Nowości

Skalowalne rozwiązania wizualizacyjne NVIDIA obrazują teorię w formie realnej niczym rzeczywistość na Uniwersytecie Northwestern.

 
 

Dr Thomas Meade z prestiżowego Uniwersytetu Northwestern w Chicago miał do wykonania poważne zadanie. Profesor w zakresie badań nad nowotworami, profesor chemii, biologii molekularnej, radiologii, neurobiologii i fizjologii, projektował zupełnie nowe, supernowoczesne centrum diagnostyczne, mające na celu zebranie pod jednym dachem wszystkich metod obrazowania biomolekularnego na Uniwersytecie Northwestern. Jego Centrum Zaawansowanego Obrazowania Molekularnego (CAMI) miało na celu nie tylko stworzenie supernowoczesnego narzędzia dla naukowców, ale również umożliwienie publicznego wglądu w badania przeprowadzane na uniwersytecie.

WYZWANIE
NU Helix Nebula
Obraz mgławicy planetarnej Helix Nebula z teleskopu Hubble’a, w ultrawysokiej rozdzielczości, wyświetlany we wciągającym trybie 3D w Centrum Zaawansowanych Metod Obrazowania Molekularnego (CAMI) na Uniwersytecie Northwestern. (obraz prezentowany dzięki uprzejmości Matt’a McCrory’a)

„Naszą wizją było stworzenie miejsca, w którym wszyscy – od studentów po profesorów i naukowców, mogliby obcować z teoretycznymi danymi w unikalny sposób; tak, aby naprawdę wciągnąć ludzi w ten temat," mówi Meade. „Myśleliśmy o ogromnym panelu złożonym z wielu wyświetlaczy 2D, na którym moglibyśmy oglądać bardzo duże rzeczy, coś na kształt elektronicznego plakatu. Wtedy pojawił się Matt.”

Matt McCrory, dokładnie. McCrory jest inżynierem zajmującym się wizualizacją. Połączył on ze sobą świat nauki i produkcji filmów, pracując z Argonne National Laboratory, studiem DreamWorks Animation oraz Uniwersytetem w Chicago. Był również głównym inżynierem do spraw wizualizacji w centrum Technologii Informacji Uniwersytetu Northwestern (NUIT). Miał ponadto pomysł na CAMI: stereoskopowe 3D. Posiadał też doświadczenie w technologii, która mogłaby pomóc w realizacji tego pomysłu - technologii NVIDIA Quadro Plex z rodziny skalowalnych rozwiązań wizualizacyjnych firmy NVIDIA.

Systemy NVIDIA Quadro Plex umożliwiają tworzenie prostych i ekonomicznych instalacji skalowalnych rozwiązań wizualizacyjnych pracujących w ultrawysokich rozdzielczościach. Technologia Mosaic, zamknięta w sercu Quadro Plex umożliwia płynne wyświetlanie aplikacji na wielu wyświetlaczach lub projektorach oraz redukuje liczbę stacji roboczych, potrzebnych do zasilania instalacji. NVIDIA Quadro Plex oraz technologia Mosaic obsługują również stereoskopowy tryb 3D, pozwalający naukowcom dosłownie zanurzyć się w swoich badaniach.

“Dzięki obrazowi 3D, moglibyśmy interpretować teoretyczne dane obliczeniowe, które w inny sposób nie byłyby możliwe do przedstawienia,” powiedział McCrory. „Mogłoby to dać naukowcom naprawdę holistyczny pogląd na przedmioty ich badań. Jednak wizualizowanie wolumetrycznych danych w wysokiej rozdzielczości dla wielu zadanych przedziałów czasowych przenosi proces z zaledwie trzech wymiarów w cztery. Potrzebujesz ogromnej mocy obliczeniowej i pamięci do stworzenia tych obrazów na tyle szybko, by wizualizacja miała praktyczne zastosowanie.”

ROZWIĄZANIE
NU protein Structure
Matt McCrory (L) oraz Dr Tom Meade (R) przegląd struktury białka, praca Dr Amy Rosenzweig – profesor biologii molekularnej i chemii na Uniwersytecie Northwestern. (obraz prezentowany dzięki uprzejmości Stephen Anzaldi)

McCrory połączył moc obliczeniową procesorów graficznych (GPU) oraz rozwiązanie NVIDIA Quadro Plex, by uruchomić wyświetlacz CAMI - panel złożony z dwudziestu pięciu profesjonalnych, 46-calowych wyświetlaczy stereo 3D firmy JVC ułożonych w konfiguracji pięć na pięć, funkcjonujących jako pojedynczy, potężny wyświetlacz o wysokiej rozdzielczości, na którym molekuły, białka, atomy i całe organizmy mogą być wyświetlane w wysokiej rozdzielczości i w pełnym stereoskopowym trybie 3D.

