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Les solutions de visualisation évolutives NVIDIA font de la théorie une réalité à l’Université Northwestern

 
 

Le Dr Thomas Meade, de la prestigieuse Université Northwestern de Chicago, a récemment mené à bien une mission ambitieuse. Cet illustre professeur en cancérologie, chimie, biosciences moléculaires, neurobiologie, physiologie et radiologie s’était donné pour objectif de concevoir un centre d’imagerie à la pointe de la technologie qui permettrait à l’Université Northwestern de rassembler sous un même toit toutes ses installations d’imagerie moléculaire. C’est ainsi qu’est né le Centre d’imagerie moléculaire avancée (CAMI) de l’Université Northwestern, constituant un outil de pointe pour les chercheurs locaux mais également une véritable vitrine des recherches menées par l’Université.

DÉFI
NU Helix Nebula
Image en ultra haute résolution de la nébuleuse de l'Hélice (capturée avec le télescope de Hubble) qui s’affiche sur le mur 3D de l’Université Northwestern, au Centre d’imagerie moléculaire avancée (CAMI). (Image fournie avec l’aimable autorisation de Matt McCrory.)

« Ce que nous voulions créer, c’était un endroit où tout le monde – des étudiants aux professeurs en passant par les chercheurs – pourrait interagir d’une manière unique avec les données théoriques, » explique Meade. « Nous avions initialement pensé à installer un immense panneau d’affichage en 2D, à la manière d’un tableau électronique. C’est alors que Matt nous a apporté son expertise. »

Ce fameux Matt, c’est Matt McCrory, un ingénieur en imagerie visuelle qui a travaillé à la fois dans la science et le divertissement numérique. McCrory a collaboré avec des organismes prestigieux comme l'Argonne National Laboratory, DreamWorks Animation et l’Université de Chicago. De plus, il a travaillé en tant qu’Ingénieur en chef de la Visualisation pour l’institut des technologies d’information de l’Université Northwestern (Northwestern University Information Technology ; NUIT). Il a offert au CAMI son expertise en matière de 3D stéréoscopique, et a contribué à mettre en place les technologies qui le font fonctionner au quotidien, à savoir les solutions NVIDIA Quadro Plex, qui font partie de la gamme des solutions de visualisation évolutives NVIDIA.

Les systèmes NVIDIA Quadro Plex permettent de déployer facilement et à moindre coût des environnements multi-affichages et évolutifs en ultra haute résolution. La technologie Mosaic, au cœur de Quadro Plex, permet d’afficher un grand nombre d’applications sur plusieurs écrans ou projecteurs et, par conséquent, de réduire le nombre global de stations de travail. NVIDIA Quadro Plex et la technologie Mosaic sont compatibles avec la 3D en stéréoscopie. Les chercheurs peuvent ainsi plonger en plein cœur de leurs données.

« Grâce à la 3D en stéréoscopie, nous avons pu visualiser nos données théoriques d’une manière absolument unique, » déclare McCrory. « Nos chercheurs ont ainsi pu adopter une approche holistique de leurs sujets d’étude. Cependant, passer de trois dimensions à quatre dimensions pour visualiser des données volumétriques en haute résolution, c’est un défi de taille. Il vous faut une grande puissance de calcul et une mémoire adaptée en conséquence pour obtenir un rendu rapide et efficace des images à visualiser. »

SOLUTION
NU protein Structure
Matt McCrory (L) et le Dr Tom Meade (R) examinent une structure en cristal de protéine, grâce aux travaux du Dr Amy Rosenzweig, professeur en biosciences moléculaires et en chimie à l’Université Northwestern. (Image fournie avec l’aimable autorisation de Stephen Anzaldi.)

McCrory s’est tourné vers les processeurs graphiques (GPU) des solutions NVIDIA Quadro Plex pour booster l’immense panneau du CAMI, composé de 25 écrans JVC Professional 46 pouces de 3D en stéréoscopie. Regroupés par blocs de 5 écrans formant un immense panneau d’affichage en haute résolution, cette configuration unique permet de visualiser des molécules, des protéines, des atomes et des organismes entiers en 3D stéréo.

