Roman 3D / MD Simülasyonlar, Görselleştirme ve Analiz VR İnteraktif Çevre
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
Son yıllarda bilgisayar (donanım ve yazılım) artan gelişimi diğerleri arasında malzeme bilimi, biyoloji, kimya ve fizik gibi birçok alanda bilimsel araştırma etkiledi. Doğru ve hızlı simülasyon ve nanoyapılarda 3D / VR görselleştirme için yeni bir hesaplama sistemi moleküler dinamik (MD) bilgisayar programı LAMMPS açık kaynak kullanarak, burada sunulmaktadır. Bu alternatif hesaplama yöntemi, geleneksel işlem yöntemleri için ortak işlem hızı engelleri aşmak için modern grafik işlemcileri, NVIDIA CUDA teknolojisi ve uzman bilimsel kodları kullanır. Malzemeleri modellemek için kullanılan bir sanal gerçeklik sistemi ile birlikte, bu geliştirme hızlandırılmış MD simülasyon yeteneği eklenmesine izin verir. motivasyon eş zamanlı görselleştirme, simülasyon, modelleme ve analiz izin veren yeni bir araştırma ortamı sağlamaktır. Araştırma amacı inorganik n yapısını ve özelliklerini incelemek içinanostructures (örneğin, silika, cam nanosprings) bu yeni hesaplama sistemi kullanılarak hazırlanabilmektedir. sunulan iş gibi fiziksel çevre gibi 3D / VR Görüntüleme Sistemi ve temel bileşenleri, önemli hususlar bir bakış açıklamasını özetliyor, yeni sistemin kurulumu ve kullanımı ile ilgili detaylar, hızlandırılmış MD geliştirme için genel bir prosedür, teknik bilgiler ve ilgili açıklamalar. Bu çalışmanın etkisi UC Merced bir araştırma ve öğretim aracı hem de bir sanal ortamda, nano malzemeler simülasyon, görselleştirme ve etkileşim birleştiren eşsiz bir hesaplama sistemi oluşturulmasıdır.
Introduction
Malzeme bilimi bilim ve mühendislik birçok alanda uygulama için maddenin yapı-özellik ilişkileri inceleyen disiplinler arası bir alandır. Yapı-özellik ilişkileri deneylere ek olarak bilgisayar simülasyonları ile incelenmiştir gibi, hesaplama araçları araştırma çabalarını artırabilir tamamlayıcı özellikler sunuyor. Nano bilim adamlarının ilgi ve onların potansiyel sosyal etkileri için kurtarıcı değere sahip iken, bu boyut rejimi, özellikle deney bulunan birçok zorluklarla doludur.
Bilgisayar simülasyonları bilim adamları ve mühendisler sadece zaman ve hesaplama kaynaklarla sınırlı ortamlarda çok çeşitli uzman testlerini gerçekleştirmek için izin verir. Moleküler dinamik (MD) simülasyonları uygun zamanı vermek ve uzunluğu birçok nanomateryallerin ilgi fenomenleri incelemek için ölçekler. Simülasyonlar t kısıtlamaları kaldırarak malzemelerin çalışma genişletmekO, ancak birçok hesaplama araçları araştırma için erişilebilir, sezgisel arayüzleri fiziksel laboratuvar eksikliği. Modellerin grafik ekran, etkin hesaplama algoritmaları, grafik ve işlem birimi (GPU) tabanlı hesaplama ile Geliştirme mevcut simülasyon çalışmalarını tamamlayacak. Bu yeni grafik cihazlar matematiksel yoğun hesaplama GPU gerçekleştirilebilir izin vermek için etkili bir merkezi işlem birimleri ile birleşir. Sonuç 20x'e kadar güç tüketiminde bir azalma eşlik 10x sırasