ERK'2018, Portorož, 335-339 335

Vizualizacija trkov osnovnih delcevv fiziki visokih energij na spletu

Sebastien Strban, Ciril Bohak, Matija MaroltUniverza v Ljubljani

Fakulteta za racunalnistvo in informatikoE-posta: ss4774@student.uni-lj.si, {ciril.bohak, matija.marolt}@fri.uni-lj.si

Web-based visualization ofhigh-energy physics particle collisions

In this paper we present a visualization system for par-ticle collisions in high-energy physics. During the ex-periments in particle physics a large amount of data isacquired, used for event reconstruction. For better un-derstanding suitable visualization is needed. This posesa big challenge due to large amount of data, especiallywhen we want to achieve real-time interactive functional-ity. For wider accessibility we decided to implement thevisualization in web-based technologies. We developed avisualization system using WebGL, optimized for fast andefficient use with GPUs. We focused on minimization ofdraw calls and minimization of data transfer to the theGPU. This proofs as an efficient solution confirmed byperformance analysis of the developed system.

PovzetekV clanku predstavljamo sistem za vizualizacijo trkov del-cev v fiziki visokih energij. Pri eksperimentih v fiziki os-novnih delcev raziskovalci zajamejo ogromno kolicino po-datkov, na podlagi katerih poskusajo rekonstruirati do-gajanje. Za boljse razumevanje dogajanja je potrebnaustrezna vizualizacija, kar v primeru velike kolicine po-datkov predstavlja svojevrstni izziv. Se posebej v primeru,ko zelimo taksno kolicino podatkov vizualizirati v real-nem casu in z visoko stopnjo interaktivnosti. Zaradi zeljepo cim sirsi dostopnosti smo se odlocili za implementacijov spletnih tehnologijah. V ta namen smo razvili sistem zavizualizacijo opisanih eksperimentov v spletnem brskal-niku z uporabo tehnologije WebGL. Sistem je optimiziranza cim hitrejse in ucinkovitejse delovanje na graficnihprocesorskih enotah. Pri tem smo se osredotocili na mini-mizacijo klicev za izris, in minimizacijo prenosa podatkovna graficno kartico. To se je izkazalo za zelo ucinkovitoresitev, kar potrjuje performancna analiza razvitega sis-tema.

1 UvodVizualizacija predstavlja zelo pomembno vlogo v znano-sti. S primerno vizualizacijo omogocimo lazje razumeva-nje obravnavanega problema, spremljamo obnasanje do-locenega sistema, ali morda celo opazimo dolocene la-stnosti, ki iz surovih podatkov niso opazne. Predvsempomembna je vizualizacija na podrocju fizike, natancneje

pri opazovanju dogajanja v kvantni mehaniki, kjer stvaripostanejo hitro kontraintuitivne. Primerna vizualizacijaomogoci pravilnejse, natancneje in boljse razumevanjedelovanja tovrstnih sistemov in izpopolnjevanje znanstve-ne teorije.

Z napredkom v tehnologiji je vizualizacija postala zelopomembna pri trkih osnovnih delcev. Tovrstni eksperi-menti so nadzorovani z uporabo mnozice razlicnih detek-torjev prilagojenih za zaznavanje izbranih tipov delcev.Pri trkih delcev z visokimi energijami pride do razpada vse bolj osnovne delce, ki pa jih zelimo zaznati in zaradiboljsega razumevanja tudi vizualizirati.

Posamezni dogodek zajema trke okoli 50 parov del-cev, ki razpadejo na mnozico osnovnejsih delcev. Tisti,ki nosijo naboj se po trku pod vplivom mocnega ma-gnetnega polja odklonijo in zaidejo skozi mnozico detek-torjev, kjer se izmerijo njihove lastnosti, kot so polozaj,gibalna kolicina in energija. Taksen dogodek v ekspe-rimentu je predstavljen z mnozico tock v prostoru, kjerso bili delci zaznani in njihove izmerjene lastnosti v tehtockah. Za nadaljnje studije je potrebno rekonstruiratipoti vseh nastalih delcev, kar predstavlja zelo tezak pro-blem. Da pri rekonstrukciji lazje opredelimo pravilnostposamezne poti in morebitne napake (npr. zaradi priso-tnosti suma) potrebujemo primerno vizualizacijo.

Upodabljanje tovrstnih podatkov razdelimo na inte-raktivne vizualizacije podatkov dogodka (prikazi dogod-kov), vizualizacije statisticnih podatkov za namene ana-lize podatkov in prostorsko neodvisne vizualizacije po-datkov. Tovrstne vizualizacije so predstavljene v [2]. Za-jemajo resitve na namiznih napravah z uporabo vmesnikaOpenGL [6] in prenosnih napravah z uporabo vmesnikaWegbGL [4]. Primere statisticnih 2D in 3D vizualizacijpredstavlja spletno orodje JSRoot [1].

