Romanzo 3D / VR Interactive Environment per MD simulazioni, visualizzazione e l'analisi
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
Il crescente sviluppo del calcolo (hardware e software) negli ultimi decenni ha avuto un impatto di ricerca scientifica in molti campi, tra cui la scienza dei materiali, biologia, chimica e fisica tra molti altri. Un nuovo sistema di calcolo per la simulazione accurata e veloce e 3D / VR visualizzazione delle nanostrutture è presentato qui, con la open-source dinamica molecolare (MD) programma per computer LAMMPS. Questo metodo di calcolo alternativo utilizza processori grafici moderni, la tecnologia NVIDIA CUDA e codici scientifici specializzati per superare le barriere di velocità di elaborazione comuni ai metodi di calcolo tradizionali. In combinazione con un sistema di realtà virtuale utilizzato per modellare materiali, questo miglioramento consente l'aggiunta di accelerata capacità di simulazione MD. La motivazione è quella di fornire un ambiente di ricerca romanzo che permette contemporaneamente la visualizzazione, la simulazione, la modellazione e l'analisi. L'obiettivo della ricerca è quello di indagare la struttura e le proprietà di inorganico nanostructures (ad esempio, nanosprings vetro di silice) in condizioni diverse con questo innovativo sistema computazionale. Il lavoro presentato delinea una descrizione del sistema di visualizzazione 3D / VR e componenti di base, una panoramica di considerazioni importanti come l'ambiente fisico, i dettagli sulla configurazione e l'utilizzo del nuovo sistema, una procedura generale per la valorizzazione MD accelerato, informazioni tecniche , e osservazioni pertinenti. L'impatto di questo lavoro è la creazione di un sistema di calcolo unico che combina materiali su scala nanometrica di simulazione, visualizzazione e interattività in un ambiente virtuale, che è al tempo stesso uno strumento di ricerca e di insegnamento presso UC Merced.
Introduction
La scienza dei materiali è un campo interdisciplinare che esamina le relazioni struttura-proprietà in questione per la loro applicazione a molti settori della scienza e dell'ingegneria. Come le relazioni struttura-proprietà sono indagati attraverso simulazioni al computer, oltre alla sperimentazione, strumenti computazionali offrono caratteristiche complementari che possono migliorare gli sforzi di ricerca. Mentre i nanomateriali sono di interesse per gli scienziati e avere un valore redentivo per il loro potenziale impatto sociale, questo regime dimensioni è irto di molte sfide presenti soprattutto nella sperimentazione.
Le simulazioni al computer permettono agli scienziati e ingegneri per eseguire esami specialistici in una grande varietà di ambienti limitati solo dal tempo e risorse computazionali. Dinamica molecolare (MD) simulazioni permettono momento opportuno e la lunghezza scale per studiare i fenomeni di interesse in molti nanomateriali. Simulazioni espandere lo studio dei materiali rimuovendo i vincoli di tegli laboratorio di fisica, ma molti strumenti di calcolo mancano accessibili, interfacce intuitive per la ricerca. Miglioramento con la visualizzazione grafica dei modelli, algoritmi computazionali efficienti, e unità di elaborazione grafica (GPU) based computing integrano gli sforzi di simulazione attuali. Questi nuovi dispositivi grafici si combinano con le unità centrali di elaborazione in modo efficiente per consentire calcoli matematicamente intensi per essere realizzato dalla GPU. Il risultato è un'accelerazione effettiva della computazione dell'ordine di 10x accompagnata da una riduzione del consumo di potenza fino a 20x.
L'obiettivo di questo progetto di ricerca è stato quello di sviluppare e implementare un nuovo strumento di indagine nanoscienza che si collega direttamente un'interfaccia interattiva per simulazioni MD, analisi scienza dei materiali e visualizzazione 3D. Questo innovativo sistema con capacità di analisi uniche e potenti è stato utilizzato per la ricerca su scala nanometrica e istruzione a UC Merced, con implicazioni dirette ad altre rel campi STAMINALI ato come le nanotecnologie, la fisica, la biologia, la geologia e, e ultimo beneficio per l'istruzione e la società.
Il sistema di visualizzazione 3D / VR è stato implementato sia come strumento di ricerca e di insegnamento, che permette la creazione e la manipolazione di strutture atomiche in un ambiente interattivo di realtà virtuale in 3D (VR). Il sistema è stato creato da un gruppo di relativamente basso costo e componenti accessibili secondo il modello originariamente sviluppato da Dr. Oliver Kreylos presso UC Davis 1.
Qui di seguito è una foto del layout 3D finale / VR sistema di visualizzazione, con importanti componenti etichettati (Figura 1). Questo sistema è stato originariamente creato a fini di istruzione a UC Merced nel 2009. L'implementazione del sistema originale 3D / VR portato pubblicazioni peer-reviewed 2-3. La tabella 1 seguente riassume le caratteristiche chiave per ogni elemento del sistema di visualizzazione 3D / VR.
