英偉達(dá)可擴(kuò)展可視化解決方案將理論展示為現(xiàn)實(shí) —— 美國(guó)西北大學(xué)高級(jí)分子成像中心精彩上演
挑戰(zhàn)
在聲名遠(yuǎn)播的美國(guó)芝加哥西北大學(xué)，Thomas Meade 博士接到一項(xiàng)任務(wù)。 這位教授涉獵的領(lǐng)域十分廣泛，其中包括癌癥研究、化學(xué)、分子生物科學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)與生理學(xué)以及放射學(xué)等等。他要設(shè)計(jì)一款尖端科技的全新成像設(shè)施，目標(biāo)是在一個(gè)房間里完成西北大學(xué)所有的生物分子成像工作。 他的高級(jí)分子成像中心 (CAMI) 不僅旨在為研究人員打造一款尖端科技的工具，而且想要讓公眾了解整個(gè)大學(xué)所從事的研究工作。
Meade 表示：“我們的愿景是打造這樣一個(gè)地方，在那里，包括大學(xué)生、教授以及研究員在內(nèi)的所有人均能夠以獨(dú)特的方式與理論數(shù)據(jù)互動(dòng)，真正把人們吸引過(guò)來(lái)。 我們一直在考慮巨大的 2D 拼接式顯示屏，這樣我們就能夠查看巨大的事物，例如電子海報(bào)。 后來(lái)，Matt 出現(xiàn)了。”
他說(shuō)的是 Matt McCrory。 McCrory 是一位可視化工程師，他通過(guò)攜手美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、夢(mèng)工廠動(dòng)畫(huà)以及芝加哥大學(xué)，涉足了科學(xué)與數(shù)字電影制作這兩大領(lǐng)域。他同時(shí)還是西北信息技術(shù)大學(xué) (NUIT) 的首席可視化工程師。 他對(duì) CAMI 也有個(gè)愿景：立體 3D 以及體驗(yàn)實(shí)現(xiàn)立體 3D 的技術(shù)，即英偉達(dá)™ Quadro (NVIDIA Quadro®) Plex ——英偉達(dá)可擴(kuò)展可視化解決方案系列的一部分。
英偉達(dá)™ Quadro Plex 系統(tǒng)讓人們能夠以簡(jiǎn)單而省錢(qián)的方式打造超高分辨率、可擴(kuò)展的大規(guī)?？梢暬h(huán)境。 英偉達(dá)™ Quadro Plex 的核心技術(shù) —— 英偉達(dá)™ (NVIDIA®) Mosaic™ 讓?xiě)?yīng)用程序的畫(huà)面能夠無(wú)縫分布于多臺(tái)顯示器或投影儀之上，從而減少了需要安裝的工作站數(shù)量。 英偉達(dá)™ Quadro Plex 以及英偉達(dá)™ Mosaic 多顯示器技術(shù)均能夠在立體 3D 模式下工作，讓研究人員能夠置身于自己的數(shù)據(jù)當(dāng)中。
McCrory 指出：“借助 3D，我們能夠?qū)⒂?jì)算理論數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可以用眼睛看到表現(xiàn)形式，這是任何其它方式都做不到的。 這樣能夠讓研究人員真正地從整體上觀察他們的學(xué)科。 然而，想要對(duì)包含多個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的高分辨率立體數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，所涉及的處理則從三維變成了四維。 你需要巨大的處理能力和內(nèi)存才能以足夠快的速度繪制出這些圖像，使可視化變得可行。”
解決方案
McCrory 利用英偉達(dá)™ Quadro Plex 中的圖形處理器 (GPU) 技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng) CAMI 令人身臨其境的顯示器 —— 25 臺(tái) JVC 專(zhuān)業(yè) 46 英寸立體 3D 顯示器以橫縱各五臺(tái)的形式拼接而成，工作起來(lái)如同單臺(tái)顯示器一樣。在這臺(tái)超大高分辨率顯示器上，分子、蛋白質(zhì)、原子以及整個(gè)有機(jī)體均能夠以完全立體 3D 的形式顯示出來(lái)。
一般的 IMAX 影院能夠在巨型屏幕上顯示八百萬(wàn)像素，而 CAMI 的墻壁能夠在大幅縮減占地面積的情況下，顯示出近 5200 萬(wàn)像素的畫(huà)面。
美國(guó)西北大學(xué)高級(jí)分子成像中心 (CAMI) 令人身臨其境的 3D 顯示墻上顯示了來(lái)自哈勃望遠(yuǎn)鏡的超高分辨率螺旋星云圖像。 (圖片由 Matt McCrory 提供)
McCrory 稱(chēng)：“我們想要讓人們能夠接近這些數(shù)據(jù)，逐個(gè)像素地檢查它們。為了呈現(xiàn)出所有這些像素，你需要性能相當(dāng)強(qiáng)勁的設(shè)備。 你需要英偉達(dá)™ Quadro Plex。”
13 臺(tái)英偉達(dá)™ Quadro Plex 多 GPU 系統(tǒng)被用來(lái)驅(qū)動(dòng) CAMI 顯示墻 —— 總共有 26 顆 GPU，系統(tǒng)內(nèi)置了英偉達(dá)™ (NVIDIA®) G-Sync II 技術(shù)以確保 26 顆 GPU 全部實(shí)現(xiàn)同步。
