Novel 3D / VR Interactive Miljö för MD simuleringar, visualisering och analys
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 allt snabbare utvecklingen av datorer (hårdvara och mjukvara) under de senaste decennierna har påverkat vetenskaplig forskning inom många områden, inklusive materialvetenskap, biologi, kemi och fysik bland många andra. Ett nytt beräkningssystem för noggrann och snabb simulering och 3D / VR-visualisering av nanostrukturer presenteras här, med hjälp av öppen källkod molekyldynamik (MD) datorprogram Lammps. Denna alternativa beräkningsmetoden använder moderna grafikprocessorer, NVIDIA CUDA-teknik och specialiserade vetenskapliga koder för att övervinna bearbetningshastighet hinder som är gemensamma för de traditionella datormetoder. I samband med ett virtuellt system verklighet används för att modellera material, gör denna förbättring tillägg av accelererad MD simulering förmåga. Motivationen är att åstadkomma en ny forskningsmiljö som samtidigt medger visualisering, simulering, modellering och analys. Forskningen Målet är att undersöka strukturen och egenskaperna av oorganiskt nanostructures (t.ex. kvarts glas nanosprings) under olika förhållanden med hjälp av denna innovativa beräkningssystemet. Arbetet presenterades skisserar en beskrivning av 3D / VR Visualisering System och grundkomponenter, en översikt över viktiga överväganden som den fysiska miljön, information om installation och användning av det nya systemet, ett allmänt förfarande för accelererad MD förbättring, teknisk information och relevanta anmärkningar. Effekterna av detta arbete är att skapa ett unikt beräknings system som kombinerar nanomaterial simulering, visualisering och interaktivitet i en virtuell miljö, som både är en forsknings- och undervisningsinstrument på UC Merced.
Introduction
Materialvetenskap är ett tvärvetenskapligt område som undersöker struktur-egenskapsrelationer i fråga för deras tillämpning på många områden av vetenskap och teknik. Som struktur-egenskapsrelationer undersöks genom datorsimuleringar förutom experiment, beräkningsverktyg erbjuder kompletterande funktioner som kan förbättra forskningen. Även nanomaterial är av intresse för forskare och ha försonande värde för deras potentiella sociala konsekvenser, är denna storlek regim fylld med många utmaningar som finns framför allt i experiment.
Datorsimuleringar tillåter forskare och ingenjörer för att utföra specialiserade tester i en stor mängd olika miljöer begränsas endast av tid och beräkningsresurser. Molekyldynamik (MD) simuleringar tillåter lämplig tidpunkt och längd skalor att studera de fenomen av intresse i många nanomaterial. Simuleringar utöka studien av material genom att ta bort de begränsningar av than fysiskt laboratorium, men många beräkningsverktyg saknar tillgängliga, intuitiva gränssnitt för forskning. Förbättring med grafisk visning av modeller, effektiva beräkningsalgoritmer, och grafisk processorn (GPU) baserad computing kompletterar nuvarande simulerings insatser. Dessa nya grafik enheter kombineras med centralenheter effektivt att tillåta matematiskt intensiva beräkningar som skall utföras av GPU. Resultatet är en effektiv acceleration beräkning av storleksordningen 10x åtföljs av en minskning av energiförbrukningen med upp till 20x.
Målet med detta forskningsprojekt var att utveckla och implementera ett nytt verktyg för nano undersökning som direkt ansluter ett interaktivt gränssnitt till MD simuleringar, materialvetenskap analys och 3D-visualisering. Detta innovativa system med unika och kraftfulla analysmöjligheter har använts för nanoskala forskning och utbildning vid UC Merced, med direkta konsekvenser för andra rel intresse- STEM områden som nanoteknik, fysik, biologi och geologi, och ultimata nytta för utbildning och samhälle.
3D / VR Visualisering System fördes både som forsknings- och undervisningsinstrument som gör det möjligt att skapa och manipulera atomära strukturer i en interaktiv virtuell 3D verklighet (VR) miljö. Systemet skapades från en uppsättning relativt låg kostnad och tillgängliga komponenter enligt den modell som ursprungligen utvecklades av Dr Oliver Kreylos på UC Davis 1.
