Interactive visualization of material physics simulations with large number of atoms

Afin de répondre au besoin croissant de puissance de calcul qui intéresse les applications scientifiques, des architectures de calculateurs de plus en plus parallèles se répandent, de type cluster, MPP, ou autre, avec de plus en plus d’unités de calcul. Les codes de calcul, en s’adaptant à ce parallélisme, produisent de fait des résultats de plus en plus volumineux. Dans le domaine plus spécifique de la dynamique moléculaire appliquée à la physique des matériaux, le nombre de particules d’un système étudié est aujourd’hui de l’ordre de quelques millions à quelques centaines de millions, ce qui pose d’importants problèmes d’exploitation des données produites. Les solutions de visualisation utilisées auparavant ne sont plus capables de traiter une telle quantité d’information de façon interactive. Le but de cette thèse est de concevoir et d’implémenter une solution de manipulation de données composées d’un très grand nombre de particules, formant un ensemble .dense. ( par exemple, une simulation en dynamique moléculaire de quelques dizaines de millions d’atomes ). Cette solution devra être adaptative pour pouvoir fonctionner non seulement sur un poste de bureau de type .desktop., mais aussi dans des environnements collaboratifs et immersifs simples, par exemple de type mur d’image, avec éventuellement des éléments de réalité virtuelle (écrans stéréo, périphériques 3D). De plus, elle devra augmenter l’interactivité, c’est-à-dire rendre le système plus apte à réagir avec l’utilisateur, afin d’effectuer des phases d’exploration des données plus efficaces. Nous proposons une solution répondant à ces besoins de visualisation particulaire dense, en apportant des améliorations : – à l’interaction, par un système permettant une exploration simple et efficace d’une simulation scientifique. A cette fin, nous avons conçu, développé, et testé le .FlowMenu3D., une extension tridimensionnelle du .FlowMenu., un menu octogonal utilisé en environnement 2D. – à l’interactivité, par une architecture optimisée pour le rendu de systèmes particulaires denses. Cette dernière, intégrée au framework de visualisation VTK, est conçue sur le principe d’un rendu parallèle hybride sort-first/sort-last, dans lequel le système sort-last Ice-T est couplé à des extensions de partitionnement spatial des données, d’occlusion statistique par une méthode de Monte-Carlo, mais aussi de programmation GPU à base de shaders pour améliorer la performance et la qualité du rendu des sphères représentant les données.The need for more computing power for scientific applications leads supercomputer manufacturers to rely on more and more parallel architectures, such as cluster or MPP systems, increasing the number of processing units. The correlative adjustment of computing software - simulation codes - to massive parallelism leads to larger and larger datasets. More specifically, in molecular dynamics simulations applied to material physics, particle sets are typically composed of millions to hundreds of millions of particles, which raises important postprocessing issues. Most current visualization solutions do not scale up to interactively handle such an amount of information. The goal of this thesis is to design and implement a post-processing solution which is able to handle .dense. sets with a very large number of particles (for example, a molecular dynamics simulation result with several millions of atoms). This solution will have to be adaptive enough to run either on a desktop environment, or on a simple collaborative and immersive configuration, such as a tiled display, possibly with some virtual reality devices (such as stereo displays and 3D interaction peripherals). Moreover, this solution will have to maximize the interactivity, i.e. to increase the reactivity of the system against the user commands, to improve data exploration stages. We propose a solution optimized for dense particle systems visualization, improving both interaction and interactivity : – regarding interaction, a new simple and efficient way of exploring a scientific simulation is proposed. We developed and tested .FlowMenu3D., a 3D extension of the .FlowMenu. concept, an octagonal menu previously designed for 2D environments. – regarding interactivity, we propose an optimized architecture for dense particle systems rendering. The system relies on VTK visualization framework and a parallel hydrid sort-first/sort-last renderer. The existing Ice-T component is augmented with spatial data partitioning as well as statistical (Monte Carlo) occlusion mechanisms. GPU shaders eventually improve the performance and quality of rendering, using spheres as basic primitives