رواية 3D / VR بيئة تفاعلية لMD المحاكاة، والتصور والتحليل
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
التطور المتزايد للحوسبة (الأجهزة والبرمجيات) في العقود الأخيرة قد أثر البحث العلمي في العديد من المجالات بما في ذلك علوم المواد، وعلم الأحياء والكيمياء والفيزياء وغيرها. ويرد النظام الحسابي الجديد لمحاكاة دقيقة وسريعة و3D / VR التصور النانو هنا، وذلك باستخدام المصادر المفتوحة LAMMPS ديناميات الجزيئية (MD) برنامج كمبيوتر. وتستخدم هذه الطريقة الحسابية بديل المعالجات الرسومية الحديثة والتكنولوجيا NVIDIA CUDA ورموز علمية متخصصة للتغلب على الحواجز سرعة المعالجة المشتركة لأساليب الحوسبة التقليدية. جنبا إلى جنب مع نظام الواقع الافتراضي المستخدمة لنمذجة المواد، هذا التعزيز يسمح بإضافة تسارع القدرة محاكاة MD. الدافع هو توفير بيئة بحثية جديدة في نفس الوقت الذي يسمح التصور، والمحاكاة والنمذجة والتحليل. هدف البحث إلى تحقيق هيكل وخصائص ن غير العضويةanostructures (على سبيل المثال، nanosprings زجاج السيليكا) في ظل ظروف مختلفة باستخدام هذا النظام الحسابي مبتكرة. العمل المقدم يحدد وصفا للنظام التصور 3D / VR والمكونات الأساسية، لمحة عامة عن الاعتبارات الهامة مثل البيئة المادية، وتفاصيل عن الإعداد واستخدام نظام الرواية، وإجراء عام لتعزيز MD المعجل، المعلومات التقنية ، وتصريحات ذات الصلة. تأثير هذا العمل هو إنشاء نظام حاسوبي فريد الجمع بين المواد النانوية محاكاة والتصور والتفاعل في بيئة افتراضية، والتي هي على حد سواء أداة البحث والتدريس في جامعة كاليفورنيا في الرحمة.
Introduction
علوم المواد هو حقل متعدد التخصصات التي تدرس العلاقات هيكل الملكية في مسألة لتطبيقها على العديد من مجالات العلوم والهندسة. كما يتم التحقيق العلاقات هيكل الملكية من خلال محاكاة الكمبيوتر بالإضافة إلى التجريب، والأدوات الحسابية توفر ميزات التكميلية التي يمكن أن تعزز الجهود البحثية. بينما المواد متناهية الصغر هي التي تهم العلماء ولها قيمة التعويض عن الأثر الاجتماعي المحتمل، وهذا النظام حجم محفوف العديد من التحديات وجدت وخاصة في التجريب.
المحاكاة الحاسوبية تسمح للعلماء والمهندسين لأداء الاختبارات المتخصصة في مجموعة كبيرة ومتنوعة من بيئات محدودة فقط من الوقت والموارد الحاسوبية. ديناميات الجزيئية (MD) المحاكاة تسمح الوقت المناسب والمقاييس طول لدراسة الظواهر ذات الاهتمام في العديد من المواد النانوية. المحاكاة توسيع دراسة المواد عن طريق إزالة القيود رانه المختبر المادي، ولكن العديد من الأدوات الحسابية تفتقر الوصول إليها، واجهات بديهية للأبحاث. تعزيز مع عرض رسومية من النماذج، والخوارزميات الحسابية كفاءة، وحدة المعالجة الرسومية (GPU) الحوسبة المستندة تكمل جهود محاكاة الحالية. هذه الأجهزة رسومات جديدة مع الجمع بين وحدة المعالجة المركزية بكفاءة للسماح حسابات مكثفة حسابيا التي يتعين إنجازها من قبل GPU. والنتيجة هي تسريع الفعال لحساب بناء على أمر من 10X يرافقه انخفاض في استهلاك الطاقة يصل إلى 20x و.
وكان الهدف من هذا المشروع البحثي لتطوير وتنفيذ أداة جديدة لتحقيق النانو الذي يربط مباشرة واجهة تفاعلية لمحاكاة MD، تحليل علوم المواد والتصور 3D. وقد استخدم هذا النظام المبتكر مع قدرات التحليل فريدة وقوية للأبحاث النانو والتعليم في جامعة كاليفورنيا في ميرسيد، مع آثار مباشرة ليختلط أخرى الحقول STEM ated مثل تكنولوجيا النانو، والفيزياء، والأحياء، والجيولوجيا، والاستفادة القصوى في التعليم والمجتمع.
تم تنفيذ نظام التصور 3D / VR على حد سواء أداة البحث والتدريس التي يسمح بإنشاء والتلاعب هياكل ذرية في بيئة تفاعلية الواقع الافتراضي 3D (VR). تم إنشاء نظام من مجموعة من الاسعار المنخفضة نسبيا والمكونات يمكن الوصول إليها وفقا لنموذج ضعت أصلا من قبل الدكتور أوليفر Kreylos في جامعة كاليفورنيا في ديفيس 1.
