User In The Loop. Supporto al Computational Steering in ambiente di simulazione. Ing. Mario Valle AVS Italia

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1 User In The Loop Supporto al Computational Steering in ambiente di simulazione Ing. Mario Valle AVS Italia

2 Simulare per comprendere Simulazione Numerica Riproduzione al calcolatore di un fenomeno reale usando modelli matematici consistenti in equazioni adattate per poter applicare metodi numerici su calcolatori. Ci permette di comprendere fenomeni e processi che sarebbe troppo dispendioso, lento, pericoloso o fisicamente impossibile ricostruire nella realtà. Images courtesy ONERA France

3 Scopo ultimo della simulazione The purpose of computing is insight not numbers (Richard Hamming 1962)

4 Non limitiamoci però solo alla parte razionale Da una vecchia pubblicità IBM

5 La visualizzazione scientifica può aiutare Visualization offers a method for seeing the unseen. It enriches the process of scientific discovery and fosters profound and unexpected insights. In many fields it is already revolutionizing the way scientists do science (Visualization in Scientific Computing - ACM SIGGRAPH, 1987)

6 Definizione di visualizzazione to visualize: to form a mental vision, image, or picture of (something not visible or present to sight, or of an abstraction); to make visible to the mind or imagination. (The Oxford English Dictionary, 1989)

7 Visualizzare quindi... Significa utilizzare la grande capacità propria della visione umana di cogliere regolarità, schemi e associazioni. (visualizzare per analizzare) Significa sfruttare l enorme larghezza di banda della visione umana rispetto agli altri sensi ( unità di informazione al secondo rispetto alle 40 della lettura e le 60 della voce) (visualizzare per assimilare) Significa riuscire a trasmettere informazioni in modo conciso ed efficace. Una figura vale più di mille parole. (visualizzare per comunicare)

8 Un modello di riferimento per la visualizzazione La realtà Il fenomeno Viene creato un modello Che diventa un immagine EUREKA! Interpreta

9 Visualizzazione solo come postprocessing Modellazione Simulazione Visualizzazione

10 È una struttura consolidata, ma Può avere lunghi tempi di risposta che impediscono analisi di tipo what-if. Non aiuta ad evitare il tempo perso in simulazioni inutili dovute alla necessità di modificare i parametri e di guidare il calcolo in base ai risultati ottenuti. Si sfrutta poco la sinergia fra esperti di dominio ed esperti di calcolo numerico.

11 Presentare per stimolare nuove idee Modellazione Simulazione Visualizzazione

12 Quindi: user-in-the-loop Live Visualization Computational Steering

13 Questo loop esiste già in mondi simili Simulatori di volo e di guida Business games Videogiochi Ma l obbiettivo è diverso

14 Obbiettivo dello user-in-the-loop Non si tratta di acquisire nuove capacità Simulatori di volo e di guida Simulatori di stock trading Non si tratta nemmeno di entrare in una situazione e viverla in prima persona Videogiochi Si tratta di inserire l utente nel ciclo di comprensione dei dati al fine di estrarne informazioni: Vedendo a che punto è arrivato il processo di simulazione (Live Visualization) Agendo sul processo di produzione dei dati stessi per modificarne i parametri di calcolo (Computational Steering)

15 Live Visualization È vedere a che punto è arrivata la simulazione man mano che questa procede. È costruita attorno al metodo di acquisizione dei dati dal programma di calcolo. Utilizza le tecniche di visualizzazione più adatte al problema in esame. Deve aggirare le limitazioni ed ambiguità proprie del meccanismo di display utilizzato.

16 È anche una prima forma di steering Navigare nella scena Cambiare punto di vista Scegliere le tecniche di visualizzazione più adatte al problema

17 Un Framework di Visualizzazione Avanzata Cross Platform Ambiente di sviluppo Object Oriented multipiattaforma Supporta metodologie di sviluppo RAD Drag-and-Drop visual programming Fornisce circa 850 tecniche di visualizzazione per una rapida analisi dei propri dati Permette di incapsulare codice esistente (C / C++ / Fortran)

18 Ridurre le ambiguità Navigare nella scena Cambiare punto di vista

19 Una vista 3D può essere ambigua Per esempio, se non si può cambiare il punto di vista è facile vedere ciò che non c è in una scena 3D L illusione della Ames Room. Due gemelle un po speciali... Il 3D su un normale schermo 2D può diventare totalmente inutile e fuorviante. Punto di vista fisso

20 Ma se l utente si immerge nei dati, ne fa parte

21 Varietà di sistemi di visualizzazione immersiva

22 AVS/Express MPE nasconde la complessità Sapendo che realizzare applicazioni di visualizzazione immersiva è complesso, AVS ha creato AVS/Express Multi-Pipe Edition (MPE), uno dei primi sistemi di visualizzazione per macchine Multi-Pipe. È l unico indizio che si sta utilizzando la versione Multi-Pipe

23 AVS/Express MPE - Offline Prototyping L applicazione di visualizzazione viene sviluppata su un PC, senza nessun bisogno di accedere alla macchina multi-pipe Si utilizza un paradigma di programmazione visuale ad alto livello Infine si trasporta tutto senza modifiche sulla macchina multi-pipe

