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英伟达可扩展可视化解决方案将理论展示为现实 —— 美国西北大学高级分子成像中心精彩上演
2011-10-21 11:18:25  作者:小乔 编辑:小乔   点击可以复制本篇文章的标题和链接
 
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挑战

在声名远播的美国芝加哥西北大学,Thomas Meade 博士接到一项任务。 这位教授涉猎的领域十分广泛,其中包括癌症研究、化学、分子生物科学、神经生物学与生理学以及放射学等等。他要设计一款尖端科技的全新成像设施,目标是在一个房间里完成西北大学所有的生物分子成像工作。 他的高级分子成像中心 (CAMI) 不仅旨在为研究人员打造一款尖端科技的工具,而且想要让公众了解整个大学所从事的研究工作。

Meade 表示:“我们的愿景是打造这样一个地方,在那里,包括大学生、教授以及研究员在内的所有人均能够以独特的方式与理论数据互动,真正把人们吸引过来。 我们一直在考虑巨大的 2D 拼接式显示屏,这样我们就能够查看巨大的事物,例如电子海报。 后来,Matt 出现了。”

他说的是 Matt McCrory。 McCrory 是一位可视化工程师,他通过携手美国阿贡国家实验室、梦工厂动画以及芝加哥大学,涉足了科学与数字电影制作这两大领域。他同时还是西北信息技术大学 (NUIT) 的首席可视化工程师。 他对 CAMI 也有个愿景:立体 3D 以及体验实现立体 3D 的技术,即英伟达™ Quadro (NVIDIA Quadro®) Plex ——英伟达可扩展可视化解决方案系列的一部分。

英伟达™ Quadro Plex 系统让人们能够以简单而省钱的方式打造超高分辨率、可扩展的大规模可视化环境。 英伟达™ Quadro Plex 的核心技术 —— 英伟达™ (NVIDIA®) Mosaic™ 让应用程序的画面能够无缝分布于多台显示器或投影仪之上,从而减少了需要安装的工作站数量。 英伟达™ Quadro Plex 以及英伟达™ Mosaic 多显示器技术均能够在立体 3D 模式下工作,让研究人员能够置身于自己的数据当中。

McCrory 指出:“借助 3D,我们能够将计算理论数据转化为可以用眼睛看到表现形式,这是任何其它方式都做不到的。 这样能够让研究人员真正地从整体上观察他们的学科。 然而,想要对包含多个时间步长的高分辨率立体数据进行可视化,所涉及的处理则从三维变成了四维。 你需要巨大的处理能力和内存才能以足够快的速度绘制出这些图像,使可视化变得可行。”

解决方案

McCrory 利用英伟达™ Quadro Plex 中的图形处理器 (GPU) 技术来驱动 CAMI 令人身临其境的显示器 —— 25 台 JVC 专业 46 英寸立体 3D 显示器以横纵各五台的形式拼接而成,工作起来如同单台显示器一样。在这台超大高分辨率显示器上,分子、蛋白质、原子以及整个有机体均能够以完全立体 3D 的形式显示出来。

一般的 IMAX 影院能够在巨型屏幕上显示八百万像素,而 CAMI 的墙壁能够在大幅缩减占地面积的情况下,显示出近 5200 万像素的画面。

英伟达可扩展可视化解决方案将理论展示为现实 —— 美国西北大学高级分子成像中心精彩上演
美国西北大学高级分子成像中心 (CAMI) 令人身临其境的 3D 显示墙上显示了来自哈勃望远镜的超高分辨率螺旋星云图像。 (图片由 Matt McCrory 提供)

McCrory 称:“我们想要让人们能够接近这些数据,逐个像素地检查它们。为了呈现出所有这些像素,你需要性能相当强劲的设备。 你需要英伟达™ Quadro Plex。”

13 台英伟达™ Quadro Plex 多 GPU 系统被用来驱动 CAMI 显示墙 —— 总共有 26 颗 GPU,系统内置了英伟达™ (NVIDIA®) G-Sync II 技术以确保 26 颗 GPU 全部实现同步。

McCrory 表示:“基本上,我们使用了一台迷你超级计算机来提供处理能力。 我非常了解英伟达在 GPU 内增加核心的这种做法、英伟达™ Quadro 显卡的立体功能及其对 Linux 的支持,最后一点对我们来说很重要,因为我们喜欢运行开源系统。 而且,我们在立体渲染方面有大量经验,英伟达™ Quadro 技术是用来处理光线步进 (ray-marching) 算法的最佳解决方案。 另外,如果使用英伟达™ Quadro 以外的其它显卡,你就不会拥有我们需要的这种显存水平。”

在软件方面,McCrory 开发了一款基于 GPU 的立体渲染程序来为该机构的成像数据生成 3D 画面。 该渲染程序可与开源的 ImageJ 图像处理应用程序配合使用,后者可将 CAMI 的成像数据转化为渲染程序所使用的分层 TIFF格式。


他解释道:“人们在显示器上看到的大多数内容均为互动应用程序的输出结果。 这些并非预先渲染的,而是在屏幕上互动地绘制出来的。 例如,就蛋白质晶体结构来说,它只是一个转化为网格的 PDB 文件,而该软件知道如何渲染它。 就 MRI (磁共振成像) 等立体数据来说,它是多层光切 (Z-stack) 图像。 这意味着,临床医生不再需要逐个地浏览一系列单幅灰度图像,如果我们编写合适的工具的话,人们则能够以立体 3D 的形式将 MRI 转化为可视的连续表面,更加清晰地观察损伤等情况。”

影响

CAMI 的 3D 显示墙支持诸多可视化,其中包括 MRI、全身生物光与荧光成像、光子显微镜以及活细胞扫描探针显微镜,该显示墙还让研究人员能够实时地对数据进行可视化,同时研究分子、细胞以及组织结构和交互作用。

英伟达可扩展可视化解决方案将理论展示为现实 —— 美国西北大学高级分子成像中心精彩上演
Matt McCrory (左) 以及 Tom Meade 博士 (右) 审查蛋白质晶体结构,这是西北大学分子生物科学与化学博士 Amy Rosenzweig 的作品。 (图像由 Stephen Anzaldi 提供)

Meade 称:“站在自己的数据当中能让你能够真正了解它们并查看它们的全貌,这一点再好不过了。”

他转述了一位女教授的经历:该系统让她首次看到了自已一直研究的酶细菌晶体结构。 “她被惊得目瞪口呆,然后立即召集整个实验室的人都来看一看。 每个人都被惊呆了。” 他继续说道:“这种呈现整个结构的能力已达到全新水平,并且给他们留下了极其深刻的印象。我在 3D 墙上展示一些新内容时,我甚至不用再去看屏幕,我只要看人们的面部表情就可以了。”

除了西北大学生物分子成像领域的学生和研究员以外,CAMI 还对西北大学芬伯格医学院的临床医生以及大芝加哥地区的研究员开放。 它可以用来对包含 3D 数据集的任何内容进行可视化。

McCrory 表示:“它确实是无所不能的。 一些天文学家在我们这里从事模拟星系进化这样令人难以置信的工作。 商学院对此表现出了浓厚兴趣,他们想要对经济数据进行可视化,以显示出发展趋势。 各大院系均向我们提出请求。”

Meade 指出:“与仅仅查看数据相比,人们需要有办法从视觉上观察这些事物。 这是我们脑子里真正考虑的东西。”

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