Nieuw 3D / VR interactieve omgeving voor MD simulaties, visualisatie en analyse
Summary
A new computational system featuring GPU-accelerated molecular dynamics simulation and 3D/VR visualization, analysis and manipulation of nanostructures has been implemented, representing a novel approach to advance materials research and promote innovative investigation and alternative methods to learn about material structures with dimensions invisible to the human eye.
Abstract
De toenemende ontwikkeling van de informatica (hardware en software) in de laatste decennia heeft wetenschappelijk onderzoek beïnvloed op vele gebieden, waaronder materiaalkunde, biologie, scheikunde en natuurkunde onder vele anderen. Een nieuwe computationele systeem voor de accurate en snelle simulatie en 3D / VR visualisatie van nanostructuren wordt hier gepresenteerd, met behulp van de open-source moleculaire dynamica (MD) computerprogramma LAMMPS. Deze alternatieve rekenmethode gebruikt moderne grafische processors, NVIDIA CUDA technologie en gespecialiseerde wetenschappelijke codes om verwerkingssnelheid barrières gemeen met de traditionele rekenmethoden te overwinnen. In combinatie met een virtual reality systeem gemodelleerd om materialen, deze uitbreiding kan een extra versnelde MD simulatie vermogen. De motivatie is om een nieuwe onderzoeksomgeving die tegelijkertijd maakt visualisatie, simulatie, modellering en analyse. Het onderzoek doel is om de structuur en eigenschappen van anorganische n onderzoekenanostructures (bijvoorbeeld silica glas nanosprings) onder verschillende omstandigheden met behulp van deze innovatieve computationele systeem. De gepresenteerde werk schetst een beschrijving van de 3D / VR Visualisatie Systeem en basiscomponenten, een overzicht van belangrijke overwegingen zoals de fysieke omgeving, details over de installatie en gebruik van het nieuwe systeem, een algemene procedure voor de versnelde MD enhancement, technische informatie en relevante opmerkingen. De impact van dit werk is de creatie van een uniek computationele systeem combineren nanoschaal materialen simulatie, visualisatie en interactiviteit in een virtuele omgeving, die zowel een onderzoek en onderwijs instrument op UC Merced.
Introduction
Materiaalkunde is een interdisciplinair vakgebied dat de structuur-eigenschap relaties onderzoekt in kwestie voor de toepassing daarvan op vele gebieden van wetenschap en techniek. Als structuur-eigenschap relaties worden onderzocht door middel van computersimulaties in aanvulling op experimenten, computationele hulpmiddelen bieden aanvullende functies die onderzoeksinspanningen kunnen verbeteren. Terwijl nanomaterialen van belang zijn voor wetenschappers en hebben verlossende waarde voor hun mogelijke maatschappelijke impact, dit regime grootte is beladen met vele uitdagingen vinden vooral in experimenten.
Computersimulaties kunnen wetenschappers en ingenieurs om gespecialiseerde tests uit te voeren in een grote verscheidenheid van omgevingen alleen beperkt door tijd en computationele resources. Moleculaire dynamica (MD) simulaties kan de juiste tijd en de lengte schalen om de verschijnselen van belang te onderzoeken in veel nanomaterialen. Simulaties uit te breiden het onderzoek van materialen door het verwijderen van de beperkingen van de tHij fysieke laboratorium, maar veel computationele hulpmiddelen ontbreekt toegankelijk, intuïtieve interfaces voor onderzoek. Enhancement met de grafische weergave van de modellen, efficiënte computationele algoritmen, en grafische verwerkingseenheid (GPU) based computing aanvulling van de huidige simulatie inspanningen. Deze nieuwe grafische toestellen combineren met centrale verwerkingseenheden efficiënt om wiskundig intensieve berekeningen worden uitgevoerd door de GPU. Het resultaat is een efficiënte versnelling van berekening in de orde van 10x gepaard met een vermindering van het energieverbruik tot 20x.
Het doel van dit onderzoek was het ontwikkelen en implementeren van een nieuw instrument voor nanowetenschap onderzoek dat rechtstreeks verbindt een interactieve interface om MD simulaties, materiaalkunde analyse en 3D-visualisatie. Dit innovatieve systeem met unieke en krachtige analysemogelijkheden is gebruikt voor nanoschaal onderzoek en onderwijs aan de UC Merced, met rechtstreekse gevolgen voor andere rel ated STEM gebieden zoals nanotechnologie, natuurkunde, biologie en geologie, en het uiteindelijke voordeel voor het onderwijs en de samenleving.
De 3D / VR Visualisatie Systeem werd geïmplementeerd als zowel een onderzoek en onderwijs instrument dat creatie en manipulatie van atomaire structuren in een interactieve 3D virtual reality (VR) omgeving stelt. Het systeem is ontstaan uit een reeks van relatief goedkope en toegankelijke onderdelen volgens het model oorspronkelijk ontwikkeld door Dr. Oliver Kreylos bij UC Davis 1.
