Avec SHIVA, maillon de la chaîne de visualisation à haute performance DIGISCOPE, l’ENS Cachan ajoute à sa palette de ressources HPC avancées l’imagerie 3D à ultra haute définition. Comme l’expliquent les responsables du projet, les objectifs, autant que les applications scientifiques immédiates, ne manquent pas…

L’Ecole Normale Supérieure de Cachan s’est dotée d’un dispositif immersif 3D stéréoscopique nommé SHIVA, acronyme de SHared Interaction & Visualization Area. Il s’agit principalement d’une dalle murale en verre de 5,5 m de longueur par 2 m de hauteur. Deux projecteurs Full HD projettent par l’arrière une image 3D de 3335×1200 pixels offrant une vision stéréoscopique de grand confort par l’intermédiaire de lunettes 3D actives.

Le dispositif est également équipé d’un système de tracking infra-rouge permettant le plongement immersif et l’interaction au moyen de joysticks ou de capteurs installés sur le corps humain. L’ensemble est complété par un système de son spatialisé 7.1 et un multiplexeur de flux multimédia. Des travaux ont permis l’intégration de SHIVA dans l’une des grandes salles de l’ENS Cachan, servant autant pour les réunions institutionnelles de l’Ecole (Conseil d’Administration, Conseil scientifique) que de dispositif expérimental pour la Recherche et l’Enseignement.

SHIVA, équipement de DIGISCOPE

SHIVA est l’une des composantes du projet DIGISCOPE, Equipement d’Excellence du Programme Investissements d’Avenir (lauréat 2010, EquipEx ANR-EQPX-10-26-1), dont le porteur de projet est Michel Beaudoin Lafon, Professeur au LRI (Laboratoire de Recherche en Informatique), Université Paris-Sud Orsay. Doté de 6,7 M€, DIGISCOPE est un dispositif de moyens de visualisation et d’interaction installés sur plusieurs sites de l’Université Paris-Saclay : CEA, Ecole Centrale Paris, Ecole Normale Supérieure de Cachan, PCRI/INRIA, Maison de la Simulation, Télécom Paristech, Université Paris-Sud Orsay, Université de Versailles Saint-Quentin. DIGISCOPE a pour ambition de créer un réseau collaboratif d’équipements de visualisation volontairement hétérogènes. Chaque équipement a sa spécificité : C.A.V.E., grande surface d’affichage, grande résolution, interaction tactile/3D/haptique, son spatialisé. Il est aussi envisagé l’installation de moyens de télé-présence donnant ainsi l’impression aux utilisateurs distants d’être réunis dans une même salle de travail.

DIGISCOPE devrait être totalement déployé d’ici la fin 2015 et constituera une infrastructure étendue de visualisation unique au monde.

Au sein de l’ENS Cachan, SHIVA est un équipement propre de l’Institut FARMAN (Fédération de Recherche CNRS FR 3311), institut Fédératif regroupant cinq Laboratoires de l’Ecole autour de la modélisation, la simulation numérique et l’Ingénierie des systèmes complexes : Centre de Mathématiques et de leurs Applications CMLA UMR CNRS 8536, Laboratoire de Mécanique et Technologies LMT Cachan UMR CNRS 8535, Laboratoire de Spécifications et Vérification LSV UMR CNRS 8643, Laboratoire Universitaire de Recherche en Production Automatisée LURPA EA 1385, et Laboratoire des Systèmes Avancés et Technologies de l’Information et des Systèmes SATIE UMR CNRS 8029.

SHIVA, pour quoi faire ?

A l’époque de la miniaturisation des moyens d’information et de communication (smartphones, tablettes) dans un environnement de données distribuées et partagées (cloud), DIGISCOPE joue au contraire la carte des grandes surfaces de visualisation et des espaces immersifs. La montée en puissance du Big Data (grandes masses de données) notamment pour la découverte scientifique et technologique, l’extraction de connaissances, la prise de décision, la gestion des incertitudes ou les statistiques conduit forcément au besoin croissant de visualiser et d’interagir avec les données. Par exemple, il peut s’agir du besoin de représenter plusieurs vues du même objet pour se faire une opinion ou dégager un consensus, ou encore de représenter un “nuage” de différentes données du même type. Les “données” sont à prendre ici au sens large : données géographiques, temporelles, spatio-temporelles, paramétrées, graphes et relations, images IRM, images de tomographes, résultats de simulation numérique, modèles, informations sur les incertitudes, etc.

SHIVA, premiers cas d’utilisation

Cours et travaux pratiques de mise en œuvre de méthodes numériques

Il s’agit là d’un cas d’utilisation de SHIVA dans un contexte de formation. Des travaux pratiques (TP) de mise en œuvre de méthodes numériques pour la modélisation et la simulation vont nécessiter l’utilisation d’un ensemble de documents et outils tels que l’énoncé (au format pdf), un environnement de développement informatique (par exemple Matlab ou Scilab), un mode “command-line” pour la vérification de code, différents type de rendus graphiques de résultats, et l’utilisation d’un tableau blanc pour l’accompagnement du TP et les développements théoriques ou techniques.

Avec un équipement standard (tableau + vidéoprojecteur), on est très souvent limité par la taille d’affichage pour visualiser l’ensemble des outils et documents. Un mur d’image tel que SHIVA offre une surface étendue sur laquelle on peut arranger toutes les “vues” du TP. D’autres perspectives s’offrent évidemment à nous : l’utilisation par exemple d’une tablette avec stylet en guise de tableau blanc interactif visionné sur SHIVA. La possibilité aussi de pouvoir exporter les résultats de simulation des étudiants permet la comparaison des résultats directement sur le mur.

Visualisation de dynamiques conformationnelles de molécules

La visualisation 3D est essentielle pour la compréhension des structures et des fonctions des macromolécules biologiques. Les outils de visualisation (PyMol, VMD, Raster3D, PMV, Chimera) offrent de puissants moyens pour aborder cette analyse de systèmes biologiques complexes. Ils jouent un rôle de plus en plus important dans la manipulation et l’exploration intuitive d’objets biologiques à l’échelle moléculaire et atomique. Au sein de l’ENS Cachan, Luba Tchertanov, Directrice de Recherche CNRS et son équipe utilisent désormais ce mur pour leur recherche scientifique d’intérêt clinique. SHIVA offre l’opportunité d’études et de descriptions de cibles thérapeutiques à tous niveaux de granulation : atomique, moléculaire, assemblage, en mode statique ou dynamique, et est complémentaire à la compréhension de leurs fonctions à l’état physio-pathologique.

La visualisation 3D stéréoscopique telle qu’elle est présentée sur la plate-forme SHIVA, permet de s’interroger sur les interactions entre les protéines formant de grands ensembles moléculaires complexes ou d’une protéine avec la membrane biologique. La dynamique en 3D, permettant de percevoir les changements séquentiels d’images en fonction du temps, semble particulièrement adaptée pour étudier des changements de conformation globaux des bio-molécules, tels qu’ils sont observés en cours des simulations de dynamique moléculaire à grande échelle. La représentation de ces processus sans visualisation appropriée est plus complexe que la description d’un fantôme. SHIVA permet l’utilisation de différents niveaux de représentation : stéréoscopique, dynamique ou haptique.