Vizualizacija taksnih eksperimentov lahko hitro po-stane problematicna zaradi velikega stevila elementov, seposebej kadar zelimo zagotoviti visoko stopnjo interak-tivnosti. Pri razvoju taksnega sistema zelimo razresitisledece izzive:

• intuitivna vizualizacija prikaza podatkov osnovnihdelcev in njihovih trajektorij v prostoru,

• realizacija platformno neodvisnega prikaza,

• visoka stopnja odzivnosti vizualizacije na interak-cijo in

336

• moznost uporabe na vsakdanjih (tudi mobilnih) sis-temih.

Cilj je izdelava sistema, ki omogoca interaktivno vi-zualizacijo geometrije eksperimenta in vizualizacijo do-godkov interakcije delcev s posameznim detektorjem, karpredstavlja veliko kolicine delcev znotraj razlicnih de-lov geometrije eksperimenta in rekonstruiranih trajektorijdelcev. Hkrati zelimo za posamezni delec intuitivno vi-zualizirati izbrane parametre. Z uporabo upodabljanja vbrskalniku (z uporabo WebGL-a) zelimo realizirati plat-formno neodvisni prikaz in zagotoviti moznost uporabena vsakdanjih sistemih.

Taksen sistem predstavimo v naslednjem poglavju 2.V poglavju 3 sistem analiziramo in ovrednotimo. V za-dnjem poglavju podamo tudi sklepne ugotovitve in moznaizhodisca z nadaljnje delo.

2 Sistem za vizualizacijo trkovRazviti sistem temelji na upodabljanju v spletnem brskal-niku z uporabo tehnologije [4]. Zaradi enostavnosti smouporabili programsko ogrodje Three.js [3], namenjeno upo-dabljanju interaktivnih 3D upodobitev v spletnih brskal-nikih v realnem casu in abstrahira nizkonivojske funkcio-nalnosti WebGL-a. Shema delovanja sistema je prikazanana sliki 1, v nadaljevanju pa je predstavljen posameznikorak.

Priprava podatkov

Detektorji Delci Trki Relacije

Transformacija Združevanje in priprava objektov

Optimizacija podatkov

Minimizacija klicev za izris Indeksiranje geometrije

Medpomnjena geometrija

Postopek upodabljanja Senčilniki

Three.js WebGL

Interakcija

Uporabniški vm

esnikScena

Slika 1: Na sliki je prikazana shema razvitega sistema.

2.1 Priprava podatkovPodatke o geometriji detektorjev in podatke o posame-znih dogodkih v eksperimentih, smo pridobili s strani iz-ziva TrackML1 objavljenega na spletiscu Kaggle. Podatkiso na voljo v pomoc pri resevanju omenjenega izziva, na-menjenega rekonstrukciji poti delcev razpisanega v letu2018 v CERN-u.

Podatki o geometriji detektorjev so na voljo kot atri-buti v datoteki tipa CSV, ki jih je potrebno pred uporabopretvoriti v primerno obliko za izris. Posamezni vnos vdatoteki prestavlja centroid modula posameznega detek-torja, ki jo moramo s primerno transformacijo, glede na

1https://www.kaggle.com/c/trackml-particle-identification

tip detektorja, razsiriti v pravokotni ali trapezoidni mo-dul primernih dimenzij in postaviti na ustrezen polozajv prostoru. Koncne detektorske module s primerno ori-entacijo in indeksacijo vozlisc shranimo v medpomnjenogeometrijo in za potrebe osvetlitve poracunamo normalev ogliscih.

Podatki o dogodkih eksperimenta znotraj detektorjevso prav tako zapisani datotekah tipa CSV. Posamezni do-godek zajema informacije o delcih ob trku znotraj detek-torja, informacije o vseh interakcijah delcev z detektorjiin informacije, ki povezujejo interakcije s posameznimidelci. Informacije povezemo in shranimo v obliki pri-merni za izris.

2.2 Optimizacija izrisaZ optimizacijo izrisa zagotovimo potrebi po visoki sto-pnji interaktivnosti vizualizacije in s tem moznosti upo-rabe na vsakdanjih sistemih.

