Novela 3D / VR Interactivo Medio Ambiente para MD simulaciones, visualización y análisis
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
El creciente desarrollo de la computación (hardware y software) en las últimas décadas ha impactado la investigación científica en muchos campos, incluyendo la ciencia de materiales, la biología, la química y la física, entre muchos otros. Un nuevo sistema computacional para la simulación precisa y rápida y la visualización 3D / VR de nanoestructuras se presenta aquí, utilizando el código abierto dinámica molecular (MD) programa informático LAMMPS. Este método de cálculo alternativo utiliza procesadores gráficos modernos, la tecnología NVIDIA CUDA y códigos científicos especializados para superar las barreras de velocidad de procesamiento comunes a los métodos tradicionales de computación. En conjunción con un sistema de realidad virtual que se usa para modelar materiales, esta mejora permite la adición de capacidad de simulación MD acelerado. La motivación es proporcionar un entorno de investigación novedosa que permite simultáneamente la visualización, simulación, modelado y análisis. El objetivo de la investigación es investigar la estructura y las propiedades de n inorgánicaanostructures (por ejemplo, nanosprings vidrio de sílice) bajo diferentes condiciones que utilizan este sistema computacional innovador. El trabajo que se presenta describe una descripción del sistema de visualización 3D / VR y componentes básicos, una visión general de los aspectos importantes, tales como el medio físico, los detalles sobre la configuración y el uso del nuevo sistema, un procedimiento general para la mejora de MD acelerado, información técnica , y las observaciones pertinentes. El impacto de este trabajo es la creación de un sistema computacional único que combina materiales a nanoescala simulación, visualización e interactividad en un entorno virtual, que es a la vez un instrumento de investigación y la docencia en la Universidad de California Merced.
Introduction
La ciencia de materiales es un campo interdisciplinario que examina las relaciones entre estructura y propiedades de la materia para su aplicación a muchas áreas de la ciencia y la ingeniería. Como las relaciones estructura-propiedad se investigan a través de simulaciones por ordenador, además de la experimentación, herramientas computacionales ofrecen características complementarias que pueden mejorar los esfuerzos de investigación. Mientras que los nanomateriales son de interés para los científicos y tienen valor redentor por su potencial impacto social, este régimen tamaño está llena de muchos desafíos que se encuentran sobre todo en la experimentación.
Las simulaciones por ordenador permiten a los científicos e ingenieros para realizar pruebas especializadas en una gran variedad de entornos limitados sólo por el tiempo y los recursos computacionales. La dinámica molecular (MD) simulaciones permiten que el momento adecuado y la longitud escalas para estudiar los fenómenos de interés en muchos nanomateriales. Simulaciones ampliar el estudio de materiales mediante la eliminación de las restricciones de la tél laboratorio físico, sin embargo, muchos carecen de herramientas computacionales, interfaces intuitivos accesibles para la investigación. Mejora con la representación gráfica de los modelos, algoritmos computacionales eficientes, y la unidad de procesamiento gráfico (GPU) informática basada complementar los esfuerzos actuales de simulación. Estos nuevos dispositivos gráficos se combinan con las unidades centrales de proceso eficiente para permitir cálculos matemáticamente intensivas para llevar a cabo por la GPU. El resultado es una aceleración eficaz de cálculo del orden de 10 veces acompañada de una reducción en el consumo de energía de hasta 20x.
El objetivo de este proyecto de investigación fue desarrollar e implementar un nuevo instrumento para la investigación de nanociencia que se conecta directamente una interfaz interactiva de simulaciones MD, análisis de la ciencia de materiales y la visualización en 3D. Este innovador sistema con capacidades de análisis únicas y poderosas se ha utilizado para la investigación a nanoescala y la educación en la UC Merced, con implicaciones directas a otra rel campos de STEM ciones que conlleva, como la nanotecnología, la física, la biología y la geología, y la última ventaja a la educación y la sociedad.
El sistema de visualización 3D / VR se implementó tanto como un instrumento de investigación y enseñanza que permite la creación y manipulación de estructuras atómicas en una realidad virtual interactiva 3D (VR) medio ambiente. El sistema fue creado a partir de un conjunto de relativamente bajo costo y componentes accesibles siguiendo el modelo desarrollado originalmente por el Dr. Oliver Kreylos en UC Davis 1.