Nedan är en bild av den slutliga 3D / VR Visualization System layout, med viktiga komponenter märkta (Figur 1). Detta system upprättades ursprungligen för utbildningsändamål på UC Merced 2009. Genomförandet av den ursprungliga 3D / VR-systemet ledde till fackgranskade publikationer 2-3. Tabell 1 nedan sammanfattar de viktigaste egenskaperna för varje element i 3D / VR Visualisering System.
ntent "fo: keep-together.within-page =" always ">
Figur 1. 3D / VR Visualisering System och huvudkomponenter (till vänster) i Davila Research Laboratory vid UCM och visualiserings enheter (till höger). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Punkt | Komponent | Funktionalitet i System |
| EN | 3D-TV | 3D-visning av modellerade molekylära strukturer och menyerna på skärmen. |
| B | Infraröd (IR) tracking kameror 4 | IR-kameror spårpositioner Wiimote och 3D visning glasögon i användar arbetsyta framför 3D-TV, vilket gör virTual 3D manipulation av visade strukturerna. |
| C | Spårnings PC | Körs IR-kamera spårningsprogram och sänder Wiimote och 3D goggle positioner till modellering dator. |
| D | Wiimote | Används för ledning på skärmen för modellering av programvara och att manipulera strukturer i 3D virtuell miljö. |
| E | 3D-glasögon 5 | Synkroniserad med 3D-TV IR-signal, tillåter 3D-vy över strukturen. Position spåras av IR-kameror för noggrann 3D-vy. |
| F | Modellering PC | Körs NCK / VRUI 3D-modellering och visning programvara 6, accepterar goggle / Wiimote positions- och styrsignaler för att skapa exakta 3D molekylstruktur vy. |
Tabell 1. Funktionalitet av huvudinslagen i 3D / VR Visualisering System på UCM.
Description av 3D / VR Visualisering System och grundläggande komponenter:
3D / VR Visualisering Systemöversikt – 3D / VR Visualisering System består av en uppsättning av IR-kameror och mjukvara som arbetar tillsammans med 3D-modellering programvara för att tillåta en användare att interaktivt skapa 3D molekylära strukturer. IR-kameror och programvara spåra 3D platsen för en Wiimote och 3D visning glasögon som använder IR markörer, och vidarebefordra detta till modellering programvara. Modeller Programvaran använder Wiimote styrsignaler och rörelse för att generera molekylära 3D strukturer kan visas med en kombination av en 3D-kapabel storformat tv med synkroniserade och spårade 3D-glasögon. Detta resulterar i en 3D virtuell verklighet arbetsyta där användaren kan dynamiskt skapa och manipulera virtuella molekylära strukturer som återspeglar verkliga fysiska beteende utifrån interatomkrafter som används i modellering programvara (Figur 2). Speciella considerations för att inrätta detta system kan hittas i kompletterande material.
Figur 2. Undersöka kiseldioxid nanomaterial med hjälp av 3D / VR Visualisering System. (A) En forskare skapar en initial kristobalit modell (kristallint) innan GPU-baserade simuleringar. (B) När du utför en simulerad MD smältsläckningsförfarande på modell visas i (a), en annan forskare får en kiseldioxidglas modell (icke-kristallina). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
3D / VR Visualization System Enhancement – MD Simulering Capability:
Molekyldynamik simuleringssystem vanligen genomförs i ettmulti-nodal mode, det vill säga, är en stor arbetsbelastning distribueras eller parallelliseras bland tiotals till tusentals processorer. Nyligen har ytterligare möjligheter för accelererad vetenskapliga beräkningar uppstått ur utvecklingen inom datorgrafik bearbetning. Dessa framsteg inkluderar en programvara gränssnitt som möjliggör för forskare att dra nytta av den mycket parallella natur processorkraft inneboende grafikkretsar. Med tillkomsten av Compute Unified Device Architecture eller CUDA 7, kan forskarna använda GPUs 8 för att öka hastigheten med vilken problem löses samtidigt minska kostnaderna för infrastrukturen. En typisk GPU kan ha motsvarande hundratals till tusentals kärnor eller "noder" för att bearbeta information och eftersom dessa kan varje användas parallellt, kan en väl kodad lösning ge upp till 1,000x genomströmning acceleration mot sin multi-core motsvarighet . Även om inte alla problem är väl lämpad för detta tillvägagångssätt, har nuvarande MD simuleringar sett upp till 15x genomströmning prestanda vinner 9. Detaljer om 3D / VR visualiseringssystem MD-GPU förbättring kan hittas i kompletterande material.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritiska element i en lyckad installation och användning av 3D / VR Visualisering System beskrivs i den fysiska miljön och Design Överväganden och Att tänka på kompletterande material. Viktiga överväganden installations inkluderar 3D höjd för bekväm långtids stående eller sittande användning, maxim spårning kamera monterad höjd för att skapa en stor 3D arbetsområde, stabil spårning kamera och 3D stöd för att behålla konfigurationen med tiden, och avlägsnande av IR…
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).
