Novel 3D / VR interaktivt miljø for MD Simuleringer, visualisering og 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

Den økende utviklingen av databehandling (maskinvare og programvare) i de siste tiårene har påvirket vitenskapelig forskning på mange områder, inkludert materialvitenskap, biologi, kjemi og fysikk blant mange andre. Et nytt beregningssystem for nøyaktig og rask simulering og 3D / VR visualisering av nanostrukturer er presentert her, ved hjelp av open-source molekyldynamikk (MD) dataprogram LAMMPS. Denne alternative beregningsmetoden bruker moderne grafikkprosessorer, NVIDIA CUDA-teknologi og spesialiserte vitenskapelige koder for å overvinne behandling hastighet barrierer felles for tradisjonelle beregningsmetoder. I forbindelse med en virtuell virkelighet system som brukes til å modellere materialer, gir dette ekstra tillegg av akselerert MD simulering evne. Motivasjonen er å tilveiebringe en ny forsknings miljø som samtidig tillater visualisering, simulering, modellering og analyse. Forskningen har som mål å undersøke struktur og egenskaper av uorganisk nanostructures (f.eks silika glass nanosprings) under ulike forhold ved hjelp av dette innovative beregningssystemet. Arbeidet presenteres skisserer en beskrivelse av 3D / VR visualisering System og grunnleggende komponenter, en oversikt over viktige hensyn slik som det fysiske miljøet, detaljer om oppsett og bruk av nytt system, en generell prosedyre for akselerert MD ekstrautstyr, teknisk informasjon og relevante bemerkninger. Virkningen av dette arbeidet er etableringen av et unikt beregningssystem som kombinerer nanoskala materialer simulering, visualisering og interaktivitet i et virtuelt miljø, som er både et forsknings- og undervisnings instrument ved UC Merced.

Introduction

Materialvitenskap er et tverrfaglig felt som undersøker struktur-eiendommen relasjoner i saken for deres søknad til mange områder av vitenskap og engineering. Som struktur-eiendommen relasjoner blir undersøkt gjennom datasimulering i tillegg til eksperimentering, dataverktøy tilby komplementære egenskaper som kan forbedre forskningsinnsats. Mens nanomaterialer er av interesse for forskere og har ufattelig verdi for deres potensielle sosial påvirkning, er denne størrelsen regime nervøs med mange utfordringer som finnes særlig i eksperimentering.

Datasimuleringer tillate forskere og ingeniører til å utføre spesialiserte tester i et stort utvalg av miljøer bare begrenses av tid og beregningsressurser. Molekyldynamikk (MD) simuleringer tillate riktig tidspunkt og lengdeskalaer å studere fenomenet interesse i mange nanomaterialer. Simuleringer utvide studiet av materialer ved å fjerne begrensninger av than fysisk laboratorium, men mange dataverktøy mangler tilgjengelige, intuitive grensesnitt for forskning. Forbedring med grafisk visning av modeller, effektive beregningsalgoritmer, og grafisk prosesseringsenhet (GPU) basert databehandling utfylle dagens simulerings innsats. Disse nye grafikk enhetene kombinerer med sentrale prosessorer effektivt å tillate matematikkintensive beregninger som skal gjøres av GPU. Resultatet er en effektiv akselerasjon av beregningen av størrelsesorden 10 x ledsaget av en reduksjon i kraftforbruket opp til 20x.

Målet med dette forskningsprosjektet var å utvikle og implementere en roman verktøy for nanovitenskap etterforskning som direkte kobler et interaktivt grensesnitt til MD simuleringer, materialvitenskap analyse og 3D visualisering. Dette nyskapende systemet med unike og kraftige analysemuligheter har vært brukt i nanoskala forskning og utdanning ved UC Merced, med direkte konsekvenser for andre rel rerte STEM felt som nanoteknologi, fysikk, biologi og geologi, og ultimate fordel til utdanning og samfunn.

3D / VR visualisering System ble gjennomført som både forskning og undervisning instrument som tillater opprettelse og manipulering av atomstrukturer i en interaktiv 3D virtuell virkelighet (VR) miljø. Systemet ble opprettet fra et sett med relativt lave kostnader og tilgjengelige komponenter etter modell opprinnelig utviklet av Dr. Oliver Kreylos ved UC Davis ^en.

Nedenfor er et bilde av den endelige 3D / VR visualisering System layout, med viktige komponenter merket (figur 1). Dette systemet ble opprinnelig etablert for utdanning ved UC Merced i 2009. Gjennomføringen av den opprinnelige 3D / VR-systemet resulterte i fagfellevurderte publikasjoner ^2-3. Tabell 1 nedenfor oppsummerer viktige egenskaper for hvert element av 3D / VR visualisering System.

ntent "fo: keep-together.within-side =" always ">
Figur 1. 3D / VR visualisering System og hovedkomponenter (til venstre) i Davila Research Laboratory ved UCM og visualiserings enheter (til høyre). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Element	Komponent	Funksjonalitet i System
A	3D-TV	3D-visning av modellerte molekylære strukturer og menyer på skjermen.
B	Infrarøde (IR) sporing kameraer 4	IR-kameraer spore posisjoner av Wiimote og 3D-visning briller i bruks arbeidsområdet foran 3D-TV, slik at virlige 3D manipulasjon av viste strukturer.
C	Sporing av PC	Kjører IR-kamera sporing av programvare og sender Wiimote og 3D goggle stillinger til modellering datamaskin.
D	Wiimote	Brukes for styring av modellering programvare på skjermen og å manipulere strukturer i 3D virtuelt miljø.
E	3D-briller 5	Synkronisert med 3D-TV IR-signal, tillate 3D-visning av struktur. Stilling sporet av IR-kameraer for nøyaktig 3D-visning.
F	Modellering PC	Kjører NCK / VRUI 3D-modellering og visualisering 6, godtar goggle / Wiimote stilling og styringssignaler for å lage nøyaktige 3D molekylære strukturen visning.