2.2.1 Medpomnjena geometrijaZ namenom ucinkovite predstavitve geometrije (poligo-nov, crt ali tock) smo uporabili medpomnjeno geome-trijo, ki zahteva nizjenivojsko razumevanje, a omogocahitrejsi izris. Vsi atributi so shranjeni v medpomnilni-kih kar skrajsa cas prenosa podatkov na graficno kartico(GPE).

2.2.2 Indeksiranje geometrijeZa dodatno pohitritev smo za predstavitev geometrije de-tektorjev in trajektorij uporabili indeksirano obliko za-pisa. S tem zmanjsamo porabo pomnilnika kot tudi skraj-samo cas prenosa na GPE. Z uporabo indeksiranja naGPE omogocimo moznost uporabe predpomnjenja (PostTransform Cache). S tem omogocimo optimizacijo nadprekrivajocimi podatki na GPE.

2.2.3 Minimizacija klicev za izrisKer v opisu posameznega dogodka trka nastopa velikakolicina informacij (npr. 12263 delcev, 120939 trkov in10566 trajektorij), smo se pri optimizaciji najbolj osre-dotocili na minimizacijo klicev za izris (angl. draw calls),kar se je izkazalo za pomemben dejavnik in je razvidnoiz rezultatov v poglavju 3.

Geometrijo posameznih detektorjev upodobimo z upo-rabo trikotniskih primitivov, ki za skupke treh vozlisc ce-lotne geometrije priredi trikotnike. To nam omogoca, dacelotno geometrijo posameznega detektorja upodobimo zenim klicem za izris.

Podatke vseh delcev v zacetnih polozajih in polozajedetekcij trkov upodobimo kot tocke. Na ta nacin upodo-bimo celotno mnozico zacetnih polozajev delcev in vsedetekcije trkov vsako z enim klicem za izris.

Posamezno trajektorijo razdelimo na segmente daljic(slika 2). Segmente daljic vseh trajektorij shranimo kotskupno geometrijo v medpomnilniku na nacin, ki namomogoca locevanje med trajektorijami, obenem pa pove-zuje daljice iste trajektorije (slika 3). Ker se vozlisca zno-traj trajektorije podvajajo (glej sliko 3), izvedemo ze prejomenjeno indeksiranje geometrije, pri cemer obdrzimo

337

v1 v2v3

v4

v1 v2v2

v3

v3

v4

Slika 2: Na sliki je prikazana zgradba posamezne trajektorije izposameznih daljic.

relacije daljic v posameznih trajektorijah. S tem prido-bimo se dodatno pohitritev. Mnozico vseh trajektorij upo-

v11 v12 v13 v14 v21 v22 v23

I11 I12 I12 I13 I13 I14 I21 I22 I22 I23 . . .

Slika 3: Slika prikazuje indeksiranje geometrije trajektorij.

dobimo kot verigo crt. Na ta nacin lahko vse trajektorijeupodobimo zgolj z enim klicem za izris.

S predstavljenimi pristopi omogocimo izris z mini-malnim stevilom klicev za izris in zagotovimo visoko sto-pnjo neodvisnega delovanja GPE (analiza v poglavju 3).

2.3 ScenaZa namene intuitivne vizualizacije smo za prikaz celo-tnega eksperimenta upodobili sceno, ki zajema:

• geometrijo eksperimenta z detektorji,

• zacetne polozaje delcev,

• zaznane trke delcev z detektorji in

• rekonstruirane trajektorije.

Po sceni navigiramo z uporabo miske in tipkovnice. Obje-kti so osvetljeni s sestimi lucmi, postavljenimi na ploskvenavidezne omejevalne kocke.

2.3.1 DetektorjiOsvetljevanje geometrije detektorja izracunamo z upo-rabo Lambertovega modela osvetljevanja2, sencenje paizvedemo z Gouraudovo tehniko sencenja3.

Ker se posamezni detektorji v prostoru prekrivajo, smoprosojnost simulirali tako, da jih najprej izrisujemo odzunanjih proti notranjim brez testa globine. S tem omo-gocimo prosojen pogled skozi detektorje iz sredisca nav-zven. Ker smo test globine pri tem onemogocili, so detek-torji izrisani v obratnem vrstnem redu. Zato v drugem ko-raku detektorje izrisemo se obratno (od notranjega protizunanjemu) s testom globine. S tem omogocimo se pro-sojen pogled v notranjost, zagotovimo pa pravilen izrisgeometrije glede na globino.

