Novel 3D / VR ambiente interativo para MD Simulações, visualização e análise
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
O crescente desenvolvimento da computação (hardware e software), nas últimas décadas tem impactado a investigação científica em diversas áreas, incluindo a ciência dos materiais, biologia, química e física entre muitos outros. Um novo sistema computacional para a simulação precisa e rápida e visualização 3D / VR de nanoestruturas é apresentado aqui, usando o código-fonte aberto programa de computador dinâmica molecular (MD) LAMMPS. Este método computacional alternativa usa processadores gráficos modernos, tecnologia NVIDIA CUDA e códigos científicos especializados para superar as barreiras de velocidade de processamento comuns aos métodos tradicionais de computação. Em conjunto com um sistema de realidade virtual utilizado para modelar materiais, este acessório permite a adição de capacidade de simulação acelerado MD. A motivação é o de proporcionar um ambiente de pesquisa romance que, simultaneamente, permite a visualização, simulação, modelagem e análise. O objetivo é investigar a estrutura e propriedades de inorgânico nanostructures (por exemplo, nanomolas de vidro de sílica), sob diferentes condições de uso deste sistema computacional inovador. O trabalho apresentado esboça uma descrição do sistema de visualização 3D / VR e componentes básicos, uma visão geral de considerações importantes, tais como o ambiente físico, detalhes sobre a configuração e utilização do novo sistema, um procedimento geral para o reforço MD acelerado, informações técnicas e observações pertinentes. O impacto deste trabalho é a criação de um sistema computacional única que combina materiais em nanoescala simulação, visualização e interatividade em um ambiente virtual, que é tanto um instrumento de pesquisa e ensino na UC Merced.
Introduction
A ciência dos materiais é um campo interdisciplinar que examina as relações entre estrutura e propriedades da matéria para a sua aplicação a muitas áreas da ciência e engenharia. Como as relações entre estrutura e propriedades são investigadas através de simulações computacionais, além de experimentação, ferramentas computacionais oferecem recursos complementares que podem aumentar os esforços de investigação. Enquanto os nanomateriais são de interesse para os cientistas e têm valor redentor para o seu potencial de impacto social, este regime tamanho é repleta de muitos desafios encontrados particularmente na experimentação.
Simulações de computador permitem que os cientistas e engenheiros para realizar exames especializados em uma grande variedade de ambientes limitados apenas pelo tempo e recursos computacionais. Dinâmica molecular (MD) simulações permitem que o tempo apropriado e comprimento escalas para estudar os fenômenos de interesse em muitos nanomateriais. Simulações expandir o estudo de materiais através da remoção dos constrangimentos de tele laboratório físico, porém muitas ferramentas computacionais falta interfaces acessíveis e intuitivos para a investigação. Enhancement com a exibição gráfica de modelos, algoritmos computacionais eficientes, e unidade de processamento gráfico (GPU) de computação baseada complementar os esforços de simulação atuais. Estes novos dispositivos gráficos combinar com unidades centrais de processamento eficiente para permitir cálculos intensivos matematicamente para ser realizado pela GPU. O resultado é uma aceleração eficaz do cálculo da ordem de 10x acompanhado por uma redução no consumo de energia de até 20x.
O objetivo deste projeto de pesquisa foi o de desenvolver e implementar uma nova ferramenta para a investigação nanociência que se conecta diretamente uma interface interativa para simulações de DM, análise de ciência dos materiais e visualização 3D. Este sistema inovador com recursos de análise única e poderosa tem sido utilizado para a pesquisa em nanoescala e educação na UC Merced, com implicações directas a outra rel campos STEM ciados como a nanotecnologia, física, biologia e geologia, e benefício final à educação e à sociedade.
O Sistema de Visualização 3D / VR foi implementado tanto como um instrumento de pesquisa e de ensino que permite a criação e manipulação de estruturas atômicas em um ambiente de realidade virtual 3D interativo (VR). O sistema foi criado a partir de um conjunto de custo relativamente baixo e componentes acessíveis, seguindo o modelo originalmente desenvolvido pelo Dr. Oliver Kreylos na UC Davis 1.
Abaixo está uma foto do layout 3D final / VR sistema de visualização, com componentes importantes marcados (Figura 1). Este sistema foi criado inicialmente para fins de educação na UC Merced em 2009. A implementação do sistema original em 3D / VR resultou em publicações revisadas por pares 2-3. Tabela 1 abaixo resume as principais características de cada elemento do sistema de visualização 3D / VR.
