3d | Dr. Goulu

Sculptures et science

Thu, 16 Sep 2010 00:00:00 +0000

Art et sciences peuvent faire bon ménage, comme le montrent trois sculpteurs repérés sur le web ces derniers temps.

est une artiste américaine qui produit de nombreux objets directement inspirés d’objets , ou . Il utilise l’ en métal ou en , ce qui lui permet de vendre ses œuvres à des prix très abordables. Mais je crois que je vais craquer plutôt pour un cristal gravé au laser comme celui-ci, qui représente le champ magnétique terrestre :

"Geodynamo" en cristal, de Bathsheba

A noter aussi ses “ ” dont on peut télécharger les modèles 3D.

Dans un autre style, Francis Tabary est un illusionniste français qui réalise d’étonnantes “ ” comme celle-ci:

"Trident" en aluminium éclairé par des leds, de Francis Tabary

Cest la photo d’un objet bien réel, vous pouvez le mettre dans votre salon, mais peut-être qu’il faut le regarder sous un certain angle pour que l’impossibilité apparaisse dans toute sa splendeur…

Dans cette autre oeuvre, il faut que l’éclairage soit bien dirigé et qu’il n’y ait pas de courant d’air, mais le résultat est saisissant :

Enfin, , qui fait des choses très colorées en bois, dont le lien avec la science ne saute pas forcément aux yeux :

"Warm Winter" de Nathalie Miebach

Son idée est de représenter des données numériques par des perles de couleur et des vecteurs matérialisés par des bâtonnets. Dans la sculpture ci-dessus, elle a pris les données météo mesurées pendant un mois par les bouées de Herring Cove, dans le golfe du Maine. Il y a les températures de l’air, du sol et de l’eau, la direction et la vitesse du vent ainsi que les marées et la phase de la Lune.

Ca change des plots x-y, et je trouve que Nathalie arrive bien à traduire à la fois le rythme et le chaos de la nature dans son œuvre. Il faut aller jusqu’à New-York pour voir ses œuvres, pour l’instant.

Atlas Digital de l'Univers

Sun, 20 Dec 2009 00:00:00 +0000

le a produit “L’Univers Connu”, une sorte de remake des “ ” mais dans lequel la position des étoiles et des galaxies correspond aux mesures actuelles:

En prime, ils offrent l’ utilisé pour cette réalisation avec le logiciel de visualisation “PartiView” au , ce qui vous permet d’explorer l’Univers connu sur votre propre ordinateur et de réaliser votre propre voyage intersidéral dans une qualité graphique assez spectaculaire.

est un visualiseur de données développé par le NCSA et distribué en open source. Outre l’Atlas Digital, il est utilisé dans de nombreux travaux scientifiques en astrophysique comme qui montre la trajectoire des étoiles proches du

Trajectoires des étoiles proches du centre galactique. Cliquez pour comparer aux observations

Sur la page de PartiView, on trouve de nombreuses données astronomiques et textures de planètes qui en font un planétarium très complet et puissant, quoique moins facile d’emploi que ou par exemple.

source :

Les ponts sur Google Earth

Thu, 19 Mar 2009 00:00:00 +0000

Google organise un ouvert aux étudiants de presque* tous pays. Il s’agit de réaliser le modèle d’un pont existant avec et de le placer correctement sur la carte du monde pour qu’il apparaisse dans .

Il existe déjà une modélisés en 3D accessibles dans . Grâce à une carte, on peut facilement repérer les ponts les plus proches de chez soi et les observer un à un, mais on peut aussi en visiter quelques uns rapidement en téléchargeant ce .

le pont Lodemann, près du centre sportif de Hannover

Remarquez un défaut difficilement évitable : en dessous des ponts, on distingue leur photo prise depuis le satellite …

Le concours est ouvert jusqu’au 15 juin. La préférence sera donnée aux modèles avec peu de polygones et beaucoup de textures, alors ne vous lancez pas tête baissée dans une structure triangulée : il vaut mieux avoir de bonnes photos. Si vous cherchez de l’inspiration, je suggère le , je crois pouvoir obtenir quelques plans…

*Note : “Residents of Iran, Sudan, Cuba, Syria, North Korea, Myanmar (Burma), Quebec, Brazil, and Italy”. Si vous savez pourquoi, posez un petit commentaire svp…

Superordinateurs de table

Fri, 13 Mar 2009 00:00:00 +0000

Depuis de nombreuses années, les sont formés de très nombreux processeurs calculant en parallèle. Le record actuel est tenu par le qui comprend 6'948 Opteron bicœurs et 12'960 processeurs d’IBM, contenant chacun (" Unit", SPU).

Combien ?

“Roadrunner” peut effectuer 1 , soit un million de milliards d’opérations arithmétiques par seconde et vaut des millions d’euros. Vous pouvez aujourd’hui assez facilement disposer dans votre PC du millième de cette puissance pour quelques centaines d’euros seulement.

