NSF-finanzierte CI-TEAM-Projekte

Unsere CI-TEAM-Implementierungsprojekte entwickeln ein interdisziplinäres Forschungsumfeld für die Vorbereitung von cyberfähigen Arbeitskräften in den Geowissenschaften, der Informatik, den Wissenschafts- und Technologiestudien, der Anthropologie und der Physik. Wir engagieren Studierende in interdisziplinären Teams, um gemeinsam Werkzeuge und Techniken der Cyber-Infrastruktur (CI) unter Verwendung von virtueller Realität (VR) und wissenschaftlicher Visualisierung für Forschung und Lehre in drei interdisziplinären Themenbereichen zu entwickeln, zu nutzen und zu verbreiten.

Das laufende Projekt baut auf dem Wissen und der Erfahrung auf, die wir in mehr als einem Jahrzehnt interdisziplinärer Zusammenarbeit am KeckCAVES gewonnen haben. Das KeckCAVES bietet sowohl ein fruchtbares Umfeld für interdisziplinäre Forschung als auch einzigartige interaktive, immersive Virtual-Reality-Umgebungen, die es den Benutzern ermöglichen, große und komplexe Datensätze zu visualisieren und zu analysieren.

Im Rahmen dieses Projekts wurde ein interdisziplinäres Forschungsumfeld für die Vorbereitung von Arbeitskräften mit Cyberfähigkeiten in den Geowissenschaften, der Informatik, den Wissenschafts- und Technologiestudien, der Anthropologie und der Physik entwickelt. Im Rahmen des Projekts arbeiteten Studierende in interdisziplinären Teams an der gemeinsamen Entwicklung, Nutzung und Verbreitung von Werkzeugen und Techniken der Cyber-Infrastruktur (CI) unter Verwendung von virtueller und erweiterter Realität (VR und AR) für die wissenschaftliche Visualisierung in Forschung und Lehre in drei innovativen interdisziplinären Themenbereichen.

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  Remote-Zusammenarbeit
  : Das Team hat innovative Methoden der Teleimmersionstechnologie entwickelt und eingesetzt, um die Ferninteraktion mit gemeinsamen Datensätzen zwischen Teams an verschiedenen Standorten zu ermöglichen und so die Zusammenarbeit in Forschung und Lehre zu erleichtern. Im Zuge dieser Entwicklung haben die Studenten Wissen und Einblicke in das Verhalten von VR und immersiver Visualisierung gewonnen.
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  Schnelle Reaktion auf Naturkatastrophen
  : Das Team hat CI-Kapazitäten für die schnelle Erfassung, Visualisierung und Interpretation von Daten entwickelt, die nach großen geologischen Ereignissen wie Erdbeben und Erdrutschen gesammelt wurden. Die Schülerteams reagierten auf Ereignisse, die sich während des Projektzeitraums ereigneten, darunter die Erdbeben in Haiti und El Mayor-Cucapah (Mexiko). Diese Kapazität wird zu unserem Wissen über die geologischen Prozesse beitragen, die Erdbeben, Vulkane, Erdrutsche und andere katastrophale Ereignisse verursachen.
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  3dVergleichen
  : Die Teams haben die Fähigkeit entwickelt, digital dargestellte Objekte mit Hilfe interaktiver KI-Methoden zu bearbeiten und quantitativ zu vergleichen, und zwar für verschiedene Anwendungen wie digitale 3D-Scans von Gebäuden, Kulturerbestätten und archäologischen, geologischen und paläontologischen Proben.

Die für dieses Projekt entwickelten Methoden trugen zur Entwicklung einer Augmented Reality Sandbox (AR Sandbox) bei, einem Open-Source-Projekt für Bildung und Öffentlichkeitsarbeit, das bereits an mehr als 300 Wissenschaftszentren, kleine Museen, Schulen und informelle Bildungseinrichtungen verteilt wurde.

