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Le soluzioni di visualizzazione scalabili NVIDIA tramutano la teoria in realtà alla Northwestern University

 
 

Il dottor Thomas Meade della prestigiosa Northwestern University di Chicago aveva in mente un progetto molto preciso. Il professore, impegnato nella ricerca in ambito medico (specificamente nella lotta ai tumori), chimico, delle bioscienze molecolari, della neurobiologia/fisiologia e della radiologia voleva realizzare una nuovissima struttura di imaging all’avanguardia, con l’obiettivo di riunire in un unico edificio tutte le attività di imaging molecolare biologico della Northwestern University. Con il Center for Advanced Molecular Imaging (CAMI) puntava a realizzare non soltanto uno strumento all’avanguardia per i ricercatori, ma anche a divulgare pubblicamente i risultati delle ricerche in corso in tutta l’università.

SFIDA
NU Helix Nebula
Un’immagine in altissima risoluzione della nebulosa Helix scattata dal telescopio Hubble occupa l'enorme parete 3D del Center for Advanced Molecular Imaging (CAMI) della Northwestern University. (Immagine cortesemente offerta da Matt McCrory)

“La nostra visione prevedeva un luogo nel quale tutti, studenti, professori e ricercatori, potessero interagire con i dati teorici in modo unico. La nostra intenzione era quella di fungere da polo di attrazione”, ha dichiarato Meade. “Stavamo pensando a un gran numero di display che formassero un enorme pannello 2D, in modo da consentirci di vedere le cose davvero in grande, come una sorta di poster elettronico. Poi abbiamo incontrato Matt.”

”Matt” sarebbe Matt McCrory, un ingegnere di visualizzazione che ha fatto carriera sulla zona di confine tra scienza e cinematografia. McCrory ha infatti collaborato con l’Argonne National Laboratory, la DreamWorks Animation e la University of Chicago, oltre a ricoprire il ruolo di responsabile della visualizzazione per la Northwestern University Information Technology (NUIT). Anche lui aveva una visione precisa per il CAMI: pensava al 3D stereoscopico e aveva esperienza con la tecnologia in grado di tradurre la sua visione in realtà, ovvero con NVIDIA Quadro Plex, parta della famiglia NVIDIA di soluzioni di visualizzazione scalabili.

I sistemi NVIDIA Quadro Plex permettono installazioni semplici ed economiche di ambienti di visualizzazione su larga scala e in altissima risoluzione. La tecnologia Mosaic al cuore di Quadro Plex permette di estendere le applicazioni in modo perfetto su più display o proiettori, riducendo il numero di workstation necessarie per gestire l’installazione. NVIDIA Quadro Plex e la tecnologia Mosaic funzionano entrambi anche in 3D stereoscopico e consentono ai ricercatori di immergersi letteralmente nei propri dati.

“Ero convinto che con il 3D avremmo potuto vedere nel loro contesto reale quei dati computazionali teorici che altrimenti rimangono del tutto invisibili”, ha dichiarato McCrory. “Volevo che i ricercatori avessero una visione davvero olistica dei propri argomenti di studio. Certo, la visualizzazione di dati volumetrici in alta risoluzione in evoluzione nel tempo sposta l’elaborazione da tre a quattro dimensioni. Questo significa che occorre un’enorme potenza di calcolo e una memoria davvero capace per disegnare queste immagini in modo sufficientemente rapido da rendere pratica la visualizzazione.”

SOLUZIONE
NU protein Structure
Matt McCrory (a sinistra) e il dottor Tom Meade (a destra) esaminano una struttura proteica cristallina, il lavoro della professoressa di bioscienze molecolari e chimica della Northwestern University Amy Rosenzweig. (Immagine cortesemente offerta da Stephen Anzaldi)

McCrory si è rivolto alle tecnologie basate su unità di elaborazione grafica (GPU) di NVIDIA Quadro Plex per gestire la visualizzazione immersiva del CAMI - 25 display JVC Professional da 46 pollici in 3D stereoscopico, in una configurazione cinque per cinque, in grado di funzionare come un singolo ed enorme display in alta risoluzione che permette di visualizzare in 3D stereoscopico molecole, proteine, atomi ed interi organismi.

Mentre un normale cinema IMAX visualizza otto milioni di pixel su uno schermo gigante, la parete video del CAMI visualizza quasi 52 milioni di pixel su una superficie nettamente minore.
“Volevamo fare in modo che gli utenti potessero avvicinarsi e ispezionare i dati pixel per pixel. Per gestire tutti quei pixel serviva qualcosa di straordinariamente potente”, continua McCrory. “Ci serviva Quadro Plex.”