En effet, les “GPU” récents sont formés de centaines d’ assez semblables aux 8 SPU du Cell. Initialement dédiés à la génération d’images réalistes en 3D temps réel et limités au calcul en virgule fixe, les GPU sont devenus capables d’exécuter certains programmes en virgule flottante beaucoup plus rapidement que sur les processeurs classiques : c’est le calcul générique sur GPU ( ).

La offrent désormais une puissance de l’ordre du teraflops, soit 200x plus que . D’ailleurs nVidia commercialise désormais ses derniers processeurs sur des dédiées au calcul, et dépourvues de sortie video, un comble pour des processeurs graphiques !

ça ressemple à de la pub, mais ça n’en est pas (hélas)

Ainsi, la science peut bénéficier de processeurs puissants à des prix très bas grâce aux et de PC familiaux.

Simulation d’écoulement d’un fluide par la méthode “Lattice Bolzmann” exécutée simultanément sur le CPU et sur le GPU…

Comment ?

La limite beaucoup le gain de performances obtenu en répartissant un programme existant sur plusieurs processeurs ( ). Dans un GPU, les centaines de processeurs travaillant en parallèle ne sont réellement efficaces que s’lorsqu’ils effectuent tous les mêmes opérations sur des données différentes ( ).

Pour exploiter la puissance des GPU il faut donc re-coder bon nombre d’algorithmes et de méthodes numériques en se basant sur une bonne connaissance de l’architecture des GPU, et en utilisant des langages de programmation spécifiques. nVidia a pris une longueur d’avance dès 2007 en proposant , une extension du langage C et son compilateur pour les GPU de marque nVidia exclusivement. ATI/AMD a suivi fin 2008 en lançant , une variante du langage , lui même dérivé du C par l’Université de Stanford. Mais Stream ne fonctionne que sur les GPU d’AMD/ATI, évidemment.

Là dessus, des entreprises comme ont développé des plate-formes de développement permettant de compiler le même programme C++ pour CPU classiques, GPU nVidia ou ATI/AMD et aussi pour les de “Roadrunner” et des consoles PlayStation 3 de Sony.

Apple a annoncé une nouvelle étape avec , une autre variante de C qui devrait être supportée par son prochain système d’exploitation OS X 10.6 “Snow Leopard” cette année. Microsoft suivra probablement avec quelque chose d’équivalent intégré au Direct X 11 qui accompagnera Windows Seven (si tout va bien…)

Resté bien silencieux sur le sujet des GPU, intel prépare sa revanche en 2010 avec son processeur , qui contiendra quelques dizaines de coeurs de ses processeurs classiques x86, et donc sera en principe capable d’exécuter simultanément un grand nombre de programmes habituels, tout en offrant une puissance suffisante pour générer des images en 3D également.

Pour quoi ?

" le PowerXcell 8i s’adresse avant tout aux scientifiques et au marché des consoles". Cette merveilleuse s’applique également aux GPU : le marché porteur est celui des jeux video, toujours plus gourmands en qualité d’image et d’animation de scènes 3D complexes, mais aussi en capacité de simulation de phénomènes physiques. On veut de plus en plus de réalisme des chutes, collisions, explosions.

un dinosaure s’effondre… : illustration du chapitre de GPU Gems 3 consacré à la simulation physique. Cliquez sur l’image pour accéder au texte

Jusqu’ici les jeux intégraient la mécanique des corps rigides, mais désormais les cheveux et les habits de nos héros virtuels suivent leurs mouvements, car il est possible de simuler la déformation élastique et la rupture. La prochaine étape est de , on y est presque.

Or les méthodes nécessaires à ces applications ludiques sont très semblables à celles permettant de prévoir la météo, de simuler des galaxies ou de déterminer les propriétés de molécules chimiques, entre autres.

Parmi les 200 applications listées sur la , bon nombre sont des et d’algèbre linéaire pouvant être appliquées dans de nombreux domaines, comme par exemple qui nécessite d’effectuer chaque milliseconde un produit scalaire d’une matrice 3000 x 6000 par le vecteur des 6000 mesures pour obtenir les 3000 commandes ( )

Les logiciels scientifiques usuels commencent à tirer parti de ces librairies de façon quasiment transparente:

pour Matlab, il existe déjà un et le l’environnement
LabView dispose d’un suport “multicore” intégrant Cuda, utilisé dans le projet
(lien mis à jour le 13.3.12)
Python, mon langage préféré du moment, peut aussi accéder à la puissance de Cuda grâce à (faut que j’essaie ça asap!)

Et bien d’autres applications spécifiques comme:

, une librairie de utilisée dans les de qui accélère les calculs jusqu’à 700x par rapport à un processeur normal.
Différents solveurs en .
Des logiciels de , appliqués à l’imagerie médicale ou au marché de la sécurité. Même l’encodage de films peut désormais profiter de la puissance des GPU : , écrit spécialement pour GPU va extrêmement vite mais le résultat est d’une qualité inférieure à celui de qui va de 2 à 5 fois plus vite lorsque Cuda est activé.

