III: Small: Collaborative Research: Neural Volume Visualization

III:小:协作研究:神经体积可视化

基本信息

  • 批准号:
    2006710
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 19.89万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-08-15 至 2024-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Data visualization is a key component to discovery for domain experts in a variety of scientific fields, ranging from atmospheric and ocean sciences, energy science, geosciences, and computational chemistry. Within these domains, visualization techniques for 3D volumetric data are commonly used to understand datasets produced by computational simulations. In turn, the insights gained through volume visualization are used to inform an expert on new simulations to run, leading to a cycle of visual analysis and simulation that supports a domain expert's workflow. Yet, this cycle is often impeded by the sheer size and complexity of the data, typified as high spatial resolution, time-varying, and multivariate, leading to two main problems. First, there are practical limitations to data access. Simulations are typically run on high-performance computing clusters, thus it is time and memory consuming to transfer data from these computational resources. Secondly, it is challenging to understand relationships between volumes across the aforementioned space of parameters. This project will address these problems through the development of deep learning-based volume visualization techniques that are compressive, interactive, trustworthy, and enable intuitive analysis. This research will study how now-standard volume visualization techniques can be decomposed into learnable components and fixed-function visualization operations, producing surrogate visualization models that will support experts across a variety of domains by facilitating visual analysis, and improving the discovery of relationships within complex datasets. This project will also hold local workshops for training graduate students across different fields to use the developed visualization methods in their respective domains.The development of surrogate models for volume visualization represents a new perspective on how to use machine learning for data visualization, where such models will be designed to reason about visualization processes, namely volume rendering and isosurfacing. This project will consider a full design space for learning surrogate models from different aspects of volume visualization, namely (1) learned volumetric representations such as function-space neural networks and volumetric feature embeddings, (2) parameters of visualization processes such as transfer functions and isovalues, and (3) the visualization process itself such as image formation in volume rendering or surface creation in isosurfacing. Furthermore, these surrogates will generalize to temporal sequences, multivariate volumes, and ensembles of volume simulations. Additionally, new techniques will be developed to utilize these surrogate models to improve volume visualization in three scenarios. Specifically the project will (1) inform end users about the trustworthiness of using machine learning for volume visualization, (2) learn simpler visual interfaces for user interaction, and finally (3) utilize latent representations of simulation factors for exploring complex relationships. The insights of this work go beyond just volume visualization, and they will offer new approaches to couple machine learning with visualization as a whole. This project will also disseminate the results, in the form of data used to train models, the models themselves, and software for both model training and visual exploration. Further, the investigators will collaborate with domain experts at their respective institutions to validate the quality, usability, and trustworthiness of the surrogate models, as well as translate the developed research into the practice of these domain experts.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
数据可视化是各种科学领域专家发现的关键组成部分,包括大气和海洋科学、能源科学、地球科学和计算化学。在这些领域中,三维体数据的可视化技术通常用于理解由计算模拟产生的数据集。反过来,通过体积可视化获得的见解可用于通知专家运行新的模拟,从而形成可视化分析和模拟的循环,支持领域专家的工作流程。然而,这种循环经常受到数据的规模和复杂性的阻碍,典型的是高空间分辨率、时变和多变量,导致两个主要问题。首先,数据访问存在实际限制。模拟通常在高性能计算集群上运行,因此从这些计算资源传输数据会消耗时间和内存。其次,理解上述参数空间中体量之间的关系是具有挑战性的。该项目将通过开发基于深度学习的体积可视化技术来解决这些问题,这些技术具有压缩、交互、可信和直观的分析能力。本研究将研究如何将现在标准的体可视化技术分解为可学习的组件和固定功能的可视化操作,生成代理可视化模型,通过促进可视化分析,并改进复杂数据集中关系的发现,从而支持各种领域的专家。该项目还将在当地举办讲习班,培训不同领域的研究生在各自领域使用开发的可视化方法。体可视化代理模型的发展代表了如何将机器学习用于数据可视化的新视角,其中这些模型将被设计用于推理可视化过程,即体绘制和等面。该项目将考虑从体可视化的不同方面学习代理模型的完整设计空间,即(1)学习的体积表示,如函数空间神经网络和体积特征嵌入,(2)可视化过程的参数,如传递函数和等值,以及(3)可视化过程本身,如体绘制中的图像形成或等面处理中的表面创建。此外,这些替代品将推广到时间序列,多变量体积和体积模拟的集合。此外,将开发新技术来利用这些替代模型来改善三种情况下的体积可视化。具体而言,该项目将(1)告知最终用户使用机器学习进行体积可视化的可信度,(2)学习更简单的用户交互视觉界面,最后(3)利用模拟因素的潜在表示来探索复杂关系。这项工作的见解不仅仅是体积可视化,它们将提供将机器学习与可视化作为一个整体结合起来的新方法。该项目还将以用于训练模型的数据、模型本身以及用于模型训练和视觉探索的软件的形式传播结果。此外,研究人员将与各自机构的领域专家合作,以验证代理模型的质量、可用性和可信度,并将开发的研究转化为这些领域专家的实践。该奖项反映了美国国家科学基金会的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(1)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Compressive Neural Representations of Volumetric Scalar Fields
  • DOI:
    10.1111/cgf.14295
  • 发表时间:
    2021-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    Yuzhe Lu;K. Jiang;J. Levine;M. Berger
  • 通讯作者:
    Yuzhe Lu;K. Jiang;J. Levine;M. Berger
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  • 影响因子:
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  • 通讯作者:
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  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
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  • 通讯作者:
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  • 通讯作者:
    Jose L. Pascual
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    10.1016/s0735-1097(21)01624-7
  • 发表时间:
    2021-05-11
  • 期刊:
  • 影响因子:
  • 作者:
    John Nicholas Catanzaro;Joshua Levine;Shreya Ghetiya;Allen Brown;Claude Elayi;Fabrizio Asis;Harikrishna Tandri;Kun Xiang
  • 通讯作者:
    Kun Xiang

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知道了