Novel 3D / VR interaktivt miljø for MD simuleringer, visualisering og analyse
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 stigende udvikling af computing (hardware og software) inden for de sidste årtier har påvirket videnskabelig forskning på mange områder, herunder materialevidenskab, biologi, kemi og fysik blandt mange andre. Et nyt beregningsmæssige system til præcis og hurtig simulering og 3D / VR visualisering af nanostrukturer præsenteres her, ved hjælp af open source-molekylær dynamik (MD) computerprogram LAMMPS. Denne alternative beregningsmetode anvender moderne grafikprocessorer, NVIDIA CUDA teknologi og specialiserede videnskabelige koder til at overvinde processorhastighed barrierer er fælles for de traditionelle computing metoder. I forbindelse med en virtuel virkelighed, der anvendes til at modellere materialer, denne forbedring giver tilføjelsen af accelereret MD simulering kapacitet. Motivationen er at tilvejebringe et nyt forskningsmiljø, der samtidig giver mulighed for visualisering, simulering, modellering og analyse. Forskningen mål er at undersøge strukturen og egenskaberne af uorganisk nanostructures (fx silica glas nanosprings) under forskellige betingelser ved anvendelse af denne innovative beregningsmæssige system. Arbejdet præsenteret skitserer en beskrivelse af 3D / VR Visualisering System og grundlæggende komponenter, en oversigt over vigtige overvejelser såsom det fysiske miljø, oplysninger om opsætning og brug af det nye system, en generel procedure for fremskyndet MD ekstraudstyr, tekniske oplysninger og relevante bemærkninger. Virkningen af dette arbejde er at skabe et unikt beregningsmæssige system, der kombinerer nanoskala materialer simulering, visualisering og interaktivitet i et virtuelt miljø, som både er en forskning og undervisning instrument på UC Merced.
Introduction
Materialer videnskab er et tværfagligt felt, der undersøger struktur og egenskaber i anliggende for deres anvendelse på mange områder inden for videnskab og teknik. Som struktur og egenskaber undersøges gennem computersimuleringer ud over eksperimenter, beregningsværktøjer tilbyde komplementære funktioner, der kan forbedre forskningsindsatsen. Mens nanomaterialer er af interesse for forskere og har forløsende værdi for deres potentielle sociale konsekvenser, denne størrelse regime er fyldt med mange udfordringer findes især i eksperimenter.
Computersimuleringer tillade forskere og ingeniører til at udføre specialiserede tests i en lang række forskellige miljøer kun begrænset af tid og it-ressourcer. Molekylære dynamik (MD) simuleringer give et passende tidspunkt og længde skalaer at studere fænomenet interesse i mange nanomaterialer. Simuleringer udvide undersøgelse af materialer ved at fjerne de begrænsninger af than fysisk laboratorium dog mange beregningsværktøjer mangler tilgængelige, intuitive grænseflader til forskning. Enhancement med grafisk visning af modeller, effektive beregningsmæssige algoritmer, og grafiske behandlingsenhed (GPU) baseret computing supplerer nuværende simulation indsats. Disse nye grafik enheder kombinere med centralenheder effektivt at tillade matematisk intensive beregninger, der skal opfyldes af GPU. Resultatet er en effektiv acceleration af beregning af størrelsesordenen 10x ledsaget af en reduktion i strømforbrug på op til 20x.
Målet med dette forskningsprojekt er at udvikle og implementere et nyt værktøj til nanoscience undersøgelse, der direkte forbinder en interaktiv grænseflade til MD simuleringer, materialevidenskab analyse og 3D-visualisering. Dette innovative system med unikke og kraftfulde analyse kapaciteter er blevet brugt til nanoskala forskning og uddannelse på UC Merced, med direkte konsekvenser for andre rel ated STEM områder som nanoteknologi, fysik, biologi og geologi, og ultimativ fordel for uddannelse og samfund.
3D / VR Visualisering system blev gennemført både som forskning og undervisning instrument, der tillader oprettelse og manipulation af atomare strukturer i en interaktiv 3D virtual reality (VR) miljø. Systemet blev skabt af et sæt relativt billige og tilgængelige komponenter efter model oprindeligt udviklet af Dr. Oliver Kreylos på UC Davis 1.
