Metoda pro urychlení vykreslování složitých molekulárních scén pomocí adaptivního odhadu okluze

Bc. Matúš Talčík

Master's thesis

Accelerating visualization of dense molecular scenes through adaptive occlusion estimation

Anotácia:

Vizuálna komunikácia komplexných procesov v živých organizmoch je významná vo veľa oblastiach, menovite vzdelávaní, interdisciplinárnej výmeny znalostí, alebo predstavovaní vedeckých poznatkov laickej verejnosti. Odkomunikovanie molekulárnych procesov laickej verejnosti vyžaduje dôkladné vyobrazenie kontextu, ktoré pozostáva z molekulárnych scén značných veľkostí. Ich vyobrazovanie v reálnom čase pre realistické a pútavé interaktívne vizualizácie predstavuje náročnú úlohu na výkon. Dosahovanie interaktívnych počtov snímkov za sekundu pre zložité scény obsahujúce štruktúry na všetkých škálach od atómu po celú bunku, stále nie je možné dosiahnuť existujúcimi algoritmami. Preto predstavujeme nový prístup, ktorý významne redukuje záťaž na GPU pri veľkých a hustých molekulárnych scénach. Umožňuje nám zobrazovať interaktívne vizualizácie o zložitosti až 10^11 atómov, čo je približne veľkosť bakteriálnej bunky. Keďže modely pre takéto veľké štruktúry ešte nie sú dostupné až na atomickú úroveň, otestovali sme výkon na syntetických dátach. V porovnaní s doterajšími postupmi sme dosiahli 3 až 7 násobný výkon.

Abstract:

Visual communication of complex phenomena taking place in living organisms is substantial in many areas, namely in education, interdisciplinary exchange of knowledge, or dissemination of scientific findings to a general audience. Communicating molecular processes to a lay audience requires a thorough depiction of the context, which consists of molecular landscapes of immense size. Depicting them in real-time as means for realistic and engaging interactive visualization poses significant challenges to the rendering performance. However, achieving interactive framerates for complex scenes, operating with structures on all scales spanning from atoms up to almost entire cells, still cannot be reached by the existing algorithms. Therefore, we present a novel approach that significantly reduces the GPU workload for large and dense molecular scenes. It allows us to scale up the interactive visualization of molecular scenes consisting of 10^11 atoms, which is on the scale of an entire bacterial cell. As the models for such large structures are still not available up to their atomistic details, we tested the performance of our approach on synthetic models. Compared to the current state-of-the-art approaches, we achieved the 3x to 7x speedup.

Keywords

rasterization, rendering, visibility, occlusion, molecule

Jazyk práce: English

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 7. 1. 2021

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 9. 2. 2021
• Vedúci: doc. RNDr. Barbora Kozlíková, Ph.D.
• Oponent: RNDr. Katarína Furmanová, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Informatics

Master programme / odbor:
Visual informatics / Computer graphics and visualisation