Quel que soit votre utilisation de l’ordinateur, souvenez-vous de faire bien attention au GPU qui équipera votre prochaine machine : ce sera lui qui fera de votre machine un superordinateur de table.

Liens:

le site de référence de mon gourou sur ce sujet, JegX
Damien Triolet, “ ”, sur hardware.fr 2 Mars 2007

Surfaces implicites

Wed, 04 Feb 2009 00:00:00 +0000

Les surfaces “explicites” sont faciles à représenter graphiquement : de nombreux logiciels sont capables d’évaluer des fonctions du type {x,y,z}=f(u,v) en balayant les paramètres u et v pour obtenir très rapidement de nombreux points de la surface, et les ordinateurs actuels disposent de cartes graphiques pouvant afficher le résultat sous n’importe quel angle en temps réel ( )

Surface de Boy (explicite) tracée par 3D-XplorMath. Les courbes noires correspondent à la paramétrisation {u,v}

Mais de nombreuses surfaces mathématiques ne peuvent pas être définies explicitement. La formulation la plus générale des surfaces, f(x,y,z)=0, est “implicite” : il faut chercher quels sont les points de l’espace à 3 dimensions appartiennent à la surface, puis “lisser” la représentation graphique de cet ensemble de points, ce qui est loin d’être simple. En fait c’est toujours un

Jusqu’à récemment, seuls les logiciels de maths comme Maple ou permettaient de représenter des surfaces implicites, mais l’esthétique n’était pas au rendez vous. Mais il existe désormais des logiciels gratuits produisant de magnifiques rendus de surfaces implicites obtenus par lancer de rayons (ray tracing).

Le plus avancé est “ ”, développé l’an passé en Allemagne, pays où 2008 fut décrété “année des mathématiques”. L’ présentait des par des artistes ou par les participants à un .

"Tülle", par Herwig Hauser, produit avec le logiciel Surfer

Surfer est disponible pour Windows et pour Linux (avec code source C++), mais aussi sous forme d’une .

est un logiciel plus ancien dont j’ai déjà parlé . Depuis sa récente version 10, il peut également représenter des surfaces implicites et il existe également une

Sextique de Barth faite avec 3X-XplorMath. Cette surface comporte de nombreuse singularités et est d’autant plus difficile à représenter.

Noeuds et surfaces de Seifert

Mon, 02 Feb 2009 00:00:00 +0000

Le noeud le plus simple que l’on puisse imaginer est la “ ”, et si l’on rejoint les deux bouts de la ficelle nouée, on obtient le “trêfle” ci-contre, un être mathématique étudié par la , une branche de la topologie aussi intéressante qu’esthétique.

Le logiciel permet d’explorer ce monde étonnant et de représenter en 3D des noeuds très complexes, comme celui ci-contre. KnotPlot est cependant complexe à utiliser, aussi son auteur a-t-il créé également un catalogue de noeuds “simples” que l’on peut visualiser en 3D de manière interactive. L’applet Java de KnotZoo permet aussi de visualiser des et de télécharger les modèles 3D des noeuds au format .OBJ

Pour certains noeuds comme notre “demi clé”, on peut créer une surface délimitée par la corde, un peu comme si on la trempait amidonnée dans de l’eau savonneuse pour créer une pellicule. Dans certains cas cette surface n’a qu’une face, comme un . Mais est-ce possible pour tous les noeuds ?

surface de Moebius	surface de Seifert
surface de Seifert	surface de Seifert

En 1934 le mathématicien allemand Herbert Seifert montra comment créer une surface à deux faces pour n’importe quel noeud. Ce résultat permet de caractériser un noeud à l’aide de sa qui peut être déformée selon les lois de la topologie.

Pour explorer cet univers surprenant, le logiciel est très simple d’emploi et ne demande aucune installation. Il permet aussi d’explorer les , un domaine connexe aux noeuds.

Bathsheba, un sculpteur réalise même de basées sur les surfaces de Seifert

Référence

Dimensions

Sun, 05 Oct 2008 00:00:00 +0000

" " est un film sur la géométrie et en particulier sur la notion clé de dimension.

Diffusé sous licence “Creative Commons” et donc disponible gratuitement, vous pouvez soit le soit le regarder directement .

“ ” est divisé en 9 chapitres permettant d’aborder progressivement des notions de plus en plus avancées.