Nedenfor er et billede af det endelige 3D / VR Visualisering System layout, med vigtige komponenter mærket (Figur 1). Dette system blev oprindeligt etableret med henblik på uddannelse på UC Merced i 2009. Gennemførelsen af den oprindelige 3D / VR-system resulterede i fagfællebedømte publikationer 2-3. Tabel 1 nedenfor opsummerer de vigtigste karakteristika for hvert element i 3D / VR Visualisering System.
ntent "FO: keep-together.within-side =" altid ">
Figur 1. 3D / VR Visualisering System og hovedkomponenter (til venstre) i Davila Research Laboratory på UCM og visualisering enheder (til højre). Klik her for at se en større udgave af dette tal.
| Vare | Komponent | Funktionalitet i System |
| A | 3D-TV | 3D-visning af modellerede molekylære strukturer og menuer på skærmen. |
| B | Infrarød (IR) sporing kameraer 4 | IR kameraer track positioner Wiimote og 3D-visning beskyttelsesbriller brugeren arbejdsområdet foran 3D-tv, giver virtuelle 3D manipulation af viste strukturer. |
| C | Sporing PC | Kører IR kamera tracking software og overfører Wiimote og 3D goggle holdninger modellering computer. |
| D | Wiimote | Bruges til styring på skærmen af modellering software og til at manipulere strukturer i 3D virtuelle miljø. |
| E | 3D briller 5 | Synkroniseret med 3D-TV IR-signal, tillader 3D-visning af strukturen. Position spores af IR kameraer til nøjagtig 3D-visning. |
| F | Modeling PC | Kører NCK / VRUI 3D-modellering og display software 6, accepterer goggle / Wiimote position og styresignaler til at skabe præcis 3D molekylstruktur visning. |
Tabel 1. Funktionalitet af hovedelementerne i 3D / VR Visualisering System på UCM.
Description af 3D / VR Visualisering System og grundlæggende komponenter:
3D / VR Visualisering Systemoversigt – 3D / VR Visualisering system består af et sæt IR kameraer og tracking software arbejder sammen med 3D-modellering software til at tillade en bruger at interaktivt skabe 3D molekylære strukturer. IR kameraer og software spore 3D placeringen af en Wiimote og 3D-visning briller ved hjælp af IR-markører, og videregive dette til modellering software. Modelleringen software bruger Wiimote styresignaler og bevægelse til at generere 3D molekylære strukturer kan ses ved hjælp af en kombination af et 3D-kompatibelt storformat tv med synkroniserede og sporede 3D briller. Dette resulterer i et 3D virtual reality arbejdsområde, inden for hvilken brugeren dynamisk kan oprette og manipulere virtuelle molekylære strukturer, der afspejler den virkelige verden fysiske adfærd baseret på inter-atomare kræfter, der anvendes i modellering software (figur 2). Særlige considerations til oprettelse af dette system kan findes i supplerende materiale.
Figur 2. Undersøgelse silica nanomaterialer ved hjælp af 3D / VR Visualisering System. (A) En forsker skaber en indledende kristobalit model (krystallinsk) før GPU-baserede simuleringer. (B) Ved at udføre en simuleret MD smelte-quench procedure på modellen i (a), en anden forsker opnår en silica glas model (ikke-krystallinsk). Klik her for at se en større udgave af dette tal.
3D / VR Visualisering System Enhancement – MD Simulation Capability:
Molekylære dynamik simuleringssystemer er almindeligt implementeret i enmulti-nodal måde, det er, er en stor arbejdsbyrde distribueres eller paralleliseret blandt ti til tusinder af processorer. For nylig har yderligere muligheder for fremskyndet scientific computing opstået ud af udviklingen i computergrafik forarbejdning. Disse fremskridt omfatter en software interface giver forskerne at udnytte den meget parallel karakter processorkraft iboende grafik-chips. Med fremkomsten af Compute Unified Device Architecture eller CUDA 7, kan forskerne bruge GPU'er 8 at øge den hastighed, hvormed problemer løses samtidig reducere omkostningerne til infrastrukturen. En typisk GPU kan have hvad der svarer til hundredvis til tusindvis af kerner eller "knudepunkter" til behandling af oplysninger, og da disse kan hver anvendes parallelt, kan et godt kodet løsning give op til 1.000 x gennemløb acceleration mod dets multi-core modstykke . Selvom ikke alle problemer er velegnet til denne fremgangsmåde, har de nuværende MD simuleringer set op til 15x throughput ydeevne gevinster 9. Nærmere oplysninger om 3D / VR visualisering systemet MD-GPU ekstraudstyr kan findes i supplerende materiale.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritiske elementer i en vellykket installation og brugen af 3D / VR Visualisering System er nærmere beskrevet i det fysiske miljø og Design Overvejelser og Særlige forhold supplerende materiale. Vigtige installation overvejelser indbefatter 3D-visning højde for komfortabel langsigtede stående eller siddende brug, maksimeret sporing kamera monteret højde at skabe et stort 3D arbejdsområde, stabil sporing kamera og 3D-skærme til at opretholde konfiguration over tid, og fjernelse a…
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).
- . 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).