24 Computational Steering Comprende tutte le tecniche di intervento sull andamento della simulazione stessa. Vari livelli di intervento sull andamento della simulazione: Start/Stop della simulazione Modifica parametri in punti stabiliti Modifica continua dei parametri Vari livelli di intervento sul codice di calcolo: Accesso a files Accesso e modifica al codice Problematiche principali: Sincronizzazione Tracciabilità degli interventi

25 Simulazione Visualizzazione: mondi separati Differenti hardware Simulazione: calcolo brutale, normalmente limitato o nullo output grafico Visualizzazione: ovvia preponderanza della parte grafica Il calcolo ha la priorità L aggiunta della visualizzazione non deve rallentare la simulazione o il calcolo La visualizzazione è opzionale (può esserci o meno) Gli interventi sul codice di calcolo devono essere limitati

26 Primi approcci in AVS Nell ambito di progetti in area calcolo fluidodinamico sono stati provati finora due approcci: Integrazione del codice di calcolo nell applicazione di visualizzazione Integrazione lasca col codice di calcolo basata su file Le lezioni apprese ci hanno spinto a pianificare ulteriori sperimentazioni

27 Primi approcci in AVS Come in questa applicazione di esempio il codice di calcolo diviene parte dell applicazione di visualizzazione. Una integrazione stretta facilita il controllo, ma rende il codice di calcolo non più manutenibile.

28 L esperienza con i progetti FiatAvio BladeCool Controlli del calcolo Body3D

29 Progetti FiatAvio Lezioni apprese Un integrazione semplice e lasca può essere sufficiente La modalità di steering utilizzata ricalca il modo di lavorare usuale dell utente Il codice di calcolo deve vivere il più possibile di vita propria Ma: le applicazioni di visualizzazione sono strettamente dipendenti dai formati dei file dati il codice di sincronizzazione deve essere sviluppato ad hoc la sincronizzazione può rivelarsi problematica

30 Superare le difficoltà di integrazione Il lavoro di integrazione potrebbe essere semplificato basandosi su un toolkit che gestisca la connessione fra codice di calcolo e ambiente di visualizzazione. Toolkit analizzati: CUMULVS (Collaborative User Migration, User Library for Visualization and Steering) sviluppato presso Oak Ridge National Laboratory. SCIRun dell University of Utah VISIT (VISualization Interface Toolkit) sviluppato presso il Central Institute for Applied Mathematics - Forschungszentrum Jülich

31 VISIT - Computational Steering Toolkit

32 ParView: un progetto basato su VISIT ParView: visualizzazione online del trasporto di soluti in un sistema eterogeneo suolo-falda realizzato con AVS/Express Institute of Petroleum and Organic Geochemistry (ICG-4) VISIT toolkit and two parallel codes (TRACE and PARTRACE)

33 Integrazione con AVS/Express Moduli AVS/Express per il visualization server API per il computational client

34 Accesso ai servizi di visualizzazione L accesso al server di visualizzazione avviene utilizzando un nome di servizio Il name server SEAP gestisce la pubblicazione dei servizi disponibili

35 VBroker Strumento interattivo per connettere varie visualizzazioni ad un singolo processo di simulazione Tutti ricevono i dati da visualizzare Solo il master può controllare la simulazione Può salvare una registrazione della sessione

36 La sperimentazione in CINECA Partnership di lunga data con AVS Profonda esperienza nel calcolo ad alte prestazioni Disponibilità del teatro virtuale e del software a supporto

37 La sperimentazione in CINECA Il gruppo HPC del CINECA gestisce e supprta vari codici di calcolo. Per la dinamica molecolare supporta fra l altro il diffuso codice GROMACS. Applicazioni tipiche sono il calcolo di energie di interazione tra due molecole (per esempio nei problemi di protein docking). Il codice gira in batch senza una interfaccia grafica.

38 AVS/Express See The Molecule Application Sviluppata presso l Ohio Supercomputer Center come applicazione AVS/Express per la visualizzazione chimica Legge principalmente vari formati di file di descrizione di strutture molecolari Contiene moduli per il rendering ottimizzato di strutture chimiche Disponibile su

39 Il sistema in sperimentazione + STM application

40 Risultati della sperimentazione Eccellente il potersi concentrare solo sulla parte di simulazione (uso dello strumento AVS/Express e del toolkit VISIT per il resto). Il teatro virtuale ha avuto un grande successo. La separazione fra calcolo e server di visualizzazione permette di non bloccare l accesso e l utilizzo di una risorsa preziosa come il teatro virtuale.

41 Ma c è ancora molto lavoro da fare Il senso di immersione nei dati non è stato così utile come sembrava. La necessità di accedere ai sorgenti del programma di simulazione, anche se semplificato dal toolkit VISIT, richiede comunque la conoscenza approfondita del codice. È difficile far assimilare agli utenti la necessità di diventare parte integrante del loop e non rimanere solo spettatori. Ciò purtroppo fa retrocedere il teatro virtuale ad un mero luogo di presentazione. Bisogna integrare in VISIT funzionalità che lo rendano più adatto ad un uso in ambiente di produzione.

42 per avere alla fine Uno strumento di Dinamica Molecolare con visualizzazione immersiva da offrire agli utenti dei servizi HPC del CINECA Uno strumento trasportabile e sicuro anche su piattaforme più economiche Il lavoro continua

43 AVS - Advanced Visual Systems Domande? Non mancate di visitare e

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