Das Projekt trug zur Entwicklung vielfältiger, cyberfähiger Arbeitskräfte bei, indem es Studenten und Hochschulabsolventen in die Nutzung von auf virtueller Realität basierenden Technologien für die entdeckungsbasierte wissenschaftliche Forschung einführte. Die wissenschaftlichen Ergebnisse wurden durch Veröffentlichungen in Zeitschriften und Konferenzberichten verbreitet. Die im Rahmen des Projekts entwickelte Software wurde unter freien, quelloffenen Lizenzen veröffentlicht und wird über die KeckCAVES-Website verbreitet.

Unser CI-TEAM-Projekt trägt zur Entwicklung eines vielfältigen, cyberfähigen Arbeitskräftepotenzials bei, indem es Studenten und Hochschulabsolventen in die Nutzung von auf virtueller Realität basierenden Technologien für die entdeckungsbasierte wissenschaftliche Forschung einführt. Wir engagieren Studenten und Postdocs verschiedener Fachrichtungen, um gemeinsam KI-Tools für ihre eigene Forschung und die ihrer Kollegen zu entwickeln und eine Kohorte von cyberfähigen Wissenschaftlern und Softwareentwicklern mit Erfahrung in der Arbeit in interdisziplinären Teams aufzubauen. Die Teilnehmer an unserem Projekt haben die Möglichkeit, an Kooperationen mit US-amerikanischen und internationalen Partnereinrichtungen teilzunehmen.

Gemeinsam mit unseren CI-TEAM-Studenten und Postdocs entwickeln wir innovative, qualitativ hochwertige Lerntechnologien und Lehrmaterialien, die von verschiedenen Disziplinen und Einrichtungen übernommen werden können. Wir verbreiten diese Technologien und Methoden, indem wir Software unter der GNU General Public License zur Verfügung stellen, Software-Tools und Dokumentationen verbreiten und Bildungsmodule, Dokumentationen sowie Forschungs- und Bildungsergebnisse veröffentlichen, um die Nutzung der Tools zu erleichtern. Wir bieten Visualisierungserfahrungen für etablierte, effektive MINT-Programme, die sich effektiv an K-12-Schüler richten.

Die im Rahmen von CI-TEAM entwickelten KI-Tools ermöglichen Fortschritte in Forschung und Lehre in drei wichtigen Bereichen: Untersuchung virtueller Objekte, Fernzusammenarbeit zwischen verschiedenen Gruppen und Behörden und schnelle wissenschaftliche Reaktion auf Naturkatastrophen. Die Entwicklung dieser Technologien könnte für die Unterstützung multinationaler Agenturen bei der Entscheidungsfindung auf der Grundlage komplexer Daten von entscheidender Bedeutung werden.

* Immersive Visualisierung in informellen Lernumgebungen

Die im Rahmen dieser Partnerschaft entwickelten Instrumente wurden in Wissenschaftszentren und Museen eingesetzt, darunter bei unseren Partnern im Tahoe Environmental Research Center, der Lawrence Hall of Science und dem ECHO Leahy Center for Lake Champlain.

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Im Klassenzimmer
CI-TEAM-Tools wurden im Geologieunterricht für Hauptfächer und in allgemeinbildenden Fächern eingesetzt.

* Die Augmented Reality Sandbox Die für dieses Projekt entwickelten Methoden trugen zur Entwicklung der Augmented Reality Sandbox (AR Sandbox) bei, einem Open-Source-Projekt für Bildung und Öffentlichkeitsarbeit, das an mehr als 300 Wissenschaftszentren, kleine Museen, Schulen und informelle Bildungseinrichtungen weitergegeben wurde.

* Das Projekt Outside_the_Vortex ist ein künstlerisches Kooperations- und Outreach-Projekt, das sich mit Ausgrenzung und Inklusion in der MINT-Branche beschäftigt.

