Ústav výpočetní techniky je od roku 1998 vedle Fakulty informatiky a Přírodovědecké fakulty jednou z řešitelských organizací šestiletého komplexního projektu Grantové agentury ČR HCILAB - laboratoř interakcí člověka s počítačem. Podrobnosti lze najít na http://www.fi.muni.cz/usr/sochor/HCILAB.html.
Cílem tohoto článku není podat shrnutí dosavadních výsledků - je na to příliš brzy a rád přenechám tuto úlohu povolanějším. Čtenářům Zpravodaje chci přiblížit konkrétní aktivity, na kterých ÚVT přímo spolupracuje, a zdaří-li se, podat i určitou vizi do budoucna.
Postupně se zaměříme na grafický počítač Onyx2 instalovaný na ÚVT, jehož pořízení sice nemá s projektem HCILAB přímou souvislost, počítá se však s jeho nasazením na aplikace v rámci projektu vyvíjené, dále na práci se zařízením silové zpětné vazby PHANToM, jehož využití je právě předmětem výzkumu probíhajícího na ÚVT, a konečně na experimentální aplikaci vyvinutou ve spolupráci s Laboratoří struktury a dynamiky biomolekul PřF.
Jedním z posledních přírůstků Superpočítačového centra je i grafický superpočítač Onyx2 firmy Silicon Graphics. Jedná se o vůbec nejvýkonnější grafický systém této firmy, architekturou ccNuma shodný s výpočetním serverem Origin2000 (viz [1]). Více informací lze nalézt na http://www.sgi.com.
Stroj instalovaný na ÚVT je v téměř maximální jednorackové konfiguraci, osazen 8 CPU R10000, 2 GB operační paměti, cca 35 GB interních disků a dvěma nezávislými grafickými subsystémy InfiniteReality2, každý se dvěma rasterovými procesory a 160 MB paměti frame bufferu.
Po dořešení technických problémů bude, kromě využití jako další výpočetní server1, jeho grafický výkon zpřístupněn na dvou pracovištích v budově Botanická 68a a bude dostupný každému uživateli akademické obce, který prokáže oprávněný nárok (projekt) na využití špičkového grafického výkonu.
Zařízení PHANToM firmy SensAble Technologies (lze tu nalézt i fotografie) jednak velmi přesně snímá polohu bodu v 3D prostoru, ale hlavně je schopno v tomto bodě vyvíjet sílu řádově 10 N. Uživatelským rozhraním je zde buď jakýsi náprstek, nebo pero. Prostorový rozsah našeho zařízení je cca 40 x 40 x 20 cm, SensAble ovšem dodává i zařízení podstatně větší. Z pohledu člověka s jistým vztahem ke strojírenství se jedná o vcelku estetické zařízení složené z řady pohyblivých ramen, kloubů a tří servomotorků. Vhodným ovládáním lze na základě aktuální polohy, případně i rychlosti pohybu, úspěšně vytvářet iluze dotyku virtuálních předmětů různých vlastností a manipulace s nimi.
V souvislosti s ovládáním tohoto zařízení se projevilo zajímavé srovnání lidských smyslů z hlediska možnosti jejich klamání technikou. Zatímco pro dosažení iluze plynulého pohybu ve filmu postačuje standardních 24 snímků za vteřinu, potřebná obnovovací frekvence zařízení silové zpětné vazby, tedy nutnost reagovat na změnu polohy změnou síly, pro vytvoření iluze hladkého zakřiveného povrchu je alespoň 2 kHz, v případě velmi tvrdých povrchů i vyšší.
Firma SensAble dodává spolu s PHANToMem ovladače pro systémy SGI IRIX, MS-DOS a Windows NT. Klademe-li ovšem na ovladač extrémní nároky z hlediska rychlosti reakce na změnu stavu zařízení, paradoxně jediným použitelným systémem v tomto kontextu je MS-DOS (ovladače pro IRIX nejsou schopny využít real-time podpory tohoto systému), což není s výhledem na předpokládanou integraci do širší distribuované aplikace příliš šťastné řešení.
Z popsaných důvodů bylo nutno přistoupit k vývoji vlastního ovladače, což díky nepříliš vstřícnému postoji firmy SensAble nebylo nikterak jednoduché. Na Fakultě informatiky byl vyvinut ovladač pro real-time rozšíření operačního systému Linux (http://www.rtlinux.org), v současné době je ve verzi dostatečně stabilní pro nasazení v experimentálních aplikacích. S procesorem Pentium 200 MHz se dosahuje bez problémů obnovovací frekvence 3 kHz. Ovladač je koncipován tak, že lze kritické výpočty po odladění přesunout přímo do adresového prostoru jádra operačního systému, eliminovat tak i prodlevy působené přepínáním kontextu a dosáhnout iluze skutečně hladkých objektů.
Specifikace projektu počítá s vývojem aplikací nasazujících prostředky virtuální reality mimo jiné v oblasti počítačové chemie. To je ostatně zcela v kontextu Superpočítačového centra, kde chemické výpočty tvoří převážnou část zátěže.
Jednou z významných oblastí, jimž se tyto výpočty věnují, je studium konformačního chování molekul, tj. chemických dějů, při nichž nedochází ke změnám v chemické struktuře studovaných molekul, ale jen ke změnám jejich tvaru. Protože tvar molekuly má zásadní vliv na její chemické a zejména biologické vlastnosti, je pochopení konformačního chování základem k pochopení chemické a biologické aktivity daných molekul. Ilustrativní příklady lze nalézt zejména mezi enzymy, bílkovinami a nukleovými kyselinami. Přehled používaných metod výpočtů a dosavadních výsledků výzkumu v této oblasti podává souhrnný článek [2].