Ca avec la cartographie et la notion de projection : comment représenter la sphère terrestre sur un plan
On avec Escher, artiste géomètre ( ) et , qui permet d’illustrer la notion de dimension supérieure en décrivant ce que verraient des êtres à 2 dimensions si un objet à 3 dimensions traversait leur univers.
Les chapitres 3 et 4 présentent la 4ème dimension d’une façon plus complète et mieux illustrée que . J’y ai surtout appris l’existence d’un illustre compatriote de plus : et découvert la puissance insoupçonnée de la projection stéréographique.
Les nombres complexes font l’objet des , peu intéressants si vous maitrisez déjà le sujet. Dans ce cas sautez au milieu du chapitre 6 ou on présente les transformations, puis la “dynamique holomorphe” qui donne naissance aux célèbres fractales de Julia et Mandelbrot, entre autres.
Les présentent quelques notions de topologie, dont la fibration de Hopf. Là par contre, le contenu est très dense, il faudra que je revoie ce sujet au ralenti pour pouvoir prétendre avoir tout compris… Heureusement, j’ai pu me raccrocher aux et aux
Le est un peu particulier : il traite de la preuve en mathématiques et démontre de façon illustrée mais rigoureuse la propriété essentielle de la projection stéréographique : elle transforme un cercle tracé sur la sphère, qui ne passe pas par le pôle nord en un cercle tracé dans le plan tangent au pôle sud.

“ ” est un film très instructif et bien fait, à voir pour réviser vos bases de géométrie ou pour les développer un peu.

Si on jouait à plier des protéines ?

Wed, 21 May 2008 00:00:00 +0000

Si vous aimez les casse-tête et les jeux bien fichus, dépêchez-vous d’essayer . C’est génial, 100% gratuit et ça peut rapporter gros. Il s’agit de déformer une molécule affichée en 3D à l’écran pour qu’elle prenne une forme bien compacte :

Après quelques molécules simples où on vous explique le principe et les diverses manipulations possibles, vous pourrez commencer à affronter les autres joueurs pour tenter d’obtenir le meilleur score sur des molécules de plus en plus complexes. Le jeu est très prenant et devient progressivement très difficile.

Exemple : situation de départ et d’arrivée du Pro Peptide no 48

De plus, jouer à ce jeu est utile à la science. En effet l’étude de la géométrie des protéines et de leur “pliage” en différentes formes est la clé de la compréhension des plusieurs maladies et de la conception de nouveaux médicaments. Mais cette étude demande des puissances de calcul colossales pour simuler les mouvements et déformations possibles. Outre des fonctionnant sur ce sujet, il existe plusieurs projets de comme auquel vous pouvez contribuer en installant sur votre ordinateur un programme qui va faire quelque chose d’utile pendant que vous ne l’utilisez pas.

FoldIt va plus loin en : l’être humain est capable de “voir” en 3D et d’ “imaginer” des solutions beaucoup plus facilement qu’un ordinateur, qui lui est bon pour calculer et simuler. L’idée derrière FoldIt est donc que des humains assistés et interconnectés pourraient arriver à plier “pour le plaisir” des protéines qui ont un intérêt scientifique à être étudiées en détail. .

Alors, Erika et les millions d’autres, par pitié arrêtez de jouer au Solitaire de Windows et ne perdez plus votre temps quand vous voulez passer le temps : jouez à FoldIt !

Si vous devenez accro, rejoignez le groupe de l’ , j’y suis.

source : Rémi Sussan “ ” sur internet actu

Galaxie Spirale et Séquence Principale

Fri, 08 Feb 2008 00:00:00 +0000

Suite à , je m’étais lancé dans la réalisation d’une en temps réel basée sur .

L’idée était principalement d’illustrer le fait que les bras spiraux des galaxies ne tournent pas : se sont des “ondes de pression” dans lesquels la densité d’étoiles est plus élevée qu’ailleurs en raison du fait que les étoiles suivent “en moyenne” des orbites elliptiques décalées, comme illustré sur le graphique ci-contre, où les spirales apparaissent clairement.

Je viens de réaliser une nouvelle version de cette simulation que vous pouvez et exécuter sur votre propre PC (doté d’une carte 3D décente) pour voir 15'000 étoiles tourner devant vos yeux ébahis:

A noter qu’à ma connaissance c’est la seule simulation de Galaxie en temps réel qui révèle les bras spiraux. Ceci est possible car on ne simule pas la physique de la gravitation, mais seulement la géométrie en résultant.

Vie et mort des étoiles

Dans cette nouvelle version , j’ai commencé à implanter un autre phénomène fascinant : le cycle de vie des étoiles. Comme expliqué dans , les étoiles naissent au rythme d’une par jour (!) dans la Voie Lactée, principalement dans les bras spiraux. Puis elles vieillissent et meurent (une par jour aussi !) après n’avoir effectué que quelques tours de la Galaxie. Pour visualiser ceci “à l’échelle” dans ma simulation, j’ai fait le calcul suivant :

ma galaxie contient environ 10^6 x moins d’étoiles qu’une galaxie spirale réelle (je veux un processeur 10'000'000 de fois plus puissant !)
mais elle tourne environ 10^13 x plus vite
donc les étoiles de ma simulation doivent naitre et mourir 10^(13-6) soit 10'000'000 x plus souvent qu’une fois par jour, ce qui fait 116 x par seconde !

