumenvisualisierungMarching Marching CubeCubeMarching TetrahedraMarching TetrahedraTexturePluginTexturePluginOpaqueOpaque CubesCubes
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 18 / 3418 / 34
ÜberblickÜberblickEinleitungEinleitungGrundlagenGrundlagenKonzeptKonzeptRealisierungRealisierung•• Design des SystemsDesign des Systems•• KonfigurationKonfiguration•• SimulationSimulation•• VisualisierungVisualisierungZusammenfassungZusammenfassungAusblickAusblickDemonstrationDemonstration
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 19 / 3419 / 34
RealisierungRealisierung
Umsetzung auf der Basis von C++ Umsetzung auf der Basis von C++ erweitert um erweitert um QtQt und OpenSceneGraphund OpenSceneGraphDesign des SystemsDesign des Systems
Configuration UnitConfiguration Unit
Simulation UnitSimulation Unit
DataHandlerDataHandler
Visualization UnitVisualization Unit
Configuration
Configuration
PluginManager
PluginManager
Reaction
Plugins
Reaction
Plugins
VisualizationPlugins
VisualizationP
lugins
Configuration UnitConfiguration Unit
Simulation UnitSimulation Unit
DataHandlerDataHandler
Visualization UnitVisualization Unit
Configuration
Configuration
PluginManager
PluginManager
Reaction
Plugins
Reaction
Plugins
VisualizationPlugins
VisualizationP
lugins
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 20 / 3420 / 34
Realisierung Realisierung –– Konfiguration 1 / 2Konfiguration 1 / 2
ÜberblickÜberblick•• Spezialisierte Werkzeuge Spezialisierte Werkzeuge
zum Einfügen der zum Einfügen der verschiedenen Elementeverschiedenen Elemente
•• KonfigurationsKonfigurations--Datenstruktur basierend Datenstruktur basierend auf einer auf einer HashmapHashmap von von ElementenElementen
•• SerialisationSerialisation der der Konfiguration als SBML Konfiguration als SBML levellevel 2, erweitert um 2, erweitert um AnnotationsAnnotations welche welche Positionsinformationen Positionsinformationen enthalten, die noch nicht in enthalten, die noch nicht in der SBML Spezifikation der SBML Spezifikation enthalten sind
Configuration UnitConfiguration Unit
InsertToolsInsertTools
SpeciesInsertToolSpeciesInsertTool
MembraneInsertToolMembraneInsertTool
ChannelInsertToolChannelInsertTool
Configuration
Configuration
SBMLSBML
ConfigurationViewer
ConfigurationViewer
Configuration UnitConfiguration Unit
InsertToolsInsertTools
SpeciesInsertToolSpeciesInsertTool
MembraneInsertToolMembraneInsertTool
ChannelInsertToolChannelInsertTool
Configuration
Configuration
SBMLSBML
ConfigurationViewer
ConfigurationViewer
enthalten sind
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 21 / 3421 / 34
Realisierung Realisierung –– Konfiguration 2 / 2Konfiguration 2 / 2
ProgrammProgramm•• Beachtung von Beachtung von
gängigen Standardsgängigen StandardsDockwindowsDockwindowsTool & Menu BarsTool & Menu BarsStatusleisteStatusleisteDrag & Drop Drag & Drop Unterstützung zum Unterstützung zum Öffnen neuer Öffnen neuer DokumenteDokumenteRecentRecent--FilesFilesApspeichernApspeichern von von Position & Größe des Position & Größe des ProgrammfenstersProgrammfensters
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 22 / 3422 / 34
Realisierung Realisierung –– SimulationSimulationRealisierung als Realisierung als plattformunabhängiges plattformunabhängiges Kommandozeilenprogramm Kommandozeilenprogramm für größtmögliche für größtmögliche Einsetzbarkeit auf Einsetzbarkeit auf verschiedenen Systemenverschiedenen SystemenVerschiedene Verschiedene Operationsmodi:Operationsmodi:•• Initialisierung von Initialisierung von
KonfigurationsdateiKonfigurationsdatei•• Initialisierung von Initialisierung von
vorherigem Simulationslaufvorherigem Simulationslauf•• Abänderung einer laufenden Abänderung einer laufenden
Simulation durch Angabe Simulation durch Angabe einer neuen einer neuen Konfigurationsdatei
Simulation UnitSimulation Unit
Configuration
Configuration
PluginManagerPluginManager
Simulation CoreSimulation Core
DataHandlerDataHandler
ReactionPluginsReactionPlugins
VisualizationUnit
VisualizationUnit
Simulation UnitSimulation Unit
Configuration
Configuration
PluginManagerPluginManager
Simulation CoreSimulation Core
DataHandlerDataHandler
ReactionPluginsReactionPlugins
VisualizationUnit
VisualizationUnit
Konfigurationsdatei
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 23 / 3423 / 34
Realisation Realisation -- Visualisierung 1 / 3Visualisierung 1 / 3OnlineOnline-- und und OfflineOffline--ModusModusunterscheiden sich unterscheiden sich hauptsächlich in der hauptsächlich in der Ansteuerung des Ansteuerung des DataHandlersDataHandlers. Entweder . Entweder wird dieser durch den wird dieser durch den Simulator gefüllt, oder es Simulator gefüllt, oder es werden Simulationsdaten werden Simulationsdaten früherer Simulationen in ihn früherer Simulationen in ihn geladen.geladen.Die Programmoberfläche Die Programmoberfläche wurde möglichst einheitlich wurde möglichst einheitlich zur „zur „configurationconfiguration unitunit“ “ gehalten. Mit der gleichen gehalten. Mit der gleichen Unterstützung der gängigen Unterstützung der gängigen Windows Features. Windows Features.
