NIU: Visualisierungs-Display bietet Wissenschaftlern neue Anstöße

Die Northern Illinois University verwendet Intel® Select Lösungen für Simulation und Visualisierung, um Simulation und Modellierung zu verbessern.

Auf einen Blick:

  • Forscher an der Northern Illinois University (NIU) suchen neue Möglichkeiten, komplexe Daten in den Bereichen Astrophysik, Biowissenschaften und mehr zu visualisieren.

  • Durch Unterstützung von Atipa Technologies und Intel® Select Lösungen für Simulation und Visualization verfügt das NIU-Team über die Rechenleistung, die für die Lösung umfangreicher Simulationen benötigt wird, einschließlich der virtuellen Realität (VR) und AR-Szenarien (Augmented Reality, erweiterte Realität).

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Kurzübersicht

Forscher an der Northern Illinois University (NIU) suchen neue Möglichkeiten, komplexe Daten in den Bereichen Astrophysik, Biowissenschaften und mehr zu visualisieren. Durch Unterstützung von Atipa Technologies und Intel® Select Lösungen für Simulation und Visualization verfügt das NIU-Team über die Rechenleistung, die für die Lösung umfangreicher Simulationen benötigt wird, einschließlich der virtuellen Realität (VR) und AR-Szenarien (Augmented Reality, erweiterte Realität). Eine zentrale Funktion der Visualisierungslösung von NIU ist ein ca. 4.8 mal 2.4 m großes Display, mit dem Wissenschaftler Inhalte mit einem vorher nie möglichen Detailgrad sehen können. Das Benutzerverfolgungs-Interface dieser einzigartigen Displaylösung ermöglicht es Wissenschaftlern auch, damit pyhsisch zu interagieren, statt Tastatur oder Maus zu verwenden. Dadurch können sowohl Wissenschaftler als auch Laien das volle Potenzial des Systems nutzen.

Herausforderung

NIU ist an der Erforschung und Entwicklung effektiverer Methoden interessiert, komplexe Datensätze in drei Dimensionen (3D) zu visualisieren und mit ihnen zu interagieren, um dadurch neue Erkenntnisse zu gewinnen. Traditionelle Methoden konnten dabei nicht das erforderliche Detail darstellen. Das Team versuchte, Benutzern eine neue und intuitive Möglichkeit zu bieten, mit ihren Simulationsdaten in Echtzeit zu interagieren, ohne sich auf Tastatur und Maus zu verlassen. Das HPC-System (High Performance Computing), das die Visualisierungslösung ermöglicht, benötigt eine zugrunde liegende Infrastruktur, die sowohl die Anforderungen für Echtzeit als auch für Interaktionen unterstützt.

"Die Infrastruktur von Atipa und Intel ermöglicht es, die nächste Generation von Visualisierungs-Experten mit den fortgeschrittenen Tools und der Software auszubilden, die sie in hochmodernen Industrieumgebungen finden werden." — Michael E. Papka, NIU Professor für Informatik

Lösung

Mithilfe von Atipa Technologies implementierte NIU Intel® Select Lösungen für Simulation und Visualisierung, um sein einzigartiges Simulationssystem zu betreiben. Das als Hopcroft bezeichnete NIU-System kam in ein Labor voller IoT-Geräte (Internet of Things, Internet der Dinge), Tracking-Kameras und einer 4.8 mal 2.4 m großen Displaywand. Hopcroft verbessert die Funktionalität des Labors und erweitert die Verarbeitungsfunktionen für Software, das Intel® oneAPI Rendering Toolkit (Render-Kit) und Cornelis Networks Produkte.1 Das so entstandene System bietet Forschern die Möglichkeit, komplexe Echtzeit-Datenuntersuchungen in einer interaktiveren und aufschlussreicheren Weise durchzuführen.

Abbildung 1: Professor MichaelE. Papka und Professor Joseph Insley vor der Displaywand des ddiLab von NIU. Das auf der Wand dargestellte Bild ist aus einer Simulation eines massiven blauen Sterns, die Insley mit ParaView erstellte, das auf Hopcroft läuft. Daten mit freundlicher Genehmigung von Lars Bildsten und Yan-Fei Jiang, University of California at Santa Barbara.