A continuación se muestra una foto de la disposición final 3D Visualization System / VR, con importantes componentes marcados (Figura 1). Este sistema fue establecido originalmente para fines de educación en la UC Merced en 2009. La implementación del sistema original 3D / VR resultó en publicaciones revisadas por pares 2-3. La Tabla 1 resume las principales características de cada elemento del sistema de visualización 3D / VR.
ntent "fo: keep-together.within-page =" always ">
Figura 1. Sistema de Visualización 3D / VR y los componentes principales (izquierda) en el Laboratorio de Investigación de Dávila en UCM y dispositivos de visualización (derecha). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Artículo | Componente | Funcionalidad en el Sistema |
| La | TV 3D | Visualización en 3D de estructuras moleculares modelados y menús en pantalla. |
| B | Infrarrojos (IR) cámaras de seguimiento 4 | Cámaras IR posiciones de pista de las gafas de visión Wiimote y 3D en el espacio de trabajo del usuario delante de la televisión en 3D, lo que permite virmanipulación tual 3D de las estructuras mostradas. |
| C | PC Seguimiento | Ejecuta software de seguimiento de la cámara de infrarrojos y transmite Wiimote y 3D posiciones gafas de modelos informáticos. |
| D | Wiimote | Se utiliza para la gestión de la pantalla del software de modelado y manipular las estructuras en el entorno virtual en 3D. |
| E | Gafas 3D 5 | Sincronizada con la señal 3D TV IR, permitir vista 3D de la estructura. Posición seguido por las cámaras de infrarrojos para visión precisa 3D. |
| F | Modelado PC | Ejecuta NCK / VRUI 3D modelado y visualización de software 6, acepta señales gafas / posición y control Wiimote para crear precisa vista de la estructura molecular en 3D. |
Tabla 1. Funciones de los principales elementos del sistema de visualización 3D / VR en la UCM.
Description del sistema de visualización 3D / VR y componentes básicos:
3D / VR Visualización Descripción general del sistema – El 3D / VR Sistema de visualización se compone de un conjunto de cámaras de infrarrojos y software de seguimiento que funciona en conjunción con software de modelado 3D para permitir a un usuario crear de forma interactiva en 3D de estructuras moleculares. Las cámaras y software IR rastrear la ubicación 3D de un Wiimote y 3D gafas de visión utilizando marcadores IR, y así pasan al software de modelado. El software de modelado utiliza las señales de control Wiimote y el movimiento para generar estructuras moleculares en 3D se puede ver con la combinación de una televisión de gran formato con capacidad 3D con las gafas 3D sincronizadas y orugas. Esto resulta en una realidad virtual 3D espacio de trabajo dentro de la cual el usuario puede crear y manipular las estructuras moleculares virtuales que reflejen el comportamiento físico del mundo real basado en las fuerzas inter-atómicas utilizadas en el software de modelado (Figura 2) de forma dinámica. Considerati especialescomplementos para la creación de este sistema se puede encontrar en los materiales suplementarios.
Figura 2. La investigación de nanomateriales de sílice utilizando el sistema de visualización 3D / VR. (A) Un investigador crea un modelo cristobalita inicial (cristalino) antes de simulaciones basadas en la GPU. (B) En el momento de realizar un procedimiento de fusión de enfriamiento MD simulada en el modelo se muestra en (a), otro investigador obtiene un modelo de vidrio de sílice (no cristalino). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
3D / VR Visualization System Enhancement – MD Simulación Capacidad:
La dinámica molecular de sistemas de simulación se aplican comúnmente en unamoda multi-nodal, es decir, una gran carga de trabajo se distribuye o paralelizado entre decenas de miles de procesadores. Recientemente, oportunidades adicionales para la computación científica acelerada han surgido de los desarrollos en el procesamiento de gráficos por ordenador. Estos avances incluyen una interfaz de software que permite a los científicos aprovechan la naturaleza altamente paralela de la potencia de procesamiento intrínseca a los chips gráficos. Con el advenimiento de la Compute Unified Device Architecture o CUDA 7, los científicos pueden utilizar las GPU 8 para mejorar la velocidad a la que los problemas se resuelven al tiempo que reduce el coste de la infraestructura. Una GPU típica puede tener el equivalente de cientos a miles de núcleos o "nodos" para el procesamiento de la información, y como éstas se pueden utilizar en paralelo, una solución bien codificado-puede proporcionar hasta 1.000 x aceleración rendimiento frente a su contraparte de varios núcleos . Aunque no todos los problemas se adapta bien a este enfoque, MD simulaciones actuales han visto hasta 15x rendimiento de procesamiento gana 9. Los detalles sobre la mejora MD-GPU sistema de visualización 3D / VR se pueden encontrar en los materiales complementarios.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los elementos críticos en la instalación exitosa y el uso del sistema de visualización 3D / VR se detallan en el entorno físico y Consideraciones de diseño y consideraciones especiales en materiales complementarios. Consideraciones importantes de instalación incluyen la altura de la pantalla 3D para una cómoda posición a largo plazo o el uso sentado, maximizan el seguimiento de cámara montada altura para crear una gran área de trabajo 3D, cámara de seguimiento estable y sopor…
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).