Hieronder is een foto van het uiteindelijke 3D / VR Visualisatie Systeem lay-out, met belangrijke componenten gelabeld (Figuur 1). Dit systeem werd oorspronkelijk opgericht voor educatieve doeleinden op UC Merced in 2009. De uitvoering van de oorspronkelijke 3D / VR-systeem resulteerde in peer-reviewed publicaties 2-3. Tabel 1 hieronder geeft een overzicht van de belangrijkste kenmerken voor elk element van de 3D / VR Visualisatie Systeem.
ntent "fo: keep-together.within-page =" always ">
Figuur 1. 3D / VR Visualisatie Systeem en de belangrijkste componenten (links) in het Davila Research Laboratory van UCM en visualisatie-apparaten (rechts). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
| Item | Bestanddeel | Functionaliteit in Systeem |
| Een | 3D TV | 3D-weergave van gemodelleerde moleculaire structuren en on-screen menu's. |
| B | Infrarood (IR) volgend camera 4 | IR camera spoor posities van de Wiimote en het kijken naar 3D bril in het user workspace voor 3D-televisie, waardoor virTual 3D manipulatie van weergegeven structuren. |
| C | Tracking PC | Loopt IR camera tracking software en stuurt Wiimote en 3D goggle posities te modelleren computer. |
| D | Wiimote | Gebruikt voor het on-screen beheer van modeling software en om structuren te manipuleren in 3D virtuele omgeving. |
| E | 3D bril 5 | Gesynchroniseerd met 3D TV IR-signaal, zodat de 3D-weergave van de structuur. Positie gevolgd door IR camera voor nauwkeurige 3D-weergave. |
| F | Modellering PC | Loopt NCK / VRUI 3D-modellering en weergave software 6, aanvaardt goggle / Wiimote positie en stuursignalen om nauwkeurige 3D moleculaire structuur weergave maken. |
Tabel 1. Functionaliteit van de belangrijkste elementen van de 3D / VR Visualisatie Systeem bij UCM.
Description van 3D / VR Visualisatie Systeem en basiscomponenten:
3D / VR Visualisatie Systeem Overzicht – De 3D / VR Visualisatie Systeem bestaat uit een set van IR camera's en tracking software werkt in combinatie met 3D modeling software waarmee een gebruiker interactief 3D-moleculaire structuren. De IR-camera's en software volgen de 3D-locatie van een Wiimote en 3D-weergave bril met IR-markers, en geven deze aan de modeling software. De modeling software maakt gebruik van de Wiimote stuursignalen en beweging naar 3D moleculaire structuren te genereren kan worden weergegeven met de combinatie van een 3D-capable grootformaat televisie met gesynchroniseerde en bijgehouden 3D bril. Dit resulteert in een 3D virtual reality werkgebied waarbinnen de gebruiker dynamisch maken en manipuleren virtuele moleculaire structuren die echte fysieke gedrag weergeven op basis van interatomaire krachten die in het model software (figuur 2). Speciale Considerations voor het opzetten van dit systeem is te vinden in aanvullende materialen.
Figuur 2. Het onderzoeken van silica nanomaterialen gebruik van de 3D / VR Visualisatie Systeem. (A) Een onderzoeker creëert een initieel cristobalite model (kristallijne) voordat GPU-gebaseerde simulaties. (B) Bij het uitvoeren van een gesimuleerde MD smelt-demping procedure van het model getoond in (a), een andere onderzoeker krijgt een silica glas model (niet-kristallijne). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
3D / VR Visualisatie System Enhancement – MD Simulatie Capability:
Moleculaire dynamica simulatie systemen worden vaak in een geïmplementeerdmeerdere knooppunten mode, dat wil zeggen een grote belasting wordt verdeeld of geparalleliseerd over tientallen tot duizenden processors. Onlangs, extra mogelijkheden voor versnelde wetenschappelijke berekeningen zijn ontstaan uit de ontwikkelingen in computer graphics processing. Deze voorschotten zijn een software-interface waarmee wetenschappers om te profiteren van de sterk parallelle aard van de verwerkingskracht intrinsiek aan grafische chips. Met de komst van de Compute Unified Device Architecture of CUDA 7, kunnen wetenschappers GPU 8 om de snelheid waarmee problemen worden opgelost en tegelijkertijd de kosten van infrastructuur te stimuleren. Een typische GPU kan het equivalent van honderden tot duizenden kernen of "nodes" voor de verwerking van informatie, en deze kunnen elk parallel worden gebruikt, kan een goed gecodeerd oplossing bieden tot doorvoer versnelling tegen de meeraderige tegenhanger 1000x . Hoewel niet elk probleem is zeer geschikt voor deze aanpak, zijn huidige MD simulaties up zien tot 15x doorvoercapaciteit krijgt 9. Details over de 3D / VR visualisatie systeem MD-GPU verbetering is te vinden in aanvullende materialen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritische elementen in de succesvolle installatie en het gebruik van de 3D / VR Visualisatie Systeem worden gedetailleerd beschreven in de fysieke omgeving en de Overwegingen van het Ontwerp en bijzondere overwegingen in aanvullende materialen. Belangrijke overwegingen bij installatie onder andere 3D-weergave hoogte voor comfortabel langdurig staand of zittend gebruik, gemaximaliseerd bijhouden camera gemonteerd hoogte om een grote 3D-werkgebied, stabiele bijhouden camera en…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We wish to gratefully acknowledge the original inspiration and extensive support provided to us toward the creation of this system from Dr. Oliver Kreylos of the UC Davis Institute for Data Analysis and Visualization. His advice and assistance were instrumental to our success.
