英偉達可擴展可視化解決方案將理論展示為現(xiàn)實 —— 美國西北大學高級分子成像中心精彩上演
挑戰(zhàn)
在聲名遠播的美國芝加哥西北大學，Thomas Meade 博士接到一項任務(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、分子生物科學、神經(jīng)生物學與生理學以及放射學等等。他要設(shè)計一款尖端科技的全新成像設(shè)施，目標是在一個房間里完成西北大學所有的生物分子成像工作。 他的高級分子成像中心 (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大學所從事的研究工作。
Meade 表示：“我們的愿景是打造這樣一個地方，在那里，包括大學生、教授以及研究員在內(nèi)的所有人均能夠以獨特的方式與理論數(shù)據(jù)互動，真正把人們吸引過來。 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。 后來，Matt 出現(xiàn)了。”
他說的是 Matt McCrory。 McCrory 是一位可視化工程師，他通過攜手美國阿貢國家實驗室、夢工廠動畫以及芝加哥大學，涉足了科學與數(shù)字電影制作這兩大領(lǐng)域。他同時還是西北信息技術(shù)大學 (NUIT) 的首席可視化工程師。 他對 CAMI 也有個愿景：立體 3D 以及體驗實現(xiàn)立體 3D 的技術(shù)，即英偉達™ Quadro (NVIDIA Quadro®) Plex ——英偉達可擴展可視化解決方案系列的一部分。
英偉達™ Quadro Plex 系統(tǒng)讓人們能夠以簡單而省錢的方式打造超高分辨率、可擴展的大規(guī)?？梢暬h(huán)境。 英偉達™ Quadro Plex 的核心技術(shù) —— 英偉達™ (NVIDIA®) Mosaic™ 讓應(yīng)用程序的畫面能夠無縫分布于多臺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™ Quadro Plex 以及英偉達™ 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)當中。
McCrory 指出：“借助 3D，我們能夠?qū)⒂嬎憷碚摂?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科。 然而，想要對包含多個時間步長的高分辨率立體數(shù)據(jù)進行可視化，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™ Quadro Plex 中的圖形處理器 (GPU) 技術(shù)來驅(qū)動 CAMI 令人身臨其境的顯示器 —— 25 臺 JVC 專業(yè) 46 英寸立體 3D 顯示器以橫縱各五臺的形式拼接而成，工作起來如同單臺顯示器一樣。在這臺超大高分辨率顯示器上，分子、蛋白質(zhì)、原子以及整個有機體均能夠以完全立體 3D 的形式顯示出來。
一般的 IMAX 影院能夠在巨型屏幕上顯示八百萬像素，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 萬像素的畫面。
美國西北大學高級分子成像中心 (CAMI) 令人身臨其境的 3D 顯示墻上顯示了來自哈勃望遠鏡的超高分辨率螺旋星云圖像。 (圖片由 Matt McCrory 提供)
McCrory 稱：“我們想要讓人們能夠接近這些數(shù)據(jù)，逐個像素地檢查它們。為了呈現(xiàn)出所有這些像素，你需要性能相當強勁的設(shè)備。 你需要英偉達™ Quadro Plex。”
13 臺英偉達™ Quadro Plex 多 GPU 系統(tǒng)被用來驅(qū)動 CAMI 顯示墻 —— 總共有 26 顆 GPU，系統(tǒng)內(nèi)置了英偉達™ (NVIDIA®) G-Sync II 技術(shù)以確保 26 顆 GPU 全部實現(xiàn)同步。
McCrory 表示：“基本上，我們使用了一臺迷你超級計算機來提供處理能力。 我非常了解英偉達在 GPU 內(nèi)增加核心的這種做法、英偉達™ Quadro 顯卡的立體功能及其對 Linux 的支持，最后一點對我們來說很重要，因為我們喜歡運行開源系統(tǒng)。 而且，我們在立體渲染方面有大量經(jīng)驗，英偉達™ Quadro 技術(shù)是用來處理光線步進 (ray-marching) 算法的最佳解決方案。 另外，如果使用英偉達™ Quadro 以外的其它顯卡，你就不會擁有我們需要的這種顯存水平。” #p#page_title#e#
在軟件方面，McCrory 開發(fā)了一款基于 GPU 的立體渲染程序來為該機構(gòu)的成像數(shù)據(jù)生成 3D 畫面。 該渲染程序可與開源的 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：“人們在顯示器上看到的大多數(shù)內(nèi)容均為互動應(yīng)用程序的輸出結(jié)果。 這些并非預先渲染的，而是在屏幕上互動地繪制出來的。 例如，就蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)來說，它只是一個轉(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)來說，它是多層光切 (Z-stack) 圖像。 這意味著，臨床醫(yī)生不再需要逐個地瀏覽一系列單幅灰度圖像，如果我們編寫合適的工具的話，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胞掃描探針顯微鏡，該顯示墻還讓研究人員能夠?qū)崟r地對數(shù)據(jù)進行可視化，同時研究分子、細胞以及組織結(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)，這是西北大學分子生物科學與化學博士 Amy Rosenzweig 的作品。 (圖像由 Stephen Anzaldi 提供)
Meade 稱：“站在自己的數(shù)據(jù)當中能讓你能夠真正了解它們并查看它們的全貌，這一點再好不過了。”
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菌晶體結(jié)構(gòu)。 “她被驚得目瞪口呆，然后立即召集整個實驗室的人都來看一看。 每個人都被驚呆了。” 他繼續(xù)說道：“這種呈現(xiàn)整個結(jié)構(gòu)的能力已達到全新水平，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，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。”
除了西北大學生物分子成像領(lǐng)域的學生和研究員以外，CAMI 還對西北大學芬伯格醫(yī)學院的臨床醫(yī)生以及大芝加哥地區(qū)的研究員開放。 它可以用來對包含 3D 數(shù)據(jù)集的任何內(nèi)容進行可視化。
McCrory 表示：“它確實是無所不能的。 一些天文學家在我們這里從事模擬星系進化這樣令人難以置信的工作。 商學院對此表現(xiàn)出了濃厚興趣，他們想要對經(jīng)濟數(shù)據(jù)進行可視化，以顯示出發(fā)展趨勢。 各大院系均向我們提出請求。”
Meade 指出：“與僅僅查看數(shù)據(jù)相比，人們需要有辦法從視覺上觀察這些事物。 這是我們腦子里真正考慮的東西。”