La séquence principale

La vie des étoiles se déroule de gauche à droite dans le diagramme ci-dessous:

Les étoiles supergéantes ( ) naissent bleues. Après une vie brève passée à briller 10'000x plus que le Soleil, elles deviennent rouges et meurent brutalement en , brillant comme des millions de soleils pendant quelques heures et laissant une étoile à neutrons, un voire un au centre d’une

Les étoiles naines restent toute leur longue vie bleues/blanches et jaunissent en s’éteignant lentement. 10'000x moins lumineuses que le Soleil, elles deviennent des naines brunes pratiquement invisibles.

La plupart des étoiles, dont le Soleil, suivent la “séquence principale” : elles naissent bleues et lumineuses, et meurent rouges, tout en devenant 1 milliard de fois moins lumineuses qu’au début.

Dans mon programme, je considère pour l’instant que toutes les étoiles suivent la séquence principale. Je simule le vieillissement en regroupant les étoiles en 6 étapes de la séquence. Il y a aussi une étape 0 “nébuleuse” qui correspond au gaz qui forme une étoile jeune et qui résulte de la mort de l’étoile vieille, ce qui permet de définir un cycle. Pour des raisons techniques et pour correspondre à la réalité, le nombre d’étoiles à chaque étape doit rester le même. La simulation permute donc 7 “étoiles” choisies au hasard dans chacune des étapes : une nébuleuse prise au hasard devient une bleue de type O5, une bleue O5 prise au hasard devient BO et ainsi de suite jusqu’à une étoile de type M0 prise au hasard, qui meurt pour donner une nébuleuse.

Ainsi les étoiles vieillissent, mais pas toutes à la même vitesse, ce qui est conforme à la réalité.

Prochaines étapes:

rendre les transitions de couleur plus douces
faire naître les étoiles dans les bras spiraux : c’est là que ça se passe en réalité car les nébuleuses y sont “comprimées”
simuler la trajectoire des étoiles du noyau galactique en 3D. permettre de varier la taille du noyau pour faire des galaxies elliptiques
trouver comment faire des galaxies spirales “barrées”

Références

Livres rares en 3D

Tue, 29 Jan 2008 00:00:00 +0000

La British Library vient de mettre à disposition une quinzaine d’ .

Grâce à des technologies Web récentes de Microsoft, donc après que vous ayez acheté Vista ou téléchargé quelques mises à jour de quelques dizaines de mégas chacune comme .Net 3.0, WPF et Silverlight, vous pourrez tourner les pages du Codex de Léonard de Vinci, (surprise, ça marche même sous Firefox…). La fenêtre ressemble à ça :

En cliquant sur les pages, elles tournent une à une en 3D, comme du vrai papier, c’est très beau. On peut zoomer sur les pages scannées en haute résolution, ou utiliser une loupe, comme sur mon exemple d’une vaine tentative de déchiffrer la célèbre écriture miroir de Léonard.

Informations sur la technologie utilisée .

Bugman blogifié

Sat, 12 Jan 2008 00:00:00 +0000

Depuis longtemps je suis un fan du , un incroyable ramassis de choses épatantes sur des sujets comme la physique, les maths, les fractales et les papillons, le tout illustré par de magnifiques images et animations faites avec et principalement.

Le seul problème est que ce site était devenu affreusement lourd, à la fois graphiquement et par la taille des énormes pages sur lesquelles on frisait l’indigestion à la première visite et on ne retrouvait plus rien à la seconde…

Je me suis donc mis à “forcer la main” de Paul en lui créant un qui lui a beaucoup plu, et sur lequel je vais l’aider à migrer tout son passionnant contenu.

Abonnez-vous à pour suivre toutes les choses merveilleuses qui vont être (re) publiées sur le blog deBugman, vous ne le regretterez pas !

Quelques exemples accessibles via les jolis gif animés ci dessous :

La Recherche en Simulation Physique

Mon, 10 Dec 2007 00:00:00 +0000

est chercheur et professeur à Stanford et regorge de vidéos extraordinaires sur ses sujets de recherche en simulation physique et 3D, qui donnent une petite idée de ce qui sera possible de faire en temps réel dans quelques années (ou mois).

Une de ses spécialités est l’interaction de solides, de fluides et de gaz, comme par exemple dans sa “réaction chimique” :

Il y a également plusieurs exemples spectaculaires de , comme le phare :

Une impressionnante liste de publications au format .pdf ou .ps est disponible au bas de la page pour tous les détails mathématiques …

Anamorphoses de Julian Beever

Sat, 08 Dec 2007 00:00:00 +0000

est le maitre incontesté de l’anamorphose de rue. Il dessine à la craie sur les trottoirs des choses comme ça :

Rien de bien spécial, sauf si on le regarde d’un point précis, et de là on voit ceci:

Remarquez l’artiste jouant au golf au pôle nord, causant une illusion d’optique spectaculaire !