We also wish to thank the NSF BRIGE program for providing funding for this project. This material is based upon work supported by the National Science Foundation under Grant No. 1032653.
Materials
| Samsung 61" 3D-capable high definition DLP TV | Samsung | http://www.samsung.com/us/video/tvs | See Protocol Section 3 (Step 3.2) (Large format 3D-capable TV) |
| Alienware Area51 750i modeling computer | Alienware | http://www.alienware.com | See Protocol Section 1 (Step 1.1) (Modeling computer) |
| HP EliteBook 8530w tracking computer | HP | http://www.hp.com | See Protocol Section 2 (Step 2.3) (Tracking computer) |
| V100:R2 IR tracking cameras (3) | Naturalpoint | http://www.naturalpoint.com/optitrack/products/v100-r2/ | See Protocol Section 2 (Step 2.1) and Reference [4] (Tracking cameras) |
| OptiTrack Tracking Tools IR tracking software | Naturalpoint | http://www.naturalpoint.com/optitrack/software/ | See Protocol Section 2 (Step 2.3) and Reference [4] (Tracking software) |
| 3D Goggles and 3D TV IR sync emitter | Ilixco | http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html | See Protocol Section 3 (Step 3.2) and Reference [5] (3D goggles) |
| Wiimote 3D controller | Nintendo | http://www.nintendo.com/wii | See Protocol Section 3 (Step 3.2) (Wiimote) |
| VRUI, NCK and associated 3D/VR modeling software | Open source software | http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html | See Protocol Section 1 (Step 1.3) and References [1,6] (VRUI, NCK) |
| LAMMPS molecular dynamics software | Open source software | http://lammps.sandia.gov/ | See Protocol Section 5 (Step 5.2) and Reference [12] (LAMMPS) |
| NanospringCarver program code and files | UC Merced – open source | http://tinyurl.com/qame8dj | See Protocol Section 5 (Step 5.4) and References [16-17] (NanospringCarver) |
| MATLAB GUI files | UC Merced – open source | http://tinyurl.com/qame8dj | See Protocol Section 5 (Step 5.4) and References [16-17] (NanospringCarver) |
| Atomistic bulk glass input file | UC Merced – open source | http://tinyurl.com/qame8dj | See Protocol Section 5 (Step 5.4) and References [16-17] (NanospringCarver) |
Riferimenti
- Doblack, B. N., Flores, C., Matlock, T., Dávila, L. P. The emergence of immersive low-cost 3D virtual reality environments for interactive learning in materials science and engineering. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1320, (2011).
- Flores, C., Matlock, T., Dávila, L. P. Enhancing materials research through innovative 3D environments and interactive manuals for data visualization and analysis. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1472, (2012).
- . 3D goggle source. , (2013).
- . “3D/VR Visualization System – Startup and Shutdown Protocol” and “3D/VR Visualization System – CNT Modeling Example” documents Available from: https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/3d-vr-visualization-system-dissemination-of-research-results-and-products (2013)
- . MDCASK molecular dynamics code Available from: https://asc.llnl.gov/computing_resources/purple/archive/benchmarks/mdcask (2013)
- Feuston, B. P., Garofalini, S. H. Empirical three-body potential for vitreous silica. J. Chem. Phys. 89 (9), 5818-5824 (1988).
- Dávila, L. P., et al. Transformations in the medium-range order of fused silica under high pressure. Phys. Rev. Lett. 91 (20), 2055011-2055014 (2003).
- Doblack, B. N. . The structure and properties of silica glass nanostructures using novel computational systems. , (2013).
- Meagher, K. A., Doblack, B. N., Ramirez, M., Dávila, L. P. Scalable nanohelices for predictive studies and enhanced 3D visualization. J. Vis. Exp. In-Press, .
- . University of California Television (UCTV). Our Digital Life series: The Future: Teaching and Life-Saving Tools episode. , (2013).
