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Die ESF-geförderte Nachwuchsforschergruppe VICCI beschäftigte sich von 2012 bis Ende 2014 an der Fakultät Informatik der Technischen Universität Dresden mit der Entwicklung, Steuerung und Integration von cyber-physikalischen Systemen (CPS). Der Anwendungsbereich umfasst Smart Home-Umgebungen und die Unterstützung von Menschen im Ambient Assisted Living.

Mein Arbeitspaket für Visualisierung und visuelle Analyse hatte im Rahmen des Projekts drei wesentliche Aspekte untersucht und entsprechende Lösungen erarbeitet:

• die visuelle Analyse komplexer, multi-dimensionaler, multimodaler,  dynamischer Raumzeit-Daten,
• die Visualisierung in heterogener, mobiler und verteilter IT-Infrastruktur und
• die Realisierung von Visualisierungssystemen und -Komponenten.

Heute schreibe ich über die visuelle Analyse komplexer Raumzeit-Daten.

Die visuelle Analyse dient der administrativen Übersicht über eines laufenden CPS aus Gründen der Sicherheit, als Hilfestellung während Entwicklung und des Betrieb des Systems. Im Besonderen sind außergewöhnliches (Fehl-)Verhalten und das Entstehen von emergenten Systemeigenschaften hierbei von Bedeutung. Da hierfür eine visuelle Exploration notwendig ist, dürfen nur minimal wenige vorherige Annahmen getroffen und einschränkende Darstellungsmetaphern genutzt werden. Beispielsweise, können bestimmte Daten, wie auf die Gelenke eines Roboterarms wirkenden Kräfte, effektiver Visualisiert werden, wenn diese im geometrischen Kontext dargestellt werden. Diese Annahme jedoch verringert die Allgemeingültigkeit der Visualisierung.

Ausgehend von einer entsprechenden Anforderungsanalyse wurde daher eine grundlegende Visualisierung erarbeitet, welche koordinierten Ansichten, zeit-kontinuierlichen Scatterplot-Matrizen, zeit-kontinuierlichen parallelen-Koordinaten-Plots und zeitliche Heatmaps nutzt um die im CPS erhobenen Daten direkt darstellt. Diese Anwendung ist in der Lage generische multidimensionale Daten in Echtzeit interaktiv darzustellen und bietet somit eine hervorragende Möglichkeit für erste visuelle Analyseschritte. Das erarbeitete System wurde in der Fachzeitschrift Computer Graphics Forum, dem führenden europäischen Visualisierungsjournal, veröffentlicht. Im Rahmen der Evaluierung wurden die Daten des CPS live dargestellt und in Diskussion mit dem Publikum diskutiert. Das CPS wurde durch die weiteren direkt vor Ort und in entfernten Laboren betriebenen Demonstratoren und Sensoren gebildet.

[bibtex key=Grottel2014HDTraj]
DOI: 10.1111/cgf.12352

Diese Visualisierung wurde als Plugin für das Visualisierungssystem MegaMol realisiert. Der Quellcode dieses Plugins kann frei hier heruntergeladen und entsprechend der beigelegten Lizenz verwendet werden:

hdtraj.mmplugin.zip Multi-Dimensional Trajectory Visualization MegaMol Plugin
[99.7 KB; MD5: 0a6eaf465318b0f256ecfdf8a8b4ad50; Mehr Info]

Um das MegaMol-System und das Plugin zu kompilieren, nutzen Sie die entsprechenden Anleitungen auf der MegaMol-Webseite.The ESF-funded junior research group VICCI dealt from 2012 until the end of 2014 with the development, control and integration of cyber physical systems (CPS) at the Faculty of Computer Science of the Dresden University of Technology. The scope includes smart home environments and supporting people in the ambient assisted living.

My work package for visualization and visual analysis has within the project investigated three essential aspects and corresponding solutions:

• visual analysis of complex, multi-dimensional, multimodal, dynamic space-time data,
• visualization in heterogeneous, mobile and distributed IT infrastructure, and
• implementation of visualization systems and components.

Today I am writing about the visual analysis of complex space-time data.

Visual analysis serves as administrative overview of a current CPS, mainly for security reasons, as assistance during development, and the operation of the system. Particularly interesting are out-of-the-ordinary (erroneous) behavior and the formation of emergent system properties. For this a visual exploration with minimal previous assumptions is necessary. For example, certain data, like forces acting upon joints of a robot arm, be visualized more effectively by representations in geometrical context. This assumption however reduced the generality of visualization.

I thus developed a corresponding visualization of data collected by the CPS using coordinated views of continuous-time scatter plots, continuous-time parallel coordinate plots and temporal heatmaps. This application is capable of interactive real-time representation of generic multi-dimensional data and offers the means for a visual analysis. The developed system was published in the journal Computer Graphics Forum, the leading European Journal on Visualization. In the context of the evaluation, live data from our laboratory CPS war visualized, presented and discussed with a broad audience.

[bibtex key=Grottel2014HDTraj]

DOI: 10.1111/cgf.12352

This visualization was implemented as a plugin for the MegaMol visualization system. The source code can be downloaded freely and can be used according to the enclosed License:

hdtraj.mmplugin.zip Multi-Dimensional Trajectory Visualization MegaMol Plugin
[99.7 KB; MD5: 0a6eaf465318b0f256ecfdf8a8b4ad50; Mehr Info]

To compile the MegaMol system and the plugin, use the appropriate Instructions on the MegaMol website.