Et voilà les oeuvres que je préfère, présentées grâce à

\[slideshow id=792633534426062334&w=426&h=320\]

La montée en puissance des GPUs

Fri, 02 Nov 2007 00:00:00 +0000

Dans les ordinateurs vendus depuis 2003 environ, le microprocesseur (CPU) fourni par Intel ou AMD n’est plus le composant le plus puissant, et souvent plus le plus couteux non plus. Désormais c’est le GPU, le Graphics Processing Unit, qui détermine largement la puissance d’un PC. Strictement limités au graphisme il y a peu, ces processeurs sont désormais capables d’effectuer certains calculs nettement plus vite que les processeurs classiques. Actuellement, la puissance de calcul du G80 de nVidia est 5 à 6 fois supérieure à celle du Core 2 Duo d’Intel, voire plus (1, 2).

puissance de calcul des GPU et CPU ( )

Conséquence immédiate :

Si vous achetez un ordinateur pour y faire fonctionner les applications les plus exigeantes, c’est-à-dire les jeux vidéo, il faut faire plus attention au choix du GPU qu’au CPU. Vous ne gagnerez que quelques pourcents de performance avec un CPU plus rapide qui vous coûtera quelques centaines de francs, alors que la même somme investie dans une carte graphique basée sur un GPU plus récent ou puissant peut doubler le nombre d’images / seconde (fps) de vos applications favorites.

Un peu d’architecture des processeurs

Cette situation est la conséquence de cahiers des charges différents assignés aux deux composants:

le CPU est “généraliste” : il doit être capable d’exécuter plusieurs programmes différents quasi simultanément, de réagir aux actions de l’utilisateur et de gérer les nombreux périphériques de l’ordinateur, fonctionnant à des vitesses différentes
le GPU est historiquement spécialisé : sa tâche est de produire des images à une cadence régulière, ce qu’il peut faire en exécutant le même programme simple sur des données différentes, correspondant par exemple à des objets 3D distincts ou à des portions distinctes de l’écran.

Ceci a conduit à des architectures différentes pour les deux types de processeurs :

les CPU comportent aujourd’hui 2 ou 4 “coeurs” complexes accédant aux données à travers une grande mémoire cache, le tout synchronisé par une importante logique de contrôle
Sur la même surface de silicium, un GPU moderne contient jusqu’à 128 unités de calcul simples, mais très peu de mémoire cache et de logique de contrôle.

architecture des GPU et CPU ( )

Cette différence d’architecture fait qu’il n’est pas possible d’exécuter sur le GPU un programme “classique”, écrit pour le CPU car:

les unités de calcul (ALU) du GPU sont individuellement moins puissantes qu’un coeur de CPU.
Un GPU est un processeur SIMD, ou “Single Instruction Multiple Data” : toutes les ALU d’un GPU doivent exécuter le même programme en même temps, alors que chaque coeur de CPU peut exécuter des programmes distincts de façon asynchrone (MIMD)
les échanges de données entre les ALU de GPU sont beaucoup plus limités qu’entre des coeurs de CPU
la structure “pipeline” des GPU fait que leurs performances sonttrès dégradées dès qu’il y a des tests dans le programme. Il faut programmer les GPU sans “if … then .. " !

La principale conséquence de ces différences hardware est que les langages de programmation usuels ne sont pas adaptés à la programmation des GPU. Des langages spécifiques ont été définis, initialement pour la programmation des “shaders”, programmes réalisant tous les effets graphiques des cartes modernes. Mais ces langages permettent aussi la “programmation générale des GPU” (ou ), dont j’ai déjà parlé , , et :

nVidia a défini le langage comme “C pour graphiques”
ATI a plutôt soutenu le standard défini par le standard
Microsoft a encore une fois grandement contribué aux progrès de l’humanité en dotant son système maison Direct3D d’un langage de shader dont l’innovation essentielle consiste à changer une lettre au standard . C’est HLSL. (Non, pas de lien pour eux, z’avez qu’à chercher.)
nVidia a par contre fait un réel pas en avant en proposant son système qui permet de développer directement ses GPU haut de gamme en C “classique” , à l’aide de librairies spécifiques.

Perspectives

Du point de vue matériel, les processeurs du futur combineront sans doute les avantages respectifs des GPU et des CPU. Voici la stratégie probable des principaux acteurs du marché :

Après le rachat d’ATI, AMD a tout en main pour combiner les deux types de processeurs de façon optimale
intel, dont les GPUs ont des performances lamentables, essaie de multiplier le nombre de coeurs de ses CPU tout en s’inspirant de certaines techniques des GPU
nVidia va logiquement tenter de généraliser ses GPU pour leur permettre d’exécuter du code de CPU
On l’oublie souvent, mais le processeur d’IBM développé en collaboration avec Toshiba et Sony pour la Playstation 3 est probablement le précurseur de cette nouvelle génération de processeurs.