McCrory 表示：“基本上，我們使用了一臺(tái)迷你超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)提供處理能力。 我非常了解英偉達(dá)在 GPU 內(nèi)增加核心的這種做法、英偉達(dá)™ Quadro 顯卡的立體功能及其對(duì) Linux 的支持，最后一點(diǎn)對(duì)我們來(lái)說(shuō)很重要，因?yàn)槲覀兿矚g運(yùn)行開(kāi)源系統(tǒng)。 而且，我們?cè)诹Ⅲw渲染方面有大量經(jīng)驗(yàn)，英偉達(dá)™ Quadro 技術(shù)是用來(lái)處理光線步進(jìn) (ray-marching) 算法的最佳解決方案。 另外，如果使用英偉達(dá)™ Quadro 以外的其它顯卡，你就不會(huì)擁有我們需要的這種顯存水平。” #p#page_title#e#
在軟件方面，McCrory 開(kāi)發(fā)了一款基于 GPU 的立體渲染程序來(lái)為該機(jī)構(gòu)的成像數(shù)據(jù)生成 3D 畫(huà)面。 該渲染程序可與開(kāi)源的 ImageJ 圖像處理應(yīng)用程序配合使用，后者可將 CAMI 的成像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為渲染程序所使用的分層 TIFF格式。
他解釋道：“人們?cè)陲@示器上看到的大多數(shù)內(nèi)容均為互動(dòng)應(yīng)用程序的輸出結(jié)果。 這些并非預(yù)先渲染的，而是在屏幕上互動(dòng)地繪制出來(lái)的。 例如，就蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，它只是一個(gè)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格的 PDB 文件，而該軟件知道如何渲染它。 就 MRI (磁共振成像) 等立體數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，它是多層光切 (Z-stack) 圖像。 這意味著，臨床醫(yī)生不再需要逐個(gè)地瀏覽一系列單幅灰度圖像，如果我們編寫(xiě)合適的工具的話，人們則能夠以立體 3D 的形式將 MRI 轉(zhuǎn)化為可視的連續(xù)表面，更加清晰地觀察損傷等情況。”
影響
CAMI 的 3D 顯示墻支持諸多可視化，其中包括 MRI、全身生物光與熒光成像、光子顯微鏡以及活細(xì)胞掃描探針顯微鏡，該顯示墻還讓研究人員能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，同時(shí)研究分子、細(xì)胞以及組織結(jié)構(gòu)和交互作用。
Matt McCrory (左) 以及 Tom Meade 博士 (右) 審查蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)，這是西北大學(xué)分子生物科學(xué)與化學(xué)博士 Amy Rosenzweig 的作品。 (圖像由 Stephen Anzaldi 提供)
Meade 稱(chēng)：“站在自己的數(shù)據(jù)當(dāng)中能讓你能夠真正了解它們并查看它們的全貌，這一點(diǎn)再好不過(guò)了。”
他轉(zhuǎn)述了一位女教授的經(jīng)歷：該系統(tǒng)讓她首次看到了自已一直研究的酶細(xì)菌晶體結(jié)構(gòu)。 “她被驚得目瞪口呆，然后立即召集整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的人都來(lái)看一看。 每個(gè)人都被驚呆了。” 他繼續(xù)說(shuō)道：“這種呈現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的能力已達(dá)到全新水平，并且給他們留下了極其深刻的印象。我在 3D 墻上展示一些新內(nèi)容時(shí)，我甚至不用再去看屏幕，我只要看人們的面部表情就可以了。”
除了西北大學(xué)生物分子成像領(lǐng)域的學(xué)生和研究員以外，CAMI 還對(duì)西北大學(xué)芬伯格醫(yī)學(xué)院的臨床醫(yī)生以及大芝加哥地區(qū)的研究員開(kāi)放。 它可以用來(lái)對(duì)包含 3D 數(shù)據(jù)集的任何內(nèi)容進(jìn)行可視化。
McCrory 表示：“它確實(shí)是無(wú)所不能的。 一些天文學(xué)家在我們這里從事模擬星系進(jìn)化這樣令人難以置信的工作。 商學(xué)院對(duì)此表現(xiàn)出了濃厚興趣，他們想要對(duì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，以顯示出發(fā)展趨勢(shì)。 各大院系均向我們提出請(qǐng)求。”
Meade 指出：“與僅僅查看數(shù)據(jù)相比，人們需要有辦法從視覺(jué)上觀察這些事物。 這是我們腦子里真正考慮的東西。”
