Interaktive Visualisierung der Speziellen Relativitätstheorie auf ...

1 Einleitung und Überblick
1.1 Motivation
Ohne die, von Albert Einstein 1905 entdeckte, Relativitätstheorie wären viele
Alltagsgegenstände heute gar nicht denkbar. So entscheidet die Relativitätstheorie
über die Genauigkeit von Satellitenbahnen und somit über die Verfügbarkeit
von Fernsehen und Telekommunikation. Auch die heute immer mehr eingesetzten
Navigationssysteme(GPS) wären ohne Einbeziehung der Relativitätstheorie
sehr ungenau und somit für den Nutzer unbrauchbar (vgl. [Giulini05]).
Obwohl die Relativitätstheorie in Form von Alltagsgegenständen, Einzug in das
alltägliche Leben gefunden hat, ist die Theorie selbst für die Mehrheit der Menschen
schwer zu verstehen. Die Ursache für die schwere intuitive Verständlichkeit
der Relativitätstheorie liegt wohl darin, dass sie scheinbar unseren alltäglichen
Erfahrungen widerspricht: Strecken werden objektiv kürzer oder länger, Zeitabstände
verändern sich abhängig vom Standpunkt des Betrachters und Massen
werden größer oder kleiner. Für die bislang vergleichweise langsam bewegte
Menschheit sind diese nur bei sehr hohen Geschwindigkeiten auftretende Effekte
im Alltag kaum sichtbar und entziehen sich daher der Vorstellungskraft.
Bereits bei der Entdeckung der Relativitätstheorie wurde versucht, den Menschen
die Theorie mit Bildern verständlicher zu machen. Doch erst mit Hilfe
von Computern ist es möglich, einen realitätsnahen Einblick in die Relativitätstheorie
zu erhalten. Mussten noch vor wenigen Jahren große Supercomputer
eingesetzt werden um relativistische Effekte offline zu simulieren, so ist es
heute, insbesondere durch die rasante Entwicklung der Grafikhardware, mit nahezu
jedem herkömmlichen PC möglich eine interaktive Reise in die Welt der
Speziellen Relativitätstheorie zu machen.
Die besondere Motivation und Herausforderung dieser Arbeit besteht in der
Ausnutzung der heute sehr leistungsstarken und flexiblen Grafikhardware, um
einer möglichst breiten Masse von Menschen ein besseres Verständnis für die
Spezielle Relativitätstheorie zu ermöglichen.
1.2 Ziele
Ziel dieser Arbeit ist die Erweiterung der Ansätze von Hsiung, Thibadeau,
Weiskopf und Wu, im Hinblick auf große dynamische Szenen. Konkret ergeben
sich daher drei Ziele für diese Arbeit:
1. Erweiterung der Verfahren von Hsiung, Thibadeau, Weiskopf und
Wu auf dynamische Szenen bestehend aus unabhängigen, gleichförmig
bewegten Objekten, mit einem interaktiven, beschleunigten Beobachter.
2. Implementierung der relativistischen Visualisierung sowohl ausschließlich
auf der CPU als auch mit Hilfe programmierbarer Grafikhardware in dem
zu dieser Arbeit entwickelte Softwaresystem ”
Relativator“.
3. Bewertung der Leistungsfähigkeit, speziell bei der Implementierung auf
der Grafikhardware, anhand von Messungen.
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