2https://en.wikipedia.org/wiki/Lambertian_reflectance

3https://en.wikipedia.org/wiki/Gouraud_shading

2.3.2 DelciSencenje delcev smo izvedli z nadzorom nad velikostjo,barvo in prosojnostjo. Pri tem lahko barvo dolocimo gledena atribut gibalne kolicine delca ali pa priredimo enotnobarvo vsem delcem. Velikost upodobljenih tock, s kate-rimi ponazorimo delce izracunamo glede na oddaljenostod kamere. Tako delce, ki so blizje kameri izrisemo vecjekot bolj oddaljene. V primeru, da smo v sceni izbralidolocen element dogodka za opazovanje, to dodatno po-udarimo s spremembo velikosti tocke delca, barve in pro-sojnosti.

2.3.3 TrkiTudi sencenje zaznanih trkov delcev smo izvedli z nadzo-rom nad velikostjo, barvo in prosojnostjo. Barvo dolocimoglede na tip detektorja, kjer je bil delec zaznan, ali pa pri-redimo enotno barvo. Za boljso predstavo razporeditvepolozajev detekcij izrisujemo tiste, ki so blizje kameri zvecjimi tockami. Izbiro elementa dogodka v sceni pouda-rimo s spremembo velikosti tocke ki ponazarja trk, barvein prosojnosti.

2.3.4 TrajektorijeSencenje rekonstruiranih trajektorij smo realizirali z nad-zorom nad barvo in prosojnostjo. Barvo dolocimo gledena atribut gibalne kolicine v delu trajektorije ali pa pri-redimo enotno barvo. Zaradi velikega stevila trajektorijsmo pri sencenju trajektorij barvo in prosojnost dodatnoutezili glede na stevilo vseh trajektorij in oddaljenostjood kamere. Pri izbiri trajektorije le-to poudarimo s spre-membo debeline, barve in prosojnosti crt.

Pri spremembi debeline trajektorije smo testirali na-slednje resitve: metodo WebGL API-ja glLineWidth -kjer z lineWidth() dolocimo sirino rasteriziranih li-nij. Ta pristop ni podprt na vseh platformah in ne bi za-dostili cilju platformne neodvisnosti.

enakomerno porazdeljene tocke - kjer poskusamo li-nijo simulirati z enakomerno porazdeljenimi tockami. Pritem pristopu, glede na velikost tocke in dolzino posame-znega segmenta trajektorije, izracunamo polozaje tock zazapolnitev prostora med dvema vozliscema in s tem po-nazorimo linijo. To se je izkazalo za izvedljiv pristop,vendar pa take linije niso zvezne v vseh primerih.

izris s trakom trikotnikov - kjer krajisci vsake linijerazdelimo na pare tock in jih pravokotno odmaknemo vsmeri normale za zeleno debelino (slika 4). Pri tem upo-stevamo polozaj kamere in dimenzije platna. Dobljenetrakove nato izrisemo. To je tudi koncna uporabljenaresitev.

v1

v2

Slika 4: Ponazoritev izracuna debeline za posamezni segmenttrajektorije.

338

2.4 Uporabniski vmesnikZa lazjo interakcijo smo implementirali uporabniski vme-snik z uporabo knjiznice dat.GUI4.

Ob zagonu sistema se v sceni prikaze geometrija de-tektorja in uporabniski vmesnik. Premikamo se lahkoz orbitalno kamero. Uporabniski vmesnik nam ponujanastavitve posameznih atributov (rezalne ravnine, vidlji-vost, barva, prosojnost, velikost, tip obarvanja), prikazadetektorjev, delcev, njihovih trkov z detektorji in rekon-struiranih trajektorij. Posamezni dogodek za opazovanjelahko izberemo iz prikazanega seznama. Ob izbiri do-godka se v sceno nalozi delce, trke in trajektorije.

Ker je elementov veliko, smo implementirali moznostiskanja preko identifikacijske stevilke. Za opazovanje la-hko izberemo dolocen trk ali trajektorijo delca, pri cemerse kamera postavi ob izbrani element. V primeru izbiretrajektorije se kamera postopoma pomakne med zacetnoin koncno vozlisce trajektorije (odmaknjeno v smeri nor-male) ter se usmeri v njen centroid. Ob izbiri trka se ka-mera postopoma pomakne med sredisce sistema in trk terse vanj usmeri.

Z namenom pomoci tekmovalcem CERN-ovega iz-ziva TrackML smo dodali tudi moznost nalaganja lastnegadogodka eksperimenta, ki ga lahko primerjamo s katerimizmed izbranih. Na tem mestu smo implementirali funk-cionalnost, ki ob izbiri trajektorije priredi seznam najboljpodobnih trajektorij glede na centroid in stevilo segmen-tov.

3 Analiza in rezultatiKoncni izgled razvitega sistema je prikazan na sliki 5, kiprikazuje primer upodobitve enega dogodka trka.