Visualization UnitVisualization Unit
Configuration
Configuration
DataH
andlerD
ataHandler
PluginM
anagerP
luginManager
VisualizationP
luginsV
isualizationPlugins
VisualizationV
iewer
VisualizationV
iewer
Simulation UnitSimulation Unit
Visualization UnitVisualization Unit
Configuration
Configuration
DataH
andlerD
ataHandler
PluginM
anagerP
luginManager
VisualizationP
luginsV
isualizationPlugins
VisualizationV
iewer
VisualizationV
iewer
Simulation UnitSimulation Unit
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 24 / 3424 / 34
Realisation Realisation -- Visualisierung 2 / 3Visualisierung 2 / 3
SimpleCubePlugin PointCloudPlugin
MarchingCubePlugin MarchingTetrahedronPlugin
ComboPlugin
TexturePlugin
SimpleCubePlugin PointCloudPlugin
MarchingCubePlugin MarchingTetrahedronPlugin
ComboPluginComboPlugin
TexturePluginTexturePlugin
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 25 / 3425 / 34
Realisation Realisation -- Visualisierung 3 / 3Visualisierung 3 / 3
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 26 / 3426 / 34
Probleme & LimitationenProbleme & Limitationen3D Simulation & Visualisierung3D Simulation & Visualisierung•• Große Anzahl von ElementenGroße Anzahl von Elementen
viele Berechnungenviele Berechnungenviel Speicherplatz benviel Speicherplatz benöötigttigtSomit ist selbst auf aktuellen Computern höchstens die SimulatioSomit ist selbst auf aktuellen Computern höchstens die Simulation und n und Visualisierung von Visualisierung von ReaktionvolumenReaktionvolumen bis zu 200x200x200 sinnvoll möglich. bis zu 200x200x200 sinnvoll möglich.
QtQt--MultithreadingMultithreading•• Die Idee war die Generierung der Szene durch die einzelnen PlugiDie Idee war die Generierung der Szene durch die einzelnen Plugins in einen ns in einen
separaten separaten ThreadThread auszulagern. auszulagern. •• Durch die Verwendung des Durch die Verwendung des QProgressDialogsQProgressDialogs hätte dann die Generierung der hätte dann die Generierung der
Szene einfach abgebrochen werden können, falls sie zu viel Zeit Szene einfach abgebrochen werden können, falls sie zu viel Zeit und Ressourcen und Ressourcen verbraucht hätte. Dieser Dialog hätte nur erscheinen sollen, nacverbraucht hätte. Dieser Dialog hätte nur erscheinen sollen, nach dem eine h dem eine einstellbare Zeitspanne überschritten wurde. einstellbare Zeitspanne überschritten wurde.
SBWSBW--PerformancePerformance•• Durch die interne Durch die interne MessageMessage Struktur von SBW musste für jede Berechnung eine Struktur von SBW musste für jede Berechnung eine
Nachricht vom Simulator über den Broker an Jarnac gesendet werdeNachricht vom Simulator über den Broker an Jarnac gesendet werden. n. •• Das führte im Endeffekt zu immens hohen Laufzeiten, selbst für kDas führte im Endeffekt zu immens hohen Laufzeiten, selbst für kleine leine
Reaktionsvolumen. Reaktionsvolumen.
