Vědecký tým z národního superpočítačového centra IT4Innovations vyvinul inovativní metodiku pro vizualizaci rozsáhlých dat ze simulací proudění tekutin (CFD) prostřednictvím objemového renderování a pokročilých vizualizačních nástrojů. Tato metoda umožňuje rychlé zpracování výsledků CFD simulací což přináší ve spojení s interaktivní fotorealistickou vizualizací nové možnosti v oblasti analýzy simulací proudění. Při jejím vývoji využili vědci sílu superpočítače Karolina.
Simulace CFD jsou extrémně náročné na výpočetní kapacitu a často generují obrovské objemy dat v řádu terabajtů až petabajtů. Efektivní zpracování těchto dat je klíčové pro rychlou a správnou analýzu výsledků. Zvláště pak u nestrukturovaných sítí je následné zpracování extrémně náročné na výpočetní a paměťové zdroje. Stávající nástroje nedokážou efektivně zpracovávat velká časově závislá nestrukturovaná data v přijatelném čase.
Markéta Faltýnková, Ondřej Meca, Tomáš Brzobohatý, Lubomír Říha, Milan Jaroš a Petr Strakoš z IT4Innovations vyvinuli nový způsob zpracování dat, který umožňuje převzorkování stovek časových kroků nad nestrukturovanou sítí s miliardou buněk (desítky terabajtů dat) do řídké pravidelné mřížky s hustotou 11 miliard voxelů (3D kvádrů) během několika minut. Tento proces využívá tisíce procesorových jader a moderní algoritmy pro efektivní přípravu dat, která je nutnou podmínkou pro následnou interaktivní vizualizaci.
Celý postup zahrnuje pět klíčových kroků. Nejprve probíhá paralelní načítání dat do paměti, které zajišťuje rychlé nahrávání velkých souborů dat. Data jsou rovnoměrně rozdělena mezi dostupné výpočetní zdroje, což optimalizuje využití hardwaru a urychluje zpracování. Nestrukturovaná data jsou následně transformována do pravidelné mřížky (voxelizace), což zjednodušuje jejich následné zpracování. Po převzorkování jsou data uložena ve formátu OpenVDB, který je průmyslovým standardem v oblasti počítačové grafiky. Konečně, data jsou připravena pro vysoce realistickou vizualizaci pomocí programu Blender, což umožňuje vytvářet vizuálně atraktivní a detailní výstupy pro analýzu i prezentaci.
Jedinečnou vlastností vyvinutého řešení je GPU akcelerované interaktivní zobrazování časově závislých simulací pomocí objemového renderingu s použitím path tracing rendereru. Objemové zobrazení simulovaných veličin umožňuje efektivní prohledávání zkoumaného jevu v prostoru i čase interaktivně.
Tato nová metodika pro vizualizaci rozsáhlých dat byla ověřena na konkrétních simulacích, například dopravního letadla. Připravit simulaci s miliardou buněk a 512 časovými kroky (34 TB dat) pro interaktivní objemové renderování s 11 miliardami voxelů trvalo 37 minut. Tento postup překonává aktuální vizualizační postupy a přináší novou úroveň škálovatelnosti voxelizace.
Metoda otestovaná na ostravském superpočítači Karolina představuje efektivní nástroj pro zpracování a vizualizaci rozsáhlých CFD dat, což umožňuje vědcům a inženýrům rychlejší analýzu a vizualizaci simulací, a to i u modelů s miliardami buněk. V budoucnu se výzkumný tým zaměří na implementaci hierarchického přístupu pro snížení paměťové náročnosti zachovávající vizuální kvalitu výstupu, a další redukci dat s pomocí neuronových sítí.
Odborný článek
Workflow for high-quality visualisation of large-scale CFD simulations by volume rendering
https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2024.103822
Tento výzkum byl podpořen projektem REFRESH.
