PV-4D – leistungsstarke Visualisierungssoftware in der dritten Generation fertiggestellt

4.4.2013

Nach 15 Jahren intensiver Entwicklung neuartiger paralleler Visualisierungsalgorithmen wurde am Fraunhofer ITWM eine neue Version der Software PV-4D fertiggestellt. Neben der reinen Visualisierung unterschiedlicher 2D-, 3D- und 4D-Daten umfasst die Software jetzt auch hoch optimierte Funktionen zum Aufbereiten von Rohdaten, wie z.B. parallele Netzgeneratoren und Sortierer. Alle Funktionseinheiten wurden überarbeitet und können auf Rechnersystemen unterschiedlicher Leistungsstärke eingesetzt werden. Dabei werden moderne Grafik-Workstations genauso unterstützt wie Hochleistungsrechner im Petaflop-Bereich.

PV-4D setzt neueste, teilweise noch unveröffentlichte Verfahren ein, die durch effiziente Vektorisierung und Parallelisierung maximale Leistung aus der zur Verfügung stehenden Hardware generieren. Die Abstraktion der Recheneinheiten und deren logische Abbildung in die Software übernimmt die Bibliothek MCTP (Many Core Thread Package). MCTP ermöglicht eine sehr feingranulare Zuordnung von physikalischen und logischen Threads zu Speicherbereichen auf NUMA (Non-Uniform Memory Access)-Architekturen.

Weiterhin ist eine hoch performante Synchronisation einzelner Programmteile möglich. Gesteuert von MCTP können dann Funktionseinheiten zur Aufbereitung der Visualisierungsdaten aufgerufen werden. Diese sind in der PV-4D-LibStream zusammengefasst und decken ein weites Spektrum numerischer Algorithmen ab. Zur Indikation der Performance sind hier beispielhaft die Delaunay Triangulation (Abbildung Libstream) und ein Sortierverfahren (Abbildung Libstream) angegeben. Bei der Delaunay Triangulierung zeigt sich, dass ab einer Größe von ca. 10Mio. Punkten die Polygonerstellung auf identischer Hardware um den Faktor 100 schneller ist als mit der weitverbreiteten Software Triangl.

Druckqualität in Echtzeit: Visualisierung eines Autoscheinwerfers mit PV-4D
© Foto ITWM

Druckqualität in Echtzeit: Visualisierung eines Autoscheinwerfers mit PV-4D.

Verschiedene Visualisierungsverfahren mit PV-4D

Zentraler Bestandteil von PV-4D sind aber weiterhin die verschiedenen Visualisierungsverfahren.Das hauptsächlich in der Medizintechnik und der wissenschaftliche Visualisierung eingesetzte Volume Rendering wurde komplett überarbeitet. Es ermöglicht nun die Darstellung mehrerer Terabytes an 3D- und 4D-Volumendaten in Echtzeit. Die Bildqualität ist dabei mit dem eines echten Ray-Casting-Verfahrens vergleichbar.

Weiterhin wurde das sogenannte Pre-Processing der Volumendaten optimiert. PV-4D kann in der aktuellen Fassung ca. 32Gbyte pro Recheneinheit in eine für die Visualisierung optimale Datenstruktur überführen. Parallel dazu können beliebig große Polygondatensätze über die Polygon Engine dargestellt und editiert werden.

Neu hinzugekommen ist eine OpenGL3-kompatible Render-Pipeline, die ebenfalls parallel auf den Recheneinheiten ausgeführt werden kann. Somit können bestehende OpenGL-Anwendungen jetzt skalierbar auf Parallelrechnern eingesetzt werden. Das Zusammenführen der einzelnen Grafikausgaben wird vom PV-4D Compositor übernommen. Dieser läuft asynchron im Hintergrund auf einem RDMA Netzwerk und nutzt als Schnittstelle für die Kommunikation mit den einzelnen Instanzen GPI.

Die interaktive Visualisierung der Szene innerhalb eines OpenGL Kontextes ist bereits auf zwei leistungsfähigen Workstations möglich. Weiterhin integriert wurden die Module: Ray-Tracing und Path-Tracing. Beide sind konkurrenzlos im Bereich des kohärenten und nicht-kohärenten Strahlentransports. Hier erschließen sich neue Einsatzgebiete im Bereich des Produktdesigns, da PV-4D Druckqualität in Echtzeit erzeugen kann.

PV-4D der dritten Generation ist ein umfangreiches Visualisierungswerkzeug, das den Umgang mit komplexen, multidimensionalen Daten revolutioniert.

 Visualisierung in PV-4D
© Foto ITWM

Zentraler Bestandteil von PV-4D sind die verschiedenen Visualisierungsverfahren.