MDシミュレーションのための新しい3D / VRインタラクティブな環境、可視化と分析
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
最後の数十年でコンピューティング（ハードウェアおよびソフトウェア）の増加開発は、他の多くの間、材料科学、生物学、化学、物理学など、多くの分野での科学的研究に影響を与えた。正確かつ高速シミュレーションおよびナノ構造の3D / VR可視化のための新たな計算システムは、分子動力学（MD）コンピュータプログラムは、LAMMPSオープンソースを使用して、ここに提示されている。この代替計算方法は、従来のコンピューティング方法に共通処理速度の障壁を克服するために近代的なグラフィックス·プロセッサ、NVIDIA CUDAテクノロジ、専門科学的なコードを使用しています。材料をモデル化するために使用される仮想現実システムと組み合わせて、この拡張を加速MDシミュレーション機能の追加を可能にする。動機は、同時に視覚化、シミュレーション、モデリングおよび分析を可能にする新規な研究環境を提供することにある。研究目標は、無機、nの構造と性質を調査することであるこの革新的な計算システムを用いて、異なる条件の下でanostructures（ 例えば、シリカガラスナノスプリング）。提示作品は、3D / VR可視化システムと基本的な構成要素の説明、そのような物理的環境などの重要な検討事項の概要は、小説のシステムのセットアップと使用の詳細については、加速のMD強化するための一般的な手順、技術的な情報の概要を説明、および関連する発言。この作品の影響は、UCマーセドでの研究と教育の楽器でもある仮想環境でのナノスケール材料シミュレーション、可視化とインタラクティビティを組み合わせたユニークな計算システム、の作成です。
Introduction
材料科学は、科学や工学の多くの分野への応用のための問題で構造 – 特性の関係を調べ、学際的な分野である。構造 – 特性関係は実験に加えて、計算機シミュレーションにより検討した結果、計算ツールは、研究活動を強化することができる補完的な機能を提供します。ナノ材料科学者に関心のものであり、その潜在的な社会的影響のための欠点を補う価値がありますが、このサイズの体制は、特に実験で見つかった多くの課題をはらんでいる。
コンピュータシミュレーションは、科学者やエンジニアが唯一の時間と計算リソースによって制限された環境の多種多様な専門的なテストを実行することができます。分子動力学（MD）シミュレーションは、適切な時間と長さは、多くのナノ材料への関心の現象を研究するためにスケールできるように。シミュレーションは、tの制約を除去することにより、材料の研究を拡大する彼は、しかし、多くの計算ツールは、研究のためにアクセス可能な、直感的なインターフェイスを物理研究室が不足している。モデルのグラフィック表示、効率的な計算アルゴリズム、およびグラフィカル処理ユニット（GPU）ベースのコンピューティングとの増強は、現在のシミュレーションの取り組みを補完する。これらの新しいグラフィックスデバイスは、数学的に集中的な計算がGPUによって達成することができるように、効率的に、中央処理ユニットと組み合わせる。結果は、最大20倍の消費電力の低減を伴う、10倍程度の計算の有効な加速度である。
この研究プロジェクトの目標は、直接MDシミュレーション、材料科学解析と3Dビジュアライゼーションに対話型インタフェースを接続しているナノサイエンスの調査のための新規のツールを開発し、実施することでした。独自の強力な分析機能を備えたこの革新的なシステムは、他のRELに直接影響し、UCマーセドでナノスケールの研究や教育のために使用されてきたそのようなナノテクノロジー、物理学、生物学、地質学、教育や社会への最終的な利益としてated STEM分野。
3D / VR可視化システムは、インタラクティブな3Dバーチャルリアリティ（VR）環境での原子構造の作成および操作を可能にする研究と教育楽器の両方として実装されました。このシステムはもともとUCデービス1博士オリバーKreylosによって開発されたモデル以下の比較的低コストでアクセス可能なコンポーネントのセットから作成されました。
以下は、（ 図1）ラベルの重要なコンポーネントで、最終的な3D / VR可視化システムのレイアウトの写真です。このシステムは、もともと2009年にオリジナルの3D / VRシステムの実装はピアレビュー出版物2-3の結果UCマーセドの教育目的のために設立されました。以下の表1は、3D / VR可視化システムの各要素のキーの特性をまとめたものである。
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図1. 3D / VR可視化システムと主要コンポーネント（左）ダビラ研究所でUCMでの可視化デバイス（右）。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
| アイテム | コンポーネント | システムでの機能 |