وفيما يلي صورة للتخطيط 3D النهائي / VR نظام التصور، مع عناصر هامة المسمى (الشكل 1). أنشئ هذا النظام في الأصل لأغراض التعليم في جامعة كاليفورنيا في ميرسيد في عام 2009. نتج عن تنفيذ 3D الأصلي / نظام VR في منشورات لاستعراض الأقران 2-3. ويلخص الجدول 1 أدناه الخصائص الرئيسية لكل عنصر من عناصر النظام التصور 3D / VR.
ntent "FO: المحافظة على together.within صفحة =" دائما ">
الشكل 1. 3D / VR نظام التصور والمكونات الرئيسية (يسار) في مختبر أبحاث دافيلا في UCM والأجهزة التصور (يمين). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
| بند | عنصر | وظائف في النظام |
| A | TV 3D | 3D عرض الهياكل الجزيئية غرار والقوائم على الشاشة. |
| B | الأشعة تحت الحمراء (IR) كاميرات تتبع 4 | كاميرات الأشعة تحت الحمراء مواقف مسار ييموت و 3D نظارات عرض في مساحة العمل المستعمل أمام التلفزيون 3D، مما يسمح فيرالتلاعب توال 3D هياكل المعروضة. |
| C | تتبع PC | يدير IR البرمجيات تتبع الكاميرا وينقل ييموت و 3D مواقف حملق إلى جهاز الكمبيوتر النمذجة. |
| D | ييموت | تستخدم لإدارة على الشاشة من البرمجيات النمذجة والتلاعب الهياكل في بيئة افتراضية 3D. |
| E | نظارات 3D 5 | تزامن ذلك مع إشارة 3D TV IR، والسماح عرض 3D هيكل. موقف تتبعها كاميرات الأشعة تحت الحمراء للدقيقة عرض 3D. |
| F | PC النمذجة | يدير NCK / VRUI 3D النمذجة وعرض البرنامج 6، يقبل حملق ييموت الموقف والسيطرة / إشارات لخلق دقيق 3D عرض التركيب الجزيئي. |
الجدول 1. وظيفة من العناصر الرئيسية للنظام التصور 3D / VR في UCM.
Descriptioن من 3D / VR نظام التصور ومكوناتها الأساسية:
3D / VR التصور نظرة عامة على نظام – و3D / VR نظام التصور يتكون من مجموعة من كاميرات الأشعة تحت الحمراء وتتبع البرامج التي تعمل جنبا إلى جنب مع 3D نماذج البرمجيات للسماح للمستخدم لإنشاء تفاعلي 3D الهياكل الجزيئية. كاميرات الأشعة تحت الحمراء والبرمجيات تتبع الموقع 3D من ييموت و 3D نظارات المشاهدة باستخدام علامات الأشعة تحت الحمراء، وتمرير ذلك إلى نماذج البرمجيات. برنامج النمذجة يستخدم إشارات التحكم ييموت والحركة لتوليد الهياكل الجزيئية 3D للعرض باستخدام مزيج من التلفزيون شكل واسع 3D مع نظارات 3D قادرة متزامنة وتتبعها. وهذا يؤدي إلى 3D الواقع الافتراضي مساحة العمل من خلاله يمكن للمستخدم إنشاء حيوي والتلاعب الهياكل الجزيئية في الظاهرية التي تعكس السلوك المادي في العالم الحقيقي القائم على القوات بين ذرية تستخدم في نماذج البرمجيات (الشكل 2). considerati خاصةإضافات لإقامة هذا النظام يمكن العثور عليها في المواد التكميلية.
الشكل 2. التحقيق في المواد متناهية الصغر السيليكا باستخدام نظام التصور 3D / VR. (أ) بإنشاء الباحث نموذجا cristobalite الأولي (بلوري) قبل المحاكاة المعتمدة على GPU. (ب) عند إجراء MD محاكاة الإجراء تذوب إخماد على النموذج المبين في الفقرة (أ)، باحث آخر يحصل على نموذج زجاج السيليكا (غير البلورية). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
3D / VR التصور تعزيز النظام – MD محاكاة القدرة:
ديناميات الجزيئية يتم تنفيذ أنظمة المحاكاة عادة فيأزياء متعددة العقدي، وهذا هو، يتم توزيع عبء العمل كبير أو بشكل متوازي بين عشرات الآلاف من المعالجات. مؤخرا، ظهرت فرص إضافية للحوسبة العلمية المتسارعة من التطورات في معالجة الرسومات الكمبيوتر. وتشمل هذه التطورات واجهة البرنامج يسمح العلماء للاستفادة من طبيعة موازية للغاية من قوة المعالجة الجوهرية لرقائق الرسومات. مع ظهور حساب العمارة جهاز الموحدة أو CUDA 7، يمكن للعلماء استخدام وحدات معالجة الرسومات 8 لتعزيز السرعة التي يتم حل المشاكل مع الحد من تكلفة البنية التحتية. قد يكون للGPU نموذجي ما يعادل مئات الآلاف من النوى أو "العقد" لمعالجة المعلومات، ولأن هذه يمكن لكل استخدامها في موازاة ذلك، قد توفر حلا مشفرة جيدا حتى 1،000x تسارع الخرج ضد نظيرتها متعددة النواة . رغم انه من غير مناسبة تماما كل مشكلة لهذا النهج، شهدت المحاكاة MD الحالية تصل إلى 15مكاسب العاشر من أداء نقل 9. تفاصيل عن 3D / VR نظام التصور تعزيز MD-GPU يمكن العثور عليها في المواد التكميلية.
Protocol
Representative Results
Discussion
العناصر الحاسمة في نجاح تركيب واستخدام نظام التصور 3D / VR هي مفصلة في البيئة المادية واعتبارات التصميم واعتبارات خاصة في المواد التكميلية. وتشمل الاعتبارات الهامة تركيب ارتفاع شاشة 3D لراحة طويلة الأجل أو استخدام الجذور، إلى أقصى حد تتبع كاميرا محمولة ارتفاع…
Declarações
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) |
Referências
- 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).