Tandis qu’un écran IMAX standard affiche huit millions de pixels sur un écran géant, le mur d’affichage du CAMI en affiche quant à lui 52 millions dans une configuration plus compacte.
« Nous voulions laisser les utilisateurs s’approcher au plus près des écrans pour qu’ils puissent étudier les données pixel par pixel. Mais pour afficher correctement tous ces pixels, il vous faut une configuration très puissante, » précise McCrory. « Il vous faut une configuration Quadro Plex. »

Treize systèmes multi-GPU NVIDIA Quadro Plex ont été utilisés pour booster le mur d’affichage du CAMI, soit un total de 26 GPU équipés de la technologie NVIDIA G-Sync II permettant de synchroniser l’ensemble des processeurs graphiques.

« En gros, c’est comme si nous possédions un mini-supercalculateur pour faire fonctionner l’ensemble de la configuration, » explique McCrory. « J’étais déjà familier avec les produits NVIDIA et les fonctions multicœurs de leurs GPU, y compris des capacités de 3D en stéréoscopie des cartes Quadro et de leur compatibilité avancée avec Linux, qui était très importante pour nous en raison de notre politique open source. De plus, nous recourons énormément au rendu volumique, c'est pourquoi la technologie NVIDIA Quadro était particulièrement adaptée à nos algorithmes de ray-marching. De plus, seules les cartes Quadro étaient en mesure de nous offrir un tel volume de mémoire vidéo. »

D’un point de vue logiciel, McCrory a développé un outil de rendu volumique exploitant l’accélération GPU afin de produire et de gérer les effets visuels 3D de son centre d’imagerie avancée. Ce moteur de rendu fonctionne parallèlement à ImageJ, une application open source de traitement des images, de manière à convertir les données d’imagerie du CAMI vers le format TIFF cible.

« Ce que les utilisateurs voient à l’écran, c’est le résultat d’une application interactive. Rien n’est pré-rendu, tout est tracé interactivement à l’écran, » explique-t-il. « Par exemple, pour une structure en cristal de protéine, il s’agit de convertir un fichier PDB en un maillage complexe, puis notre logiciel s’occupe du rendu. Pour des données volumétriques d’imagerie par résonnance magnétique (IRM), il s’agit d’un ensemble d’images à résolution en Z. Cela signifie que dorénavant, les cliniciens n’ont plus besoin de parcourir une par une des images à niveaux de gris. Si nous développons les bons outils, nos utilisateurs peuvent visualiser en tant que surface continue les données IRM grâce à la 3D en stéréoscopie et voir plus distinctement les tissus anormaux tels que les lésions. »

IMPACT

Le mur d’affichage 3D du CAMI est compatible avec de nombreuses fonctions de visualisation : données IRM, bioluminescence, imagerie par fluorescence, microscopie à photons et microscopie en champ proche de tissus vivants. La solution du CAMI permet aux chercheurs de visualiser leurs données en temps réel tout en étudiant les structures et les interactions moléculaires, cellulaires et des tissus.

« S’immerger graphiquement au cœur de nos données nous permet de mieux les analyser et d’adopter une approche holistique particulièrement intéressante, » explique Meade.

Le docteur Meade continue sa démonstration en prenant l’exemple d’une professeur découvrant pour la première fois la structure en cristal d’une enzyme en cours d’étude. « Elle en a eu le souffle coupé et a immédiatement appelé ses collègues pour qu’ils viennent constater le résultat par eux-mêmes. Tout le monde était époustouflé. Cette capacité d’interroger une structure entière d’une manière encore jamais vue était une véritable révolution. » Il ajoute : « Quand un nouveau résultat s’affiche sur le mur en 3D, je ne regarde plus l’écran, je regarde l’expression des utilisateurs. »

En plus des étudiants et des chercheurs en imagerie moléculaire de Northwestern, le CAMI est également ouvert aux cliniciens de l’École de médecine de Feinberg ainsi qu’aux chercheurs de Chicago. Le dispositif peut être utilisé pour visualiser tout type de données 3D.

« Nous n’avons virtuellement aucune limite, » déclare McCrory. « Par exemple, des astronomes ont déjà obtenu des résultats incroyables en simulant l’évolution de systèmes stellaires. L’École de commerce a obtenu des résultats intéressants en visualisant des données économiques. De plus, de nombreuses autres écoles nous ont déjà adressé des requêtes pour utiliser notre dispositif. »

Meade conclut : « Cette approche visuelle se démarque des méthodes d’analyse traditionnelles. Ce type de représentation nous reste en tête plus facilement. »



 
 
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