| A | 立体テレビ | モデル化された分子構造の3Dディスプレイとオンスクリーンメニュー。 |
| B | 赤外線（IR）追跡カメラ4 | IRカメラ3Dテレビの前でユーザーのワークスペースでWiiリモコンと3D表示ゴーグルのトラック位置、許可VIR表示された構造物のトゥアル3D操作。 |
| ℃ | トラッキングPC | IRカメラトラッキングソフトウェアを実行し、モデル化、コンピュータにWiiリモコンや3Dゴーグル位置を伝送する。 |
| D | Wiiリモコン | モデリングソフトウェアの画面上の管理に使用されると、3D仮想環境内の構造を操作する。 |
| E | 3Dゴーグル5 | 3DテレビIR信号と同期、構造の3Dビューを可能にします。正確な3Dビュー用の赤外線カメラによって追跡位置。 |
| F | モデルPC | ランNCK / VRUI 3Dモデリングと表示ソフトウェア6、正確な3D分子構造ビューを作成するためにゴーグル/ Wiiリモコンの位置と制御信号を受け入れます。 |
UCMでの3D / VR可視化システムの主要な要素の表1.機能。
Descriptio3D / VR可視化システムと基本コンポーネントのN：
3D / VR可視化システムの概要 – 3D / VR可視化システムは、IRカメラのセットで構成され、ユーザがインタラクティブに3D分子構造を作成できるようにモデラーと組み合わせて動作するソフトウェアを追跡する。 IRカメラおよびソフトウェアは、IRマーカーを使用してWiiリモコンや3Dビューイングゴーグルの3D位置を追跡し、モデリングソフトウェアにこれを渡す。モデリングソフトウェアは、同期化され、追跡された3Dメガネと3D対応大型テレビの組み合わせを使用して表示可能な3次元分子構造を生成するためにWiiリモコン制御信号と動きを使用する。これは、ユーザーが動的にモデリングソフトウェア（ 図2）で使用される原子間力に基づいて現実世界の物理的挙動を反映した仮想分子構造を作成し、操作することができ、その中の3Dバーチャルリアリティのワークスペースになり。特別consideratiこのシステムを設定するためのアドオンは、補足資料に見出すことができる。
3D / VR可視化システムを使用したシリカナノ材料の調査2.図 。 （a）の研究者は、GPUベースのシミュレーション前の初期クリストバライトモデル（結晶）を作成します。 （B）（A）に示したモデルでシミュレートされたMDは、溶融急冷を手順を実行する際に、別の研究者は、シリカガラスモデル（非結晶）を取得する。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
3D / VR可視化システムの強化-のMDシミュレーション能力：
シミュレーションシステムは、一般的に実装されている分子動力学マルチ結節ファッションは、つまり、大規模なワークロードは、プロセッサの数千に数万の間に分散または並列化されている。最近では、加速された科学的なコンピューティングのための追加の機会は、コンピュータグラフィックス処理の発展から生じている。これらの進歩は、科学者は、グラフィックスチップに固有の処理能力の高度並列性を利用することを可能にするソフトウェア·インタフェースを含む。計算統合デバイスアーキテクチャまたはCUDA 7の登場により、科学者は、インフラストラクチャのコストを低減しつつ、問題が解決される速度を高めるためのGPU 8を使用することができる。典型的なGPUは、情報を処理するためのコアまたは「ノード」の数百から数千に相当するものを有してもよく、これらとして並列に使用することができ、十分に符号化されたソリューションは、マルチコア対応物に対するスループット加速度を1,000倍まで提供することができる。すべての問題は、このアプローチによく適していないが、現在のMDシミュレーションを15にまで見てきたxはスループット性能は9を得る 。 3D / VR可視化システムMD-GPUの強化の詳細は補足資料に記載されています。
Protocol
Representative Results
Discussion
3D / VR可視化システムの正常なインストールと使用における重要な要素は、 物理環境と設計上の考慮事項および補足資料の特別な考慮事項に詳述されている。重要なインストールの考慮事項は、快適な長期的な地位や着席使用のための3D表示の高さが含まれ、カメラに搭載時間をかけて構成を維持するために大規模な3D作業領域、安定したトラッキングカメラと3D表示…
Disclosures
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) |
References
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- 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).
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