Slika 5: Primer upodobitve fizikalnega dogodka trka delcev znasim sistemom.

Sistem smo testirali na napravi z 2-jedrnim proce-sorjem Intel Core i7 4510U pri taktu 2.00 GHz, 8 GBglavnega pomnilnika in graficno kartico AMD RadeonR7 M260. Pri testiranju smo v sceno nalozili isti dogo-dek trka delcev, ob tem pa smo kamero pri vseh testihpostavili v enak zacetni polozaj. Merjenje smo izvedlina vzorcu 10.000 casov upodabljanja, katere smo pov-precnici za koncni rezultat.

4https://github.com/dataarts/dat.gui

3.1 Pohitritev sistemaTestirali smo celotno pohitritev nasega sistema v primer-javi z izhodiscnim sistemom (slika 6 (a)). Primerjali smocas upodabljanja obeh sistemov v odvisnosti od dimen-zije platna. Iz testa je razvidno, da skozi spremembodimenzije nas sistem upodablja v krajsem casu kot iz-hodiscni. To nam omogoca visoko interaktivnost in moznost,da lahko vizualizacijo dodatno nadgradimo (npr. imple-mentiramo obojestransko prosojnost detektorjev za boljsopreglednost).

3.2 Indeksiranje trajektorijTestirali smo doprinos indeksiranja trajektorij, rezultatiso prikazani na sliki 6 (b). Merili smo doprinos upo-rabe indeksiranja geometrije trajektorij nasega sistema vodvisnosti od njihovega stevila. Razvidno je, da se do-prinos veca s stevilom prisotnih trajektorij, kar je tudipricakovano.

854

1024

1280

1366

1600

1920

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08

izhodiščni sistem optimiziran sistem

čas upodabljanja [s]

reso

luci

ja [p

x x

px]

1

2

3

4

5

6

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

brez indeksiranja z indeksiranjem

čas upodabljanja [s]

štev

ilo tr

ajek

torij

[n *

104 ]

x

x

x

x

x

x

480

576

720

768

900

1080

(a) (b)

Slika 6: (a) pohitritev sistema, (b) cas upodabljanja trajektorij.

4 Zakljucek in nadaljnje deloPoleg omenjenega sistema zelimo analizirati in upora-biti se hibridni nacin upodabljanja z uporabo platformeMed3D5 [5], ki omogoca odlozeno upodabljanje. S temnacinom upodabljanja pricakujemo, da se bo izkazal za sebolj ucinkovito in hitrejse predvsem zaradi pospesenegaizracuna osvetlitve, kot tudi moznosti zdruzevanja razli-cnih nacinov izrisa.

5 ZahvalaZa sodelovanje se zahvaljujemo clanom skupine za vizu-alizacijo pri organizaciji CERN in posameznih fizikalniheksperimentih (ATLAS, CMS in Alice).

Literatura[1] Theo Beffart, Maximilian Fruh, Christoph Haas, Sachin Rajgo-

pal, Jonas Schwabe, Christoph Wolff, and Marek Szuba. RootJS:Node.js Bindings for ROOT 6. CoRR, abs/1704.07887, 2017.

[2] Matthew Bellis, Riccardo Maria Bianchi, Sebastien Binet, Ciril Bo-hak, Benjamin Couturier, Hadrien Grasland, Oliver Gutsche, Ser-gey Linev, Alex Martyniuk, Thomas McCauley, Edward Moyse,Alja Mrak Tadel, Mark Neubauer, Jeremi Niedziela, Leo Piilonen,Jim Pivarski, Martin Ritter, Tai Sakuma, Matevz Tadel, Barthelemyvon Haller, Ilija Vukotic, and Ben Waugh. Hep software foundationcommunity white paper working group – visualization, 2018.

[3] Brian Danchilla. Three.js Framework, pages 173–203. Apress,Berkeley, CA, 2012.

5https://github.com/UL-FRI-LGM/Med3D

339

[4] Dean Jackson and Jeff Gilbert. Webgl specification. Technicalreport, The Khronos Group Inc., 2015.

[5] Primoz Lavric, Ciril Bohak, and Matija Marolt. Spletno vizuali-zacijsko ogrodje z moznostjo oddaljenega sodelovanja. In Zbornikpetindvajsete mednarodne Elektrotehniske in racunalniske konfe-rence ERK 2016, 19. - 21. september 2016, Portoroz, Slovenija,pages 43–46, 2016.

[6] Mark Segal and Kurt Akeley. The OpenGL Graphics System: ASpecification (Version 3.1). Technical report, The Khronos GroupInc., March 2009.