Tabell 1. Funksjonalitet av hovedelementene i 3D / VR visualisering System ved UCM.

Description av 3D / VR visualisering System og hovedkomponenter:

3D / VR visualisering System Oversikt – 3D / VR Visualisering System består av et sett med IR-kameraer og sporing programvare som opererer i forbindelse med 3D modellering programvare for å tillate en bruker til interaktivt lage 3D molekylære strukturer. IR-kameraer og programvare spore 3D plasseringen av en Wiimote og 3D-visning briller ved bruk av IR-markører, og sende dette til modellering programvare. Modellering programvare bruker Wiimote kontrollsignaler og bevegelse for å generere 3D molekylære strukturer Kan vises med en kombinasjon av en 3D-kompatibel stort format TV med synkroniserte og spores 3D-briller. Dette resulterer i en 3D virtuell virkelighet arbeidsområde innenfor der brukeren kan dynamisk opprette og manipulere virtuelle molekylære strukturer som gjenspeiler den virkelige verden fysisk oppførsel basert på inter-atomære krefter som brukes i modellering programvare (figur 2). Spesialhensyn ions for opprettelsen av dette systemet kan finnes i supplerende materialer.

Figur 2. Gransker silika nanomaterialer ved hjelp av 3D / VR visualisering System. (A) En forsker skaper en innledende kristobalit modell (krystallinsk) før GPU-baserte simuleringer. (B) Ved å utføre en simulert MD smelte slukke prosedyre på modellen vist i (a), får en annen forsker en silika glass modell (ikke-krystallinsk). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

3D / VR visualisering System Enhancement – MD Simulering Capability:

Molekyldynamikk simuleringssystemer er vanligvis implementert i enmulti-nodal mote, det er, er en stor arbeidsmengde distribuert eller parallelized blant titalls til tusenvis av prosessorer. Nylig har flere muligheter for akselerert vitenskapelig databehandling oppstått ut av utviklingen i datagrafikk prosessering. Disse fremskritt inkluderer programvaregrensesnitt slik at forskerne kan dra nytte av den svært parallell natur prosessorkraft egenverdi for grafikkbrikker. Med bruk av Compute Unified Device Architecture eller CUDA ^7, kan forskerne bruke GPU ⁸ for å forbedre hastigheten som problemene er løst og samtidig redusere kostnadene for infrastruktur. En typisk GPU kan ha tilsvarende hundrevis til tusenvis av kjerner eller "noder" for bearbeiding av informasjon, og da disse kan hver brukes parallelt, kan en godt kodet løsning gi opptil 1,000x gjennomstrømming akselerasjon mot sin multi-core motstykke . Selv om ikke alle problemer er godt egnet til denne tilnærmingen, har dagens MD simuleringer sett opp til 15x gjennomstrømming ytelsesgevinsten ^9. Informasjon om 3D / VR visualisering system MD-GPU ekstrautstyr kan bli funnet i supplerende materialer.

Protocol

1. Installer 3D / VR Modeling Software på Modeling PC Installere Linux-operativsystemet på modellering PC (Ubuntu x86 / AMD64 avhengig av maskinvare). Endre LINUX basen operativsystem. Installere biblioteker og legge til funksjonalitet som er nødvendig. Installere VRUI og NCK 3D / VR modellering programvare på Modeling PC 6. Sjekk relaterte nettsteder 1,6 for å få nyeste versjonene av alle modellering programvarekomponenter. …

Representative Results

Denne 3D / VR visualisering System presenterer nye muligheter for å drive materialer realfag. Ettersom dette oppslukende miljø opererer i sanntid, i form av 3D-inngang og display, er forskeren presentert med en fullstendig interaktiv nanoscaled instrument 2. Ved å følge protokollen presenteres her, ble en silika spiral nanoribbon opprettet i denne steg-for-steg mote. Et øyeblikksbilde av denne strukturen fremstilt fra LAMMPS MD er vist i figur 7. Denne strukturen ble utsatt for simulert …

Discussion

Kritiske elementer i en vellykket installasjon og bruk av 3D / VR visualisering System er detaljert i det fysiske miljøet og Design Betraktninger og spesielle hensyn i supplerende materialer. Viktige installasjonshensyn inkludere 3D-visning høyde for komfortabel langsiktig stående eller sittende bruk, maksimert sporing montert kamera høyde for å skape et stort 3D-arbeidsområde, stabil sporing kamera og 3D-visning støtte for å opprettholde konfigurasjon over tid, og fjerning av IR-reflekterende e…

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)