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 27 / 3427 / 34
ÜberblickÜberblick
EinleitungEinleitungGrundlagenGrundlagenKonzeptKonzeptRealisierungRealisierungZusammenfassungZusammenfassungAusblickAusblickDemonstrationDemonstration
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 28 / 3428 / 34
ZusammenfassungZusammenfassungDas Ziel der Konfiguration, Simulation und Visualisierung Das Ziel der Konfiguration, Simulation und Visualisierung einfacher, dreidimensionaler Reaktionsdiffusionssysteme einfacher, dreidimensionaler Reaktionsdiffusionssysteme konnte erreicht werden. konnte erreicht werden. Zwar mussten etliche vereinfachende Annahmen getroffen Zwar mussten etliche vereinfachende Annahmen getroffen werden, diese erlaubten aber eine hilfreiche Visualisierung werden, diese erlaubten aber eine hilfreiche Visualisierung von Reaktionsdiffusionsprozessen. von Reaktionsdiffusionsprozessen. Durch die Dreiteilung des Problems sind drei Programme Durch die Dreiteilung des Problems sind drei Programme entstanden, die auch durch Programme dritter erweitert entstanden, die auch durch Programme dritter erweitert oder ersetzt werden können. Dies ist unter anderem auch oder ersetzt werden können. Dies ist unter anderem auch durch das Verwenden des standardisierten Dateiformates durch das Verwenden des standardisierten Dateiformates SBML erreicht worden. SBML erreicht worden. Schließlich ist das entwickelte Programmpaket leicht Schließlich ist das entwickelte Programmpaket leicht erweiterbar, durch das implementierte PluginSystem für erweiterbar, durch das implementierte PluginSystem für Reaktionsgleichungen und Visualisierungen. Reaktionsgleichungen und Visualisierungen.
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 29 / 3429 / 34
ÜberblickÜberblick
EinleitungEinleitungGrundlagenGrundlagenKonzeptKonzeptRealisierungRealisierungZusammenfassungZusammenfassungAusblickAusblickDemonstrationDemonstration
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 30 / 3430 / 34
AusblickAusblickOptimierung des SimulationskernsOptimierung des SimulationskernsÄndern von SimulationsannahmenÄndern von Simulationsannahmen•• Einheitliche Diffusionsrate im ganzen Einheitliche Diffusionsrate im ganzen
ReaktionsvolumenReaktionsvolumen•• Unbegrenztes Vorkommen von SubstratenUnbegrenztes Vorkommen von Substraten•• Membranen Membranen
im Moment nicht durchlässigim Moment nicht durchlässigÄndern von Reaktionen an MembranenÄndern von Reaktionen an MembranenBewegen der MembranenBewegen der Membranen
Integration bestehender Integration bestehender Volumenvisualisierungsbibliotheken: vtk / Volumenvisualisierungsbibliotheken: vtk / OpenDXOpenDX
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 31 / 3431 / 34
ÜberblickÜberblick
EinleitungEinleitungGrundlagenGrundlagenKonzeptKonzeptRealisierungRealisierungZusammenfassungZusammenfassungAusblickAusblickDemonstrationDemonstration•• Konfiguration und Visualisierung von DiffusionKonfiguration und Visualisierung von Diffusion•• Visualisierung einer Visualisierung einer BrusselatorBrusselator--SimulationSimulation
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 32 / 3432 / 34
DemonstrationDemonstration
Diffusion (live)Diffusion (live)•• Erstellung einesErstellung eines
ReaktionsvolumensReaktionsvolumens•• Einfügen einiger MoleküleEinfügen einiger Moleküle•• Simulation von DiffusionSimulation von Diffusion
Brusselator (von Datei)Brusselator (von Datei)•• Demonstrieren der 3DDemonstrieren der 3D
VisualizationPluginsVisualizationPlugins
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 33 / 3433 / 34
DanksagungDanksagungKGI: KGI: •• Prof. Herbert M. SauroProf. Herbert M. Sauro•• VijayVijay ChikarmaneChikarmane, , AlpanAlpan RavalRaval, Cameron , Cameron
Wellock, Anastasia Wellock, Anastasia DeckardDeckard, Sri Rama Krishna , Sri Rama Krishna Paladugu, Paladugu, AbhishekAbhishek AgrawalAgrawal
AGC: AGC: •• Prof. Dr.Prof. Dr.--Ing. Detlef Krömker Ing. Detlef Krömker •• Dipl.Dipl.--Wirtsch.Wirtsch.--Inform. Daniel F. AbawiInform. Daniel F. Abawi•• Dipl.Dipl.--Biol. Jens BarthelmesBiol. Jens BarthelmesFreunde: Freunde: •• Matthias Pfeiffer, Martin Klossek, Christoph Matthias Pfeiffer, Martin Klossek, Christoph
KarwothKarwoth
9/29/20049/29/2004Frank Bergmann Frank Bergmann
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu 34 / 3434 / 34
Vielen Dank für Ihre Vielen Dank für Ihre AufmerksamkeitAufmerksamkeit
Mehr Informationen zu dieser Arbeit, Mehr Informationen zu dieser Arbeit, sowie die PDF Version der Diplomarbeit sowie die PDF Version der Diplomarbeit und eine Programmversion finden Sie und eine Programmversion finden Sie unter:unter:
http://public.kgi.edu/~fbergman/thesis/rehttp://public.kgi.edu/~fbergman/thesis/results.htmlsults.html
Für Fragen und Anmerken bin ich zu Für Fragen und Anmerken bin ich zu Erreichen unter:Erreichen unter:
frank_bergmann@kgi.edufrank_bergmann@kgi.edu