• Eric Cowgill
• Joseph Dumit
• Bernd Hamann
• Louise Kellogg
• Oliver Kreylos
• Michael Oskin
• Dawn Sumner

Dieses Projekt unterstützte die Weiterentwicklung mehrerer Softwarepakete, die für den Gesamtbetrieb des KeckCAVES von zentraler Bedeutung sind, und stand auch in direktem Zusammenhang mit den Bildungs- und Ausbildungszielen dieses Projekts.

• Vrui Das Vrui VR-Toolkit ist die grundlegende Software-Infrastruktur, die allen KeckCAVES-Anwendungen zugrunde liegt. Es handelt sich um eine Art Virtual-Reality-Betriebssystem, das es ermöglicht, hochleistungsfähige und qualitativ hochwertige VR-Software einmal zu schreiben und sie auf einer Vielzahl unterschiedlicher VR- und Nicht-VR-Darstellungssysteme auszuführen, die in Forschungs- und Bildungsumgebungen eingesetzt werden. Insbesondere unterstützte das CI-TEAM-Projekt die Entwicklung von Vrui-Modulen, die Vrui auf (damals) kostengünstigen VR-Umgebungen laufen ließen. Diese waren entscheidend für die Bereitstellung der KeckCAVES-Software an Partnerstandorten, die vor dem Aufkommen der heutigen kostengünstigen VR-Headsets keinen Zugang zu High-End-VR-Ausrüstung hatten.
• Tele-Collaboration Die Tele-Collaboration-Infrastruktur ist ein optionales Zusatzmodul zu Vrui, das es Nutzern von verschiedenen geografischen Standorten aus ermöglicht, in gemeinsamen virtuellen Räumen zu Forschungs- und Ausbildungszwecken zusammenzuarbeiten. Mithilfe dieser Infrastruktur können die Benutzer Datensätze gemeinsam betrachten und analysieren, Daten mit gemeinsamen 3D-Zeichenwerkzeugen kommentieren, sich über Gruppen-Audio miteinander unterhalten und sich gegenseitig als pseudoholografische 2D- oder sogar 3D-Avatare sehen. Dieses Projekt unterstützte die Entwicklung in mehreren Bereichen dieser Infrastruktur, insbesondere Gruppenaudio, 2D-Videounterstützung und Integration mit mehreren projektbezogenen VR-Anwendungen.
• Kinect 3D-Video-Paket Das Kinect 3D-Video-Paket ist ein optionales Zusatzmodul für die Tele-Collaboration-Infrastruktur von Vrui, das die Echtzeit-Erfassung und -Übertragung von pseudo-holografischen 3D-Videos von verschiedenen Modellen von 3D-Videokameras, einschließlich aller Versionen von Microsofts Kinect, ermöglicht, um die Körper der Benutzer in gemeinsame virtuelle Räume einzubetten. Mit dem Kinect 3D-Videopaket können sich Benutzer gegenseitig als lebensgroße, dynamische 3D-Darstellungen sehen, die eine natürliche soziale Interaktion über geografische Distanzen hinweg unterstützen.