Du point de vue logiciel, deux tendances s’affrontent:

la définition de langages spécifiques comme GLSL, ou prenant en compte explicitement le parallélisme à la manière des librairies de multithreading existantes
le développement de compilateurs capables de générer du code GPU optimisé à partir de sources en langages classiques, à la manière de CUDA

Il est probable que dans un premier temps les langages comme GLSL jouent le rôle d’ “assembleur des GPU” utilisé pour la création de librairies, que des applications en C utiliseront de manière transparente.

Sources:

Damien Triolet “ ”, BeHardware, March 21, 2007
Jean Etienne, “ ”, Futura-Sciences, 31 octobre 2007

Las Vegas / Genève : 3D à 2

Sun, 14 Oct 2007 00:00:00 +0000

Réalité augmentée

Wed, 30 May 2007 00:00:00 +0000

Christophe me parlait déjà de “réalité augmentée” à la fin du siècle passé: il superposait en temps réel des indicateurs graphiques sur une image vidéo d’un mécanisme en mouvement, permettant ainsi de réaliser des expérience de .

Depuis, la technologie a un peu évolué et permet d’intégrer des images 3D en temps réel dans une vidéo. On trouve plein d’exemples spectaculaires en cherchant comme:

Les startups européennes ont l’air assez avancées dans ce domaine (les américaines traveillent peut-être pour les militaires…) :

est allemande, et a l’air liée à Dassault Systèmes. Leur démo d’encyclopédie est spectaculaire:
La française vise la télévision avec leur produit D’Fusion. Leur démo pour le SIGGRAPH 2007 vaut la peine:

il y a plusieurs exemples d’émissions de télé démontrant leur technologie
La québecoise dont les semble viser plutôt la visualisation scientifique

GPUs et Physique

Sat, 19 May 2007 00:00:00 +0000

Dans votre ordinateur, il y a un CPU (Central Processing Unit) de chez Intel ou AMD communément appelé “processeur”, et un GPU (Graphics Processing Unit) de chez nVidia ou ATI. Il n’y a pas si longtemps, le GPU était un circuit “fermé”, non programmable par le commun des mortels, entièrement dédié à la production de belles images sur votre écran. Depuis quelques années, ces circuits sont devenus programmables pour permettre de produire de très beaux effets graphiques, et leur puissance à augmenté, augmenté… A tel point qu’aujourd’hui, votre GPU contient probablement plus de transistors que votre CPU, et est certainement capable de résoudre certains problèmes plus rapidement !

Alors qu’un CPU a maintenant 2 coeurs capables d’exécuter chacun quelques dizaines de tâches complexes en (quasi-) parallèle, un GPU peut exécuter un petit programme appelé “shader” pour chaque point de l’écran (presque) en même temps, soit traiter des milliers de données (presque) simultanément. Pour autant qu’un problème puisse être ramené à celui de petits points “intelligents” qui ne parlent et écoutent que leurs voisins immédiats, le GPU va le résoudre bien plus vite que le CPU.

Quelques exemples:

la , déjà mentionné dans l’article sur , mais on reste dans le monde de l’inutile beauté des mathématiques.
, déjà mentionné qui combine la fonction principale d’une carte graphique, représenter une scène en 3D, avec des calculs relativistes nécessitant 4 dimensions grâce au fait que les GPU traitent 4 composantes de couleur RGBA (Rouge, Gert, Bleu, trAnspArent)
Et là je viens de tomber sur plusieurs références expliquant comment simuler la gravitation entre N corps avec un GPU, ce qui permet de simuler une mini galaxie de 8192 étoiles beaucoup plus vite qu’avec un CPU:
- Mark Harris “Mapping Computational Concepts to GPUs”, nVidia ( )
- Francisco Chinchilla, Todd Gamblin, Morten Sommervoll “Parallel N-Body Simulation using GPUs ( )
- L. Nyland, M. Harris, and J. Prins, “N-body simulations on a GPU,” in Proc of the ACM Workshop on General-Purpose Computation on Graphics Processors, 2004.
- Tsuyoshi Hamada, Toshiaki Iitaka, “The Chamomile Scheme: An Optimized Algorithm for N-body simulations on Programmable Graphics Processing Units” , 2007 ( )

Pour rester au courant sur ce sujet, suivre le site de référence (General-Purpose Computation Using Graphics Hardware)

Tout ceci et la récente fusion d’AMD (CPU) et d’ATI (GPU) fait penser que les prochains processeurs combineront peut-être les avantages respectifs des CPU et des GPU. Peut-être en coupant la poire en deux en faisant beaucoup de coeurs simples, comme dans le “Cell” d’IBM qui trône dans les PlayStation 3 ? Il faudra encore apprendre à programmer ce genre de puces pour en tirer toute la puissance…

Relativité en temps réel

Wed, 02 May 2007 00:00:00 +0000

Un de mes vieux rêve est en train de se concrétiser : il devient possible de simuler des effets relativistes en temps réel, et donc d’ d’Albert.