Ergebnisse

NIUs Hopcroft-Visualisierungssystem wird von Studenten und Forschern genutzt, um komplexe Konzepte wie den menschlichen Blutkreislauf, die Gehirnstruktur oder explodierende Sterne zu erforschen. Da Hopcroft in das Labor integriert ist, hat das System Zugriff auf Tracking-Kameras sowie standardmäßige Gaming-Peripheriegeräte als Interface. Dadurch bietet es neue Methoden, um mit Simulationen sowohl in der Naturwissenschaft als auch in den bildenden Künsten umzugehen.

Moderne Visualisierungmethoden erfordern leistungsstarke HPC-Lösungen

In der Vergangenheit basierten die Visualisierungstechniken von NIU auf Desktop-Computersystemen. Allerdings führten die Leistungseigenschaften dieser Systeme zu Engpässen. Desktopsysteme sind nicht in der Lage die Rechen- und Renderingkapazitäten zu liefern, die für die massiven, datenzentrierten Projekte bei NIU benötigt werden.

Angesichts der Erfolge von Atipa bei der HPC-Implementierung (High Performance Computing)
hat NIU die Experten dieses Unternehmens um Hilfe bei der Beschaffung und Bereitstellung der benötigten HPC-Infrastruktur, Toolkits und Software gebeten. Die Open-Source-Anwendung ParaView, die für Analysen und auf der Visualisierung basierende Workloads benutzt wurd, bietet weitere Kapazitäten.

Abbildung 2: Professor Papka arbeitet mit einem NIU-Studenten am Tracking von 3D-Druck-Objekten als greifbare virtuelle Displayoberflächen in einer AR-Umgebung.

Einzelheiten der Lösung

Die Kombination von Atipas Polaris Select HPCV Plattform und Intel® Select Lösungen bietet NIU ein schlüsselfertiges HPC-System zur schnellen Bereitstellung. In Kombination mit der Optimierung durch Intel® OSPRay und Intel® Embree-Bibliotheken (Teil des Intel® oneAPI Rendering Toolkit (Render Kit) an den Raytracing-Algorithmen von Hopcrofts Funktionen macht dies zusätzliche grafikbeschleunigende Prozessoren überflüssig.

Das Message Passing Interface (MPI) des Intel® OneAPI Rendering Toolkit erhöht die Systemskalierbarkeit, indem es HPC-Knoten kombiniert, um den verfügbaren Speicherpool optimal zu nutzen. Dadurch kann das NIU-System Datensätze im Bereich mehrerer Terabytes verwenden.

NIU inspiriert auch die Künstler der nächsten Generation

Während Hopcroft am häufigsten für wissenschaftliche Aufgaben einsetzt wird, macht Associate Research Professor Joseph Insley von der Northern Illinois University School of Art and Design das Potenzial dieses Programms auch für bildende Künstler bei NIU verfügbar. Die Einführung von computergenerierten Bildern (CGI) bietet Möglichkeiten für zunehmend realistische Filme und 3D-Kunst. Die Kombination von VR, AR und der massiven Bildschirmgröße des Labors bietet Designern neue Tools, um faszinierende Erlebnisse zu erschaffen, die mit konventionellen Desktop-Systemen unmöglich wären.

Abbildung 3: Visualisierung des Vergleichs von Schätzungsmethoden zur Elektronendichte, die mittels des molekularen Visualisierungsprogramms Visual Molecular Dynamics (VMD) auf Hopcroft gerendert wurden. Die Simulationen wurden von den Forschern Dr. Anouar Benali vom Argonne National Laboratory Division of Computational Science und Professor Ralph Wheeler vom Northern Illinois University Department of Chemistry and Biochemistry ausgeführt.

Erkenntnisse

Die Implementierung der umfangreichen Visualisierungslösung bei NIU hat einzigartige Aspekte enthüllt:

Hochauflösende Bilder erfordern enorme Bildschrime, um präzise visuelle Details darstellen zu können. NIU stellte fest, dass eine Kombination von 16 zusammengeschalteten Bildschirmen für die Erstellung massiver Simulationen ideal war, die Auflösungen bis auf die Ebene einzelner Pixel hinab boten.