• LiDAR Viewer ist eine VR-Anwendung für die interaktive Erkundung und Analyse von großflächigen und hochauflösenden 3D-Scans natürlicher oder künstlicher Umgebungen. Dieses Projekt unterstützte die Entwicklung eines nicht-interaktiven punktbasierten Berechnungsrahmens, der für die Verarbeitung großer Datenmengen mit benutzerdefinierten geometrischen oder statistischen Analysefunktionen verwendet werden kann. Im Rahmen der Bildungs- und Öffentlichkeitskomponente dieses Projekts wurde eine Schnittstelle zum Schreiben von punktbasierten Verarbeitungsfunktionen in der Programmiersprache Python hinzugefügt, um es geowissenschaftlichen Forschern ohne intime Kenntnisse der Programmiersprache C++ zu ermöglichen, ihre eigenen problemspezifischen Analysefunktionen zu schreiben.
• 3D Visualizerist eine VR-Anwendung für die interaktive Erkundung von 3D-Volumendaten, wie sie durch 3D-Volumenscans (CAT, MRI usw.) oder numerische Berechnungen erzeugt werden. Dieses Projekt unterstützte die Entwicklung einer Kollaborationskomponente, die 3D Visualizer mit dem Vrui-Framework für die gemeinsame Fernanalyse von Daten verbindet.
• Crusta ist eine virtuelle VR-Globus-Anwendung, die Google Earth ähnelt, sich aber auf geowissenschaftliche Nutzer konzentriert, die ihre eigenen hochauflösenden Topographie- und Bilddaten importieren und geologische Karten erstellen, indem sie direkt auf die topographische Oberfläche zeichnen. Crusta wurde von einem damaligen Doktoranden der Fakultät für Informatik der UC Davis in enger Zusammenarbeit mit Geologiestudenten, Post-Docs und Forschern entwickelt.
• Vroom ist ein High-Level-Programmierrahmen für die Entwicklung immersiver Virtual-Reality-Anwendungen. Es ist in Python geschrieben und verwendet die Vrui (Virtual Reality User-Interface) Bibliothek. Das Ziel von vroom ist es, die Visualisierung und Interaktion mit 3D-Daten und -Simulationen zu erleichtern. Es ist auf Github verfügbar.

Eine ausgewählte Liste von Veröffentlichungen, die über oder mit Hilfe der KeckCAVES-Technologie erstellt wurden, finden Sie hier. Wir sind stets bemüht, unsere Liste zu aktualisieren; bitte informieren Sie uns über neue Veröffentlichungen und Produkte.

Die Suchmaschine für NSF-Preise zeigt Veröffentlichungen an, die direkt aus dieser Auszeichnung resultieren.

Doc-Ok.org Die Sicht eines Entwicklers auf immersive 3D-Computergrafiken

Oskin-Blog über das Napa-Erdbeben 2014

Augmented-Reality-Sandkasten

Erdbeben 2010 in Haiti: Schnelle Reaktion mit LIDAR-Daten – dieses Erdbeben fand vor der Vergabe des CI-TEAM-Preises statt, liefert aber einige Hintergrundinformationen darüber, wie wir gelernt haben, zu reagieren.

Zentrum für Komplexitätswissenschaften

Twitter:

• @keckcaves – Das offizielle Konto der KeckCAVES, einschließlich des CI-TEAM-Projekts.
• @arsandbox – Die Augmented Reality Sandbox
• @okreylos – Der Informatiker Oliver Kreylos spricht über den Bau von Holodecks als Broterwerb
• @sumnerd – Geologin Dawn Sumner über Forschung in der Antarktis, auf dem Mars, mikrobielle Matten, nichtlineare Wissenschaft und das Leben als Wissenschaftlerin.
• @mikeoskin – Der Geologe Mike Oskin erforscht die Physik von Erdbeben und Landschaften
• @louisekellogg – Geophysikerin Louise Kellogg über computergestützte geophysikalische Forschung und wissenschaftliche Visualisierung
• @TTremblingEarth – UC Davis KeckCAVES-Alumnus Austin Elliot spricht über Erdbeben und die damit verbundene Wissenschaft

YouTube-Kanäle:

• UC Davis KeckCAVES
• Oliver Kreylos
• Dawn Sumner

UC Davis KeckCAVES CI-TEAM-Mitglieder und Alumni: Wir aktualisieren ständig unsere Verbindungen. Bitte lassen Sie uns wissen, wenn Sie möchten, dass wir Ihre Präsenz in den sozialen Medien in diese Seite aufnehmen

Dieses Projekt wurde durch den NSF Award OAC-1135588 unterstützt: CI-TEAM Dynamisches interdisziplinäres Forschungsumfeld zur Förderung und Entwicklung von Cyber-kompatiblen Arbeitskräften in den Geo-, Sozial- und Computerwissenschaften

Frühere Arbeiten wurden unterstützt durch den NSF Award OAC-0753407 CI-TEAM: Enabling Interactive Visual Exploration and Remote Collaboration for the Geosciences and Physical Sciences