Proposition de thèse : Rendu adaptatif de systèmes moléculaires complexes


Adaptive rendering of complex molecular systems

L’ED SISMI propose le sujet de thèse suivant :

Intitulé du sujet : Rendu adaptatif de systèmes moléculaires complexes

Ce projet serait sous la direction de Stéphane Mérillou du laboratoire XLIM à l’Université de Limoges

Co-directeurs renseignés : /

Les financement sont : non acquis

Le début de la thèse est prévu pour : 09/2021

Mots clés du sujet : Informatique graphique, synthèse d’images, rendu, visualisation scientifique, systèmes moléculaires complexe

Présentation du sujet : L’étude de systèmes moléculaires, par exemple pour la conception de nouveaux médicaments, s’appuie de plus en plus sur la visualisation informatique des molécules mises en jeu, dans le but de faciliter l’analyse et la compréhension de leurs mécanismes d’actions. Parallèlement, la recherche en informatique graphique et en rendu a connu un essor considérable ces dernières années, en tirant partie des évolutions technologiques.
Dans ce projet, nous souhaitons exploiter les connaissances issues de la recherche en synthèse d’images, initialement développées dans le cadre du cinéma et du jeu vidéo, afin de développer de nouveaux algorithmes spécifiquement dédies à la visualisation de molécules.

Objectifs : L’objectif de ces travaux est double : d’une part, nous souhaitons augmenter les performances des méthodes de rendu, que ce soit en termes de temps de calcul ou de mémoire utilisée ; d’autre part, nous souhaitons faciliter l’analyse des simulations par les experts en biochimie, en augmentant le confort d’utilisation des logiciels tout en améliorant la perception générale de la scène. Pour cela, nous devrons concevoir de nouveaux algorithmes et structures de données dédies à ce type de rendu en s’appuyant à la fois sur les configurations géométriques et topologiques des molécules à étudier, ainsi que sur leurs caractéristiques biochimiques. L’idée est de proposer des processus automatiques permettant une visualisation interactive des simulations tout en aidant l’expert à mettre en évidence les propriétés du système qu’il souhaite appréhender.

Description du sujet : Dans cette thèse, nous proposons de développer de nouvelles méthodes dans une double optique : d’une part pour permettre la visualisation de simulations plus complexes dans des temps raisonnables (éventuellement interactif), d’autre part pour faciliter l’analyse des experts. Nous envisageons en premier lieu le sujet en deux parties.
1. Structures de données. Les molécules possèdent des caractéristiques particulières dont nous souhaitons tirer avantage pour créer des structures de données dédiées. Ces travaux pourraient s’inscrire à la fois dans un contexte temps-réel, pour l’analyse interactive de simulation, ou offline, pour la production d’illustrations de haute qualité.
D’un point de vue géométrique, une molécule est uniquement décrite par la position de ses atomes et/ou de leur rayon. D’un point de vue topologique, le voisinage entre les atomes est connu car défini par les liaisons covalentes. Ces liens entre atomes constituent des rotors dont les mouvements sont difficiles à prédire de façon globale mais restent localement limités dans l’espace. Enfin, les propriétés physico-chimiques d’une molécule influencent directement sur sa configuration géométrique. Par exemple, dans une protéine, les atomes sont rassemblés en résidus formant des clusters spatiaux naturels.
La prise en compte de ces caractéristiques doit permettre l’élaboration d’heuristiques efficaces pour guider la construction de structures de données spécifiquement adaptées, améliorant ainsi les performances de visualisation. Il sera alors possible d’exploiter une telle structure pour la génération et le rendu de surfaces exclues au solvant.
2. Surface exclue au solvant (SES). Un autre objectif de recherche consiste à étudier la possibilité de générer la SES à la volée, pendant le rendu. L’idée est d’opérer en espace écran afin de considérer uniquement les atomes visibles depuis le point de vue et ainsi réduire le coût de génération de la surface. Le principal défi sera donc de concevoir une structure de données adaptée, permettant une recherche de voisinage efficace.
Une telle méthode peut être combinée avec une génération par niveaux de détails, adaptant la qualité de la construction à la distance du point de vue de l’utilisateur. En effet, lorsque que la molécule est assez loin du point de vue, il est possible de calculer la surface moins précisément sans pour autant dégrader la visualisation.

Compétences acquises à l’issue de la thèse : Algorithmes de modélisation et de rendu – programmation GPU

Présentation de l’équipe d’accueil : Au sein du laboratoire XLIM, la spécialité́ principale de l’équipe SIR réside dans les techniques de rendu réaliste en synthèse d’images. Une nouvelle thématique de l’équipe consiste en le développement de méthodes de rendu pour l’aide au diagnostic et la visualisation de données biomédicales.

Compétences souhaitées pour les candidats : Informatique, Synthèse d’images, éventuellement bio-informatique

Pour plus d’informations et pour candidater, merci de contacter :

Date de dépôt : 04/08/2021 à  15 h 22 min




ED SISMI