Deux équipes sont bien avancées dans ce domaine :

a fait un vélo relativiste permettant de se promener dans les rues d’une ville ou la lumière se déplacerait à 30km/h au lieu de 300'000 km/s. Cette installation était à l’exposition Einstein de Berne en 2005, mais hors service quand j’y étais :-(
L’équipe australienne de Craig S. Savage a repris le flambeau de et a réalisé le “ ”, le premier simulateur relativiste pour PC. Il se manipule comme n’importe quel jeu video en 3D, mais utilise le processeur de la carte graphique (GPU) pour calculer les effets de la relativité (ça a l’air d’intéresser ..)

Hyperion 3D

Sun, 25 Mar 2007 00:00:00 +0000

est une entreprise genevoise en création qui va “faire très fort”.

Son produit “ ” est une version “professionnelle et facile à utiliser” des moteurs 3D utilisés dans les jeux pour faire du rendu et de l’animation en temps réel.

Par “professionnelle”, il faut comprendre qu’ vise le réalisme et la qualité d’image pour la visualisation de produits industriels ou de constructions.

Exemple de rendu en temps réel obtenu avec Hyperion !

est “facile à utiliser” car toute la scène à représenter, les informations d’éclairage, de matière (texture) , l’interactivité, les effets visuels spéciaux et bien d’autres choses sont décrites dans un seul fichier XML, éditable avec un éditeur de texte comme par exemple.

Un peu de démo

En pratique, vous pouvez télécharger “Hyperion Demo-System Free” (gratuit pour utilisation privée) , l’installer puis aller à la pour télécharger quelques exemples de réalisations.

Mes préférés sont :

, qui n’est pas encore en ligne, mais que j’ai eu l’occasion de voir chez Hypergraphics-3D. Franchement bluffant : au chargement j’ai vu l’image ci-dessus et cru qu’il s’agissait d’une image fixe produite par rendu, et tout à coup tout s’est mis à tourner, fluide, avec ombres et réflexions. Magnifique!
et pour les application “architecturales”, montrant le rendu des éclairages
qui visualise un objet transparent et les effets optiques qu’il provoque
, qui n’est pas de la 3D mais illustre un point important que je développe un peu plus bas.

Un peu de sous

Hyperion est très bon marché : gratuit pour utilisation individuelle, €149 (~ Frs 240.-) pour l’édition “indie” permettant déjà une utilisation commerciale et €749 (~1200.-) pour l’édition professionnelle, qui offre une résolution illimitée du rendu.

Franchement ça vaut le coup, et Hypergraphics-3D a besoin d’un coup de main pour démarrer. Je ne fais pas souvent de pub mais là je le dis : !

Un peu de technique

Il y a d’autres moyens de visualiser des produits ou projets en 3D “temps réel”, mais ils entrent tous dans 2 catégories:

les visualisateurs de fichers 3D comme ont une interactivité limitée car prédéfinie : on ne peut que cacher certains éléments. D’autre part, visant le travail collaboratif, ils réduisent la taille des fichiers au minimum au détriment de la qualité du rendu.
les “moteurs 3D” comme , qui sont fait pour être intégrés dans un programme spécifique développé par l’utilisateur. En pratique, cette approche est utilisée dans tous les jeux video

combine un moteur 3D performant avec un interpréteur XML et le langage de script qui permet. Cette approche permet de combiner les avantages respectifs des 2 catégories ci dessus:

une scène complète peut être décrite par un fichier XML,
en conservant tous la souplesse permise par un langage de programmation.

La puissance unique de cette combinaison apparait lorsqu’on s’intéresse aux “ ”. Ces mini-programmes s’exécutent dans le GPU de la carte graphique et permettent de calculer le rendu précis de la matière ou de réaliser des effets spéciaux divers.

Habituellement, il faut les programmer puis les compiler à l’aide d’outils spéciaux, ce qui réserve leur usage aux jeux, démos de cartes graphiques et autres applications pointues comme le . Hyperion permet d’intégrer directement les shaders au niveau du fichier XML de description de scène, ce qui donne accès à toute la puissance des cartes graphiques depuis un programme “de haut niveau”.

La démo d’Hypérion montre ceci de façon spectaculaire : elle utilise le GPU de la carte graphique et non le CPU de votre PC pour réaliser une quantité énorme de calculs : chaque pixel de l’écran est calculé par son propre “shader”, dont le code peut être consulté directement dans le fichier XML !

“Stay Tuned”. Je vais recauser d’Hyperion très bientôt.