Podczas gdy typowy ekran w kinie IMAX wyświetla osiem milionów pikseli, ekran w CAMI wyświetla blisko 52 miliony pikseli, wykorzystując o wiele mniejszą instalację.
Chcieliśmy umożliwić ludziom podejście bliżej i badanie wyświetlanych danych, piksel po pikselu. Do wygenerowania takiego obrazu potrzebujesz czegoś naprawdę potężnego,” powiedział McCrory. „Potrzebujesz Quadro Plex.”

Wyświetlacz w CAMI napędzany jest przez system trzynastu wieloprocesorowych układów NVIDIA Quadro Plex, na które składa się dwadzieścia sześć jednostek GPU, z technologią NVIDIA G-Sync II, zapewniającą synchronizację wszystkich dwudziestu sześciu procesorów graficznych.

„Mamy tu w zasadzie mini superkomputer do napędzania tego wyświetlacza," powiedział McCrory. „Doskonale rozumiałem po co NVIDIA dodaje rdzenie do jednostek GPU, znałem możliwości kart Quadro w zakresie obsługi formatu stereo i ich wsparcie dla systemu Linux, co było dla nas ważne, gdyż lubimy korzystać z otwartego oprogramowania. Ponadto spora część naszej pracy związana była z renderingiem wolumetrycznym, a technologia NVIDIA Quadro jest najlepszym rozwiązaniem do algorytmów ray marching. Wszystko to bez ogromnych ilości pamięci wideo, co byłoby niezbędne na kartach innych niż Quadro.”

Po stronie oprogramowania McCrory zaprojektował wykorzystujący jednostki GPU program wykonujący rendering wolumetryczny, by tworzyć trójwymiarowe wizualizacje danych zgromadzonych przez placówkę. Oprogramowanie to współpracuje z aplikacją typu open source do przetwarzania obrazu, która konwertuje dane obrazowe CAMI do warstwowego formatu TIFF, rozumianego przez program renderujący.

„Większość tego, co ludzie widzą na wyświetlaczu to dane wyjściowe interaktywnej aplikacji. Nie jest to wyrenderowane, ale raczej interaktywnie narysowane na ekranie," wyjaśnia McCrory. „Na przykład dla kryształowej struktury białka, jest to tylko plik PDB skonwertowany do postaci siatki, a oprogramowanie wie jak wyrenderować ten obraz. W przypadku danych wolumetrycznych, takich jak MRI (rezonans magnetyczny), jest to sterta obrazów. Oznacza to, że lekarz nie musi już przeglądać serii szarych obrazów pojedynczo. Jeśli stworzymy odpowiednie narzędzia, ludzie będą mogli wizualizować obraz MRI w stereoskopowym 3D, jako ciągłą powierzchnię i widzieć zmiany wyraźniej.”

EFEKT

Wyświetlacz 3D w CAMI obsługuje wizualizacje takich danych jak MRI, bioluminescencja całego ciała, obrazowanie fluorescencyjne, obrazy żywych komórek z mikroskopu świetlnego i skaningowego. Pozwala również badaczom na wizualizację danych w czasie rzeczywistym, podczas badania struktury i wzajemnych oddziaływań między cząsteczkami, komórkami i tkankami.

„Nie ma to jak, dosłownie stanąć wewnątrz badanego obiektu, by naprawdę go zrozumieć i uzyskać holistyczny pogląd na to, co się w nim dzieje,” powiedział Meade.

Podzielił się też wrażeniami z sytuacji, kiedy to umożliwił pani profesor zobaczenie po raz pierwszy krystalicznej struktury bakteryjnego enzymu, który badała. „Szczęka po prostu opadła jej na ziemię, wezwała natychmiast wszystkich pracowników laboratorium, żeby to zobaczyli. Wszyscy byli oszołomieni. Byli zaszokowani możliwością obejrzenia całej struktury, na zupełnie nowym poziomie." "Gdy wrzucam coś nowego na nasz wyświetlacz 3D, nie patrzę już nawet na ekran – obserwuję tylko reakcje ludzi" – dodał.

Oprócz studentów i naukowców zajmujących się obrazowaniem molekularnym na Northwestern, CAMI jest również otwarte dla lekarzy z Uniwersyteckiego Wydziału Medycyny Feinberga jak i z całego Chicago. Można je wykorzystać do wizualizacji wszystkiego, co jest opisane zbiorem danych 3D.

“To naprawdę jedna z tych rzeczy, o nieograniczonych możliwościach," powiedział McCrory. „Z systemu tego korzystają astronomowie, wykonujący niesamowite symulacje procesu ewolucji układów gwiezdnych. Szkoła biznesu wykazała zainteresowanie stworzeniem wizualizacji danych ekonomicznych, by zilustrować trendy. Prośby o skorzystanie z CAMI napływają do nas ze wszystkich szkół."

Meade zauważył również, że „Trzeba badać rzeczy również wizualnie, nie tylko patrzeć na suche liczby. Właśnie to trafia do naszych umysłów najlepiej.”



 
 
 
 
FacebookTwitterGoogle+Nasza KlasaLinkedIn