Nosnou myšlenkou naší aplikace je umožnit uživateli aktivně působit zařízením silové zpětné vazby na vybranou molekulu a měnit tak její tvar, tedy simulovat konformační chování. Vybraná část virtuálního modelu molekuly je pevně zafixována v prostoru a zařízení PHANToM je připojeno k jistému atomu, případně těžišti skupiny atomů. Pohybuje-li uživatel zařízením v prostoru, molekula se odpovídajícím způsobem deformuje. Samo zařízení silové zpětné vazby tak předává uživateli informace dvojího druhu:
Z vnějšího pohledu za předpokladu, že bychom nevěděli nic o jejím chemickém významu, se celá aplikace chová jako jakési třírozměrné bludiště zakřivených tunelů, kde je vždy nutno po cestě od jednoho rozcestí ke druhému překonávat první polovinu cesty jistý odpor, ve druhé části naopak uživatel samovolně "sklouzne" do druhého rozcestí. Poměrně zdařilou, i když zjednodušující analogií je také přirovnání k řadicí páce automobilu.
Druhou podstatnou část aplikace tvoří vizualizace celého děje. Zkušenosti ukazují, že zařízením PHANToM, které je svou konstrukcí jednobodové, lze dobře znázornit pouze lokální vlastnosti zkoumaného systému. Pro získání celkové představy o ději je nutná vizualizace. V naší aplikaci používáme jednoduchý konvenční model, kde jsou atomy znázorněny barevnými kuličkami a vazby mezi nimi tyčinkami. Uživatel může synchronně s ovládáním zařízení pozorovat působené konformační změny.
Dosažené výsledky budou v době, kdy toto číslo Zpravodaje vychází, publikovány na evropském setkání uživatelů zařízení PHANToM [3].
Bylo již řečeno, že zařízení silové zpětné vazby je ovládáno běžným PC s operačním systémem Linux. Přímo na tomto počítači běží i nejnutnější výpočty vytvářející iluzi popsaných tunelů. Vstupními daty pro tento výpočet je jejich diskrétní reprezentace, tj. dostatečně husté vzorkování každého tunelu doplněné ještě informacemi o energetických bariérách.
Výpočet těchto informací z výsledků chemických výpočtů je poměrně výpočetně náročný, proto je postaven odděleně a jako paralelní program. Použitým programovacím prostředím je MPI [6]. Tento model je uznávaným de facto standardem, jsou dostupné nativní implementace výrobců hardwaru i implementace volně šiřitelné. Díky tomu je výpočetní část aplikace snadno přenositelná. Podrobný popis geometrických principů těchto výpočtů lze nalézt v [4], [5]
Výpočty na jednoduchých testovacích datech provádíme na 2-4 procesorech počítače Onyx2 (resp. Origin 2000), přitom výpočet jednoho rozcestí trvá zpravidla méně než 1 vteřinu. To je právě postačující rychlost pro interaktivní práci. Vzhledem k přenositelnosti MPI by neměl být problém tyto výpočty realizovat i na několika propojených pracovních stanicích nebo PC s procesory srovnatelného výkonu.
Vizualizační část využívá rozhraní OpenGL, tedy opět standard implementovaný na řadě platforem. Vzhledem ke značným nárokům aplikace na interaktivní grafiku je nutné i pro velmi jednoduché molekuly nasazení alespoň pracovní stanice středního grafického výkonu (např. SGI O2).
Popsaná aplikace je jedním z prvních publikovatelných výsledků dosažených v této oblasti komplexního projektu. Nutno přiznat, že se skutečně jedná o první, velmi pracovní verzi, cesta ke skutečnému využití této technologie uživateli-chemiky bude ještě dlouhá a komplikovaná. Uvažovat příliš konkrétně o podobě finálních výstupů projektu je tedy poněkud předčasné, uveďme alespoň základní představy:
Na zhodnocení, co vše se z těchto plánů podaří naplnit, bude ale třeba počkat až na závěrečnou zprávu grantu.
| [1] | Luděk Matyska. Nový přírůstek Superpočítačového centra při Masarykově
univerzitě.
Zpravodaj ÚVT MU, 1998, roč. 9, č. 1, s. 10-11.
... zpět do textu |
| [2] | J. Koča. Travelling through conformational space: an approach for
analyzing the conformational behaviour of flexible molecules.
Progress in Biophys. and Mol. Biol., 1998, 70, s. 137-173.
... zpět do textu |
| [3] | Aleš Křenek and Zdeněk Kabeláč. Studying conformational behaviour
with PHANToM device(s). In PHANToM Users
Research Symposium, Heidelberg, Germany, 1999, accepted.
... zpět do textu |
| [4] | Aleš Křenek. An algorithm on interpolating between two shapes of
molecule. In Proc. Spring Conference on Computer Graphics '97.
1997, s. 77-84.
... zpět do textu |
| [5] | Aleš Křenek. Smooth interpolation between molecular conformations.
J. Comp. Geom., 1999, submitted.
... zpět do textu |
| [6] | Marc Snir et al. MPI, the complete reference. MIT Press,
1996.
... zpět do textu |
| 1 | výkonem srovnatelný s prvním brněnským superpočítačem Grond
... zpět do textu |
předchozí článek