13 sistemi NVIDIA Quadro Plex multi-GPU gestiscono la parete video del CAMI -- 26 GPU in tutto, con tecnologia NVIDIA G-Sync II integrata per mantenerle sincronizzate tra loro.

“In pratica abbiamo creato un mini-supercomputer per gestire il CAMI”, ha aggiunto McCrory. “Avevo grande esperienza con le soluzioni NVIDIA e quindi conoscevo già i vantaggi derivanti dalla possibilità di aggiungere core con le GPU, dalle capacità stereoscopiche delle schede Quadro e dalla possibilità di usare Linux. Quest’ultimo fattore era davvero importante per noi, perché l’università preferisce utilizzare soluzioni open source. Inoltre, una gran parte del lavoro dei ricercatori è di fatto costituita da operazioni di rendering volumetrico e la tecnologia NVIDIA Quadro è la soluzione migliore in assoluto per la gestione degli algoritmi di ray-marching. Infine, non avremmo mai ottenuto il livello di memoria video che ci serviva usando schede diverse dalle Quadro.”

Dal lato del software, McCrory ha sviluppato un renderer di volumi basato su GPU per produrre le visuali tridimensionali dei dati di imaging della struttura. Il renderer funziona in perfetta sinergia con l’applicazione di elaborazione delle immagini open source ImageJ, che converte i dati di imaging di CAMI nel formato TIFF in layer usato dal renderer.

“La maggior parte di ciò che le persone vedono sul display è l’output di un’applicazione interattiva. I dati non sono pre-renderizzati: vengono tracciati a schermo in modo interattivo”, prosegue McCrory. Per una struttura proteica di forma cristallina, per esempio, si tratta semplicemente di un file PDB convertito in un mesh. Il software è poi in grado di eseguire la necessaria operazione di rendering. Per dati volumetrici come le RMT [Risonanza Magnetica Tomografica], si tratta di uno stack Z di immagini. Questo significa che, una volta preparati gli strumenti adatti, i medici, invece di esaminare diverse immagini in scala di grigi una alla volta , potranno visualizzare la risonanza magnetica in 3D stereoscopico, come superficie continua, vedendo con maggiore chiarezza lesioni e altre particolarità.”

IMPATTO

La parete video 3D del CAMI supporta le visualizzazioni, RMT comprese, l’imaging del corpo intero a bioluminescenza e fluorescenza, la microscopia fotonica e la microscopia a scansione di sonda in vivo. Questo consente ai ricercatori di visualizzare i dati in tempo reale durante lo studio di strutture molecolari, cellulari e tissutali o delle loro interazioni.

“Immergersi nei propri dati è davvero impagabile: consente di comprenderli a fondo e ne dà una visione olistica”, ha dichiarato Meade.

Meade ha poi raccontato l’esperienza di una professoressa che ha dato la prima occhiata alla struttura cristallina dei batteri enzimatici che stava studiando. “È rimasta a bocca aperta e ha immediatamente chiamato tutti i suoi colleghi di laboratorio. Tutti sono rimasti stupefatti. La possibilità di interrogare l’intera struttura a un livello del tutto nuovo li ha letteralmente sopraffatti.” Meade ha poi aggiunto: “quando proietto qualcosa di nuovo sulla parete 3D non guardo più lo schermo, guardo le facce delle persone”.

Oltre a studenti e ricercatori dei laboratori di imaging molecolare biologico della Northwestern University, il CAMI è aperto anche ai medici della Feinberg School of Medicine oltre che ai ricercatori dell’area metropolitana di Chicago. Il CAMI può essere usato per visualizzare qualsiasi cosa si fondi su una serie di dati 3D.

“È davvero una di quelle soluzioni con un numero illimitato di applicazioni”, ha dichiarato McCrory. “Abbiamo astronomi che compiono ricerche incredibili nell’ambito della simulazione dell’evoluzione dei sistemi stellari. La Business School ha mostrato un certo interesse nella visualizzazione dei dati economici per scoprire i trend occulti. Riceviamo richieste da ogni possibile istituto.”

Meade ha chiosato: “oggi ci serve un modo per vedere davvero le cose invece di limitarci a esaminare i numeri. Perché sono le immagini a farci davvero capire come stanno le cose.”



 
 
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