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Figura 1. 3D / VR sistema de visualização e os componentes principais (esquerda) no laboratório de pesquisa Davila na UCM e dispositivos de visualização (à direita). Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Item | Componente | Funcionalidade no Sistema |
| A | TV 3D | Display 3D de estruturas moleculares modelados e menus na tela. |
| B | Infravermelho (IR) câmeras de monitoramento 4 | Câmeras de infravermelho posições de pista dos óculos de visualização Wiimote e 3D na área de trabalho do usuário na frente da TV 3D, permitindo que virtual 3D manipulação de estruturas indicadas. |
| C | PC Acompanhando | Executa IR software câmera de monitoramento e transmite Wiimote e 3D posições óculos de proteção para o computador de modelagem. |
| D | Wiimote | Usado para a gestão no ecrã do software de modelagem e de manipular estruturas em ambiente virtual 3D. |
| E | Óculos 3D 5 | Sincronizado com sinal 3D TV IR, permitir visualização em 3D da estrutura. Posição rastreado por câmeras de infravermelho para visão 3D precisas. |
| F | Modelagem PC | Executa NCK / VRUI modelagem 3D e exibição software 6, aceita sinais goggle controle de posição e / Wiimote para criar precisas 3D estrutura molecular. |
Tabela 1. Funcionalidade dos principais elementos do sistema de visualização 3D / VR na UCM.
Description de 3D / VR Sistema de Visualização e componentes básicos:
3D / VR Visualization Visão Geral do Sistema – O 3D / VR Visualization sistema consiste de um conjunto de câmeras de infravermelho e software de monitoramento que opera em conjunto com o software de modelagem 3D para permitir que um usuário para criar de forma interativa 3D estruturas moleculares. As câmeras e software IR rastrear a localização de um Wiimote e 3D óculos de visão por meio de marcadores IR 3D, e passar isso para o software de modelagem. O software de modelagem usa os sinais de controle Wiimote e movimento para gerar estruturas moleculares em 3D visualizáveis através da combinação de uma televisão de grande formato 3D capaz com óculos 3D sincronizados e monitorados. Isso resulta em uma realidade virtual 3D espaço de trabalho dentro da qual o utilizador pode criar e manipular estruturas moleculares virtuais que reflectem o comportamento físico do mundo real baseada em forças inter-atómicas utilizados no software de modelagem (Figura 2) de forma dinâmica. Considerati especiaisons para a criação deste sistema podem ser encontrados em materiais complementares.
Figura 2. Investigando nanomateriais sílica, utilizando o Sistema de Visualização 3D / VR. (A) Um pesquisador cria um modelo cristobalite inicial (cristalino) antes de simulações baseadas em GPU. (B) Após a realização de um MD simulado procedimento derreter-têmpera do modelo mostrado em (a), outro pesquisador obtém um modelo de vidro de sílica (não-cristalina). Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
3D / VR Sistema de Visualização Enhancement – MD capacidade de simulação:
Dinâmica molecular sistemas de simulação são comumente aplicados deforma multi-nodais, isto é, uma grande carga de trabalho é distribuído ou paralelizadas entre dezenas a milhares de processadores. Recentemente, oportunidades adicionais para computação científica acelerado ter surgido da evolução do processamento de computação gráfica. Esses avanços incluem uma interface de software permitindo que os cientistas aproveitar a natureza altamente paralelo do poder de processamento intrínseco a chips gráficos. Com o advento do Compute Unified Device Architecture ou CUDA 7, os cientistas podem usar GPUs 8 para aumentar a velocidade em que os problemas são resolvidos, enquanto reduz o custo da infra-estrutura. A GPU típico pode ter o equivalente a centenas de milhares de núcleos ou "nós" para o processamento de informações, e como estas podem ser usadas em paralelo, uma solução bem-codificado pode fornecer até 1.000 vezes aceleração rendimento contra o seu homólogo multi-core . Embora nem todos os problemas é bem adequada para essa abordagem, simulações de DM atuais têm visto até 15x desempenho de transferência ganha 9. Detalhes sobre o sistema de visualização reforço MD-GPU 3D / VR pode ser encontrada em materiais suplementares.
Protocol
Representative Results
Discussion
Elementos críticos no sucesso da instalação e uso do sistema de visualização 3D / VR estão detalhadas no ambiente físico e Considerações sobre design e considerações especiais em materiais complementares. Considerações sobre a instalação importantes incluem altura display 3D para confortável posição de longo prazo ou uso sentado, maximizada rastreamento câmera montada altura para criar uma grande área de trabalho 3D, câmera de monitoramento estável e apoio display …
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).
