新颖的3D / VR互动环境MD模拟，可视化和分析
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
的计算，在过去的几十年（硬件和软件）的日益发展已经影响了科研在许多领域，包括材料科学，生物学，化学和物理之间等等。一种新的计算体系，为准确，快速的模拟和纳米结构的3D / VR可视化在这里呈现，采用开源分子动力学（MD）计算机程序LAMMPS。这种替代计算方法采用现代图形处理器，NVIDIA CUDA技术和专门的科学规范，克服常见的传统计算方法处理速度的障碍。在与用于建模材料的虚拟现实系统相结合，这种增强允许添加的加速MD模拟能力。动机是提供一种新的研究环境，其同时允许可视化，仿真，建模和分析。这项研究的目的是探讨无机氮的结构和性能anostructures（ 如石英玻璃纳米弹簧）采用这种创新的计算系统在不同条件下。提出的工作概述如物理环境的3D / VR可视化系统和基本成分，重要的考虑因素的概述的说明，对新系统的安装和使用的信息，用于加速的MD增强的一般程序，技术信息，和相关的言论。这项工作的影响是建立一个独特的计算系统，在虚拟环境中，这既是一种研究和教学仪器在加州大学默塞德结合纳米材料模拟，可视化和交互性。
Introduction
材料科学是一个跨学科领域的检查结构 – 性能关系，无论他们的应用科学和工程的许多领域。由于结构与性能的关系，通过计算机模拟，除了实验研究，计算工具提供了互补的功能，可以增强研究工作。虽然纳米材料感兴趣的科学家和有兑换价值为他们潜在的社会影响，这种规模的制度充满了发现特别是在实验许多挑战。
计算机模拟使科学家和工程师在种类繁多的只有时间和计算资源有限的环境中进行专门的测试。分子动力学（MD）模拟允许适当的时间和长度尺度来研究感兴趣的现象在许多纳米材料。模拟扩大材料的研究，通过去除T的限制他的物理实验室，然而，许多计算工具缺乏方便，直观的界面进行研究。加强与模型的图形显示，高效的计算算法和图形处理单元（GPU）的计算补充当前模拟的努力。这些新的图形设备与中央处理单元相结合高效，让数学密集型计算由GPU来完成。其结果是计算的10倍伴随在高达20倍的功率消耗的降低的数量级上的有效加速。
这一研究项目的目标是开发和实施了一种新的工具，纳米科学的调查，直接连接的人机交互界面，MD模拟，材料科学分析和三维可视化。该创新系统具有独特而强大的分析功能已被用于在UC Merced的纳米研究和教育，直接影响到其他相对 ated STEM领域，如纳米技术，物理，生物，地质，并最终受益于教育和社会。
在3D / VR可视化系统实施既是科研和教学仪器，它允许创建和操纵原子结构中的交互式三维虚拟现实（VR）环境。该系统是由最初由奥利弗Kreylos博士在加州大学戴维斯分校1开发的模型下面一组相对低的成本和可获得的组件创建。
下面是一个照片的最终3D / VR的可视化系统的布局，与标记的重要组成部分（ 图1）。该系统最初是建立在教育的目的在加州默塞德在2009年的原始3D / VR系统的实施，导致在同行评审的出版物2-3。下面的表1总结了3D / VR可视化系统中的每个元素的关键特性。
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图1. 3D / VR可视化系统，并在UCM和可视化设备（右）的主要成分（左）在达维拉研究实验室。 请点击此处查看该图的放大版本。
| 项目 | 部件 | 功能在系统 |
| 一 | 3D电视 | 3D显示模拟的分子结构和屏幕上的菜单。 |
| B | 红外（IR）跟踪摄像机4 | 红外摄像机在3D电视前的用户工作区的Wiimote和3D眼镜观看的轨道位置，让VIR图阿尔3D操作显示结构。 |
| Ç | 跟踪PC | 运行红外摄像机跟踪软件，并发送的Wiimote和3D眼镜持仓建模计算机。 |
| ð | 的Wiimote | 用于建模软件的屏幕上的管理和操作结构在三维虚拟环境。 |
| Ë | 3D眼镜5 | 同步的3D电视IR信号，使结构的三维视图。位置由红外摄像头进行精确的三维视图跟踪。 |
| ˚F | 造型PC | 运行NCK / VRUI 3D建模和显示软件6，接受护目镜/ Wiimote的位置和控制信号，创建精确的三维分子结构的视图。 |
表1.功能的3D / VR可视化系统在UCM的主要元素。
DESCRIPTIOñ3D / VR可视化系统和基本组件：
3D / VR可视化系统概述 -在3D / VR可视化系统包括一套红外摄像机和跟踪软件与三维建模软件一起运行，以允许用户以交互方式创建三维分子结构。红外相机和软件跟踪使用IR标记物的Wiimote和3D眼镜观看3D的位置，并通过这个来建模软件。建模软件使用Wiimote的控制信号和动作与同步和跟踪3D眼镜使用3D功能的大幅面电视的结合，生成三维分子结构可见。这导致在一个三维虚拟现实工作空间中，用户可以动态地创建和操作基于在建模软件使用原子间力反映真实世界物理行为（ 图2）虚拟分子结构。特别considerati附件设立该系统可以在补充材料中找到。
图2.调查采用3D / VR可视化系统二氧化硅纳米材料。 （ 一 ）研究人员创建了基于GPU的仿真之前的初始方石英模型（结晶）。 （b）当在（A），另一位研究员获得石英玻璃模型（非结晶）所示模型进行了模拟MD熔融淬火的过程。 请点击此处查看该图的放大版本。
3D / VR可视化系统增强- MD模拟能力：
分子动力学模拟系统中普遍采用的多节点的方式，就是一个大的工作量分配或并行间几十到上千处理器。近日，加速科学计算额外的机会已经出现了事态发展计算机图形处理。这些进展包括软件接口，使科学家们采取的处理能力固有的图形芯片的高度并行特性的优势。与统一计算设备架构或CUDA 7的出现，科学家可以利用GPU的8，以提高在该同时减少的基础设施成本的问题得到解决的速度。一个典型的GPU可以具有数百到数千芯或“节点”的用于处理信息的等效，而且因为这些可以并行每个被使用的，以及编码的溶液可以提供高达1,000倍针对其多核对应吞吐量加速度。虽然不是所有的问题是非常适合于这种方法，当前MD模拟已经看到高达15X吞吐量性能提升9。在3D / VR的可视化系统的MD-GPU的增强的细节可以在补充材料中找到。
Protocol
Representative Results
Discussion
在成功安装了3D / VR可视化系统的部署和使用的关键要素是在物理环境和设计考虑 ，并特别注意事项的补充材料的详细。重要的安装注意事项，包括3D显示器高度舒适的长期站立或坐着的使用，最大限度地跟踪摄像机安装高度，创造了大量的3D工作区，稳定跟踪摄像头和3D显示的支持，以保持配置随着时间的推移，以及去除红外线反射元素从3D工作区域。正如前面提到的安?…
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
- 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).
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