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Unité d’accueil : Université de Strasbourg, Laboratoire ICube, équipe IGG (Informatique
Géométrique et Graphique).

Direction : Jean-Michel Dischler, Professeur (dischler@unistra.fr)
Encadrement : Jonathan Sarton, Maître de Conférence (sarton@unistra.fr)

Date de démarrage : Septembre/Octobre 2022

Mots clés : Volume rendering, high performance/in-situ visualization, large-scale simulation

Compétences nécessaires :

  • Visualization
  • Volume data
  • GPU programming
  • HPC

Contexte et motivations :
L'accès à des machines de calcul de plus en plus performantes permet aux scientifiques de simuler des phénomènes de plus en plus complexes. Cependant, les simulations numériques à grande échelle produisent des données complexes par leur dimension et par leur caractéristiques géométrique, topologique et physique. Concrètement, de telles simulations peuvent générer des maillages volumiques multi-variés de grande dimension spatiale à chaque pas de temps. De plus ces maillages peuvent être non-structurés, d’ordre élevé, hétérogènes, avec des cellules non convexes, des faces non planaires etc.

D’un autre coté, les méthodes de visualisation modernes sont indispensables à plusieurs étapes des simulations numériques : conception, validation… La visualisation efficace de données volumiques est aujourd’hui possible avec l’algorithme de lancer de rayon sur GPU offrant de bonnes performances pour une bonne qualité de rendu. Cependant les algorithmes de visualisation interactive et in-situ doivent s’adapter à la complexité des données issues des simulations numériques à grande échelle. La mémoire des GPUs est toujours trop limitée et leur architecture parallèle SIMD n’est pas adaptée pour des données complexes non- structurées. De plus, les approches de visualisation in-situ proposées dans la littérature scientifique ne sont pas adaptées à des environnements HPC ayant des capacités de stockage en mémoire vive inférieur à l’ensemble des données d’une simulation.

Dans ce contexte, il est nécessaire de s’intéresser à l’évolution des algorithmes de visualisation interactive et in-situ de manière à ce qu’il soit capable de fournir une abstraction de la complexité et de la taille des données en entrée. Ces verrous sont au cœur du projet ANR LUM- V is porté par l’équipe IGG du laboratoire ICube qui finance cette thèse.

Objectifs de la thèse :
L’objectif de cette thèse est de s’attaquer aux verrous scientifiques qui viennent d’être exposés, en s’inscrivant au carrefour du rendu et du HPC pour la visualisation scientifique dans le domaine applicatif de la simulation numérique.

A partir d’un état de l’art qui couvre i) la visualisation de grilles volumiques non-structurées, ii) la visualisation de grands volume de données et iii) la visualisation in-situ, les objectifs identifiés sont les suivants :

  • S’intéresser aux différentes étapes d’échantillonnage, d’interpolation et de classification du rendu volumique direct afin de proposer une méthode permettant un rendu performant [1, 8] en fournissant une visualisation fidèle au degré de précision des simulations numériques [6, 7].
  • Explorer les possibilités de visualisation interactive de grands volumes de données dynamiques en environnement HPC en s’appuyant sur la combinaison de méthodes de rendu out-of-core [2, 3] et de méthodes in-situ [4, 5]. Il faudra considérer l’évolution dans le temps des données à visualiser, aussi bien en terme de changement topologique, géométrique et dans le(s) champ(s) scalaire/vectoriel. Cet objectif couvrira aussi des aspects de rendu parallèle et distribué.

Environnement de travail :
La thèse se déroulera au laboratoire des sciences de l’Ingénieur, de l’Informatique et de
l’Imagerie (ICube) de l’Université de Strasbourg. La/le candidat.e sera intégré.e à l’équipe d’Informatique Géométrique et Graphique (IGG). De plus, avec l’appui des partenaires impliqués dans le projet LUM-Vis, nous aurons l’avantage durant cette thèse, d’avoir accès à :

  • des données réelles issues de simulation numériques en provenance du laboratoire de mathématique avancé de Strasbourg (IRMA) et du commissariat à l’énergie atomique (CEA), ainsi que l’appui direct des chercheurs en charge du développement de ces simulations.
  • des ressources permettant des tests de grande envergure via les plateformes de calcul (ROMEO) et de visualisation (CENTRE IMAGE) de la maison de la simulation de l’université de Reims Champagne-Ardenne.

Durant la thèse, il sera également possible de participer à des missions d’enseignement, soit à l’UFR de mathématique et d’informatique de Strasbourg, soit au département informatique de l’IUT Robert Shuman à Illkirch.

References :
[1] N. Morrical, W. Usher, I. Wald, et V. Pascucci, « Efficient Space Skipping and Adaptive Sampling of Unstructured Volumes Using Hardware Accelerated Ray Tracing », arXiv:1908.01906 [cs], août 2019
[2] J. Sarton, N. Courilleau, Y. Remion, et L. Lucas, « Interactive Visualization and On-Demand Processing of Large Volume Data: A Fully GPU-Based Out-of-Core Approach », IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, vol. 26, n o 10, p. 3008-3021, oct. 2020, doi: 10.1109/TVCG.2019.2912752.
[3] J. Sarton, Y. Remion, et L. Lucas, « Distributed Out-of-Core Approach for In-Situ Volume Rendering of Massive Dataset », in High Performance Computing, Cham, 2019, p. 623-633. doi: 10.1007/978-3-030-34356-9_47.
[4] J. Kress et al., « Comparing the Efficiency of In Situ Visualization Paradigms at Scale », in High Performance Computing, Cham, 2019, p. 99-117. doi: 10.1007/978-3-030-20656-7_6.
[5] H. Childs et al., « A terminology for in situ visualization and analysis systems », The International Journal of High Performance Computing Applications, p. 1094342020935991, août 2020, doi: 10.1177/1094342020935991.
[6] M. Üffinger, S. Frey, et T. Ertl, Interactive High-Quality Visualization of Higher-Order Finite Elements. 2010.
[7] B. Nelson, E. Liu, R. M. Kirby, et R. Haimes, « ElVis: A System for the Accurate and Interactive Visualization of High-Order Finite Element Solutions », IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, vol. 18, n o 12, p. 2325-2334, déc. 2012, doi: 10.1109/TVCG.2012.218.
[8] P. Muigg, M. Hadwiger, H. Doleisch, et E. Groller, « Interactive Volume Visualization of General Polyhedral Grids », IEEE Trans. Visual. Comput. Graphics, vol. 17, n o 12, p. 2115-2124, déc. 2011, doi: 10.1109/TVCG.2011.216.
[9] J. Beyer, M. Hadwiger, et H. Pfister, « State-of-the-Art in GPU-Based Large-Scale Volume Visualization », Computer Graphics https://doi.org/10.1111/cgf.12605.