Die Echtzeit-Rechenfähigkeiten von Hopcroft, sowie der massive Monitor des Data, Devices, and Interaction Laboratory (ddiLab) ermöglichen Simulationswissenschaftlern ein mehr menschliches, direktes Erlebnis.

Während heutige HPC-Systeme eine Menge Leistung bieten, stellte das NIU-Team fest, dass die Bereitstellung guter Daten, deren Betreuung und Vergleich vor der Weitergabe an Hopcroft einen wichtigen Erfolgsfaktor darstellte.

Abbildung 4: Durch die Verwendung von Tracking Kameras und reflektierenden Markierungen und einem Game-Controller können Studenten natürliche Methoden zur Interaktion mit den Daten-Visualisierungen an der Wand benutzen.

Im Blickpunkt: Atipa Technologies

Atipa Technologies hat seinen Sitz in Lawrence, Kansas und ist ein führender Anbieter von kosteneffektiven HPC- und Datenspeicherlösungen für Behörden, Universitäten und privaten Institutionen in den USA. Atipas Lösungen unterstützten mehr als 60 Systeme, die auf den Listen der schnellsten Supercomputer weltweit Top500.org aufgeführt sind.


Intel® Select Lösungen für HPC und KI

Intel® Select Lösungen für High Performance Computing (HPC) bieten eine einfach und schnell implementierbare Infrastruktur, die die Komplexität hochentwickelter Rechensysteme umgeht und hilft, Benutzern in Industrie und Wissenschaft schneller handlungsrelevante Ergebnisse zu bieten. Unser Portfolio umfasst workloadoptimierte Konfigurationen für Simulation und Modellierung, professionelle Visualisierung, Genomanalyse und die neueste HPC-Lösung, konvergente HPC- und KI-Cluster. Jede dieser Lösungen teilt eine gemeinsame Basisarchitektur und entspricht der Intel HPC Platform Specification. Dadurch hat jede Lösung den Vorteil der überprüften Kompatibilität mit einem breiten Spektrum von HPC-Workloads, einschließlich der in dem Intel® HPC-Anwendungsverzeichnis aufgeführten.

Intel® Select Lösungen für Simulation und Visualisierung baut auf der Simulations- und Modellierungslösung auf und ermöglicht es Benutzern, massive Datensätze gleichzeitig mit Simulationsabläufen zu nutzen, indem es In-Memory-Computing und Open-Source-Bibliotheken verwendet, die auf Intel® Xeon® Prozessoren optimiert wurden. Dadurch können Benutzer fotorealistische und interaktive Visualisierungen erstellen, um schneller Erkenntnisse zu gewinnen und neue Produktdesigns und Forschungsergebnisse effektiver darzustellen.

Lösungskomponenten

  • Atipa Polaris High Performance Computing and Visualization (HPCV) Plattform
  • Intel® Select Lösungen für Simulation und Visualisierung
  • Skalierbare Intel® Xeon® Prozessorreihe der 2. Generation
  • Cornelis Networks Produkte
  • Intel® OSPRay und Intel® Embree, Teil des Intel® OneAPI Rendering Toolkit

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Produkt- und Leistungsinformationen

1

Intel hat das Omni-Path-Geschäft an Cornelis Networks ausgelagert, ein unabhängiges Unternehmen im Intel Capital Portfolio. Cornelis Networks wird Bestands- und Neukunden weiterhin mit führenden, zweckbestimmten Hochleistungs-Netzwerkprodukten für High Performance Computing und künstliche Intelligenz beliefern. Intel ist der Ansicht, dass Cornelis Networks das Technologieumfeld von hochleistungsstarken Fabric-Lösungen erweitern und Optionen für Kunden bieten wird, die mithilfe von Intel® Xeon™ Prozessoren Cluster für HPC und KI erstellen wird. Weitere Einzelheiten zur Veräußerung und Umstellung von Omni-Path-Produkten finden Sie unter www.cornelisnetworks.com.