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Figura 1. 3D / VR sistema di visualizzazione e componenti principali (a sinistra) nel laboratorio di ricerca Davila a UCM e dispositivi di visualizzazione (a destra). Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
| Voce | Componente | Funzionalità in System |
| La | 3D TV | Visualizzazione 3D di strutture molecolari modellate e menu a schermo. |
| B | Infrarossi (IR) telecamere di monitoraggio 4 | Telecamere IR posizioni traccia del Wiimote e 3D occhiali visualizzazione dello spazio di lavoro dell'utente di fronte a TV 3D, permettendo virmanipolazione Tual 3D delle strutture visualizzate. |
| C | Monitoraggio PC | Esegue software di monitoraggio telecamera a infrarossi e trasmette Wiimote e 3D posizioni occhiali per computer di modellazione. |
| D | Wiimote | Utilizzato per la gestione on-screen del software di modellazione e di manipolare le strutture in ambiente virtuale 3D. |
| E | Occhiali 3D 5 | Sincronizzato con il segnale 3D TV IR, consentire vista 3D della struttura. Posizione monitorata da telecamere a infrarossi per la visualizzazione 3D accurate. |
| F | Modeling PC | Esegue la modellazione e visualizzazione del software NCK / VRUI 3D 6, accetta segnali occhiali / di posizione e di controllo Wiimote per creare accurate 3D struttura molecolare. |
Tabella 1. Funzionalità di elementi principali del sistema di visualizzazione 3D / VR a UCM.
Description 3D / VR sistema di visualizzazione e componenti di base:
3D / VR Visualizzazione Panoramica del sistema – Il 3D / VR Visualizzazione sistema è costituito da una serie di telecamere a infrarossi e software di monitoraggio che opera in combinazione con il software di modellazione 3D per consentire a un utente di creare in modo interattivo in 3D strutture molecolari. Le telecamere a infrarossi e software traccia la posizione 3D di un Wiimote e 3D occhiali visualizzazione utilizzando marcatori IR, e passare questo per il software di modellazione. Il software di modellazione utilizza i segnali di controllo Wiimote e il movimento per generare strutture molecolari 3D visualizzabile con la combinazione di un televisore a grande formato 3D-capable con occhiali 3D, sincronizzati e cingolati. Ciò comporta un lavoro 3D realtà virtuale entro il quale l'utente può creare dinamicamente e manipolare strutture molecolari virtuali che riflettono comportamento fisico del mondo reale basato su forze inter-atomici utilizzati nel software di modellazione (Figura 2). Considerati specialions per la creazione di questo sistema può essere trovato in materiali supplementari.
Figura 2. Indagare nanomateriali silice utilizzando il sistema di visualizzazione 3D / VR. (A) Un ricercatore crea un modello di cristobalite iniziale (cristallina) prima di simulazioni basati su GPU. (B) Dopo l'esecuzione di un MD simulato procedura sciogliersi-tempra del modello mostrato in (a), un altro ricercatore ottiene un modello di vetro di silice (non cristallina). Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
3D / VR Visualizzazione Enhancement System – MD Simulation Capability:
Dinamica molecolare sistemi di simulazione sono comunemente implementati in undi modo multi-nodale, cioè, un grande carico di lavoro viene distribuito o parallelizzato tra decine di migliaia di processori. Recentemente, ulteriori opportunità di accelerare il calcolo scientifico sono nate dagli sviluppi nel settore della trasformazione computer grafica. Questi progressi comprendono un'interfaccia software che consente agli scienziati di sfruttare la natura altamente parallela di potenza di elaborazione intrinseca chip grafici. Con l'avvento della Unified Device Architecture Compute o CUDA 7, gli scienziati possono utilizzare le GPU 8 per aumentare la velocità con cui i problemi sono risolti, riducendo i costi di infrastruttura. Una GPU tipico può avere l'equivalente di centinaia di migliaia di core o "nodi" per l'elaborazione delle informazioni, e come questi possono essere tutti utilizzati in parallelo, una soluzione ben codificato, può fornire fino a 1,000x accelerazione velocità contro la sua controparte multi-core . Anche se non tutti i problemi è molto adatto a questo approccio, simulazioni MD attuali hanno visto fino a 15x prestazioni di throughput guadagna 9. Dettagli sul sistema di visualizzazione 3D / VR valorizzazione MD-GPU possono essere trovati in materiali supplementari.
Protocol
Representative Results
Discussion
Elementi critici della corretta installazione e l'utilizzo del sistema di visualizzazione 3D / VR sono dettagliate nel l'ambiente fisico e Considerazioni sulla progettazione e considerazioni speciali in materiali supplementari. Considerazioni importanti installazione includono altezza display 3D per una comoda posizione a lungo termine o l'uso seduti, massimizzati monitoraggio fotocamera montata altezza per creare una grande area di lavoro 3D, stabile telecamera di monitorag…
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).
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- . University of California Television (UCTV). Our Digital Life series: The Future: Teaching and Life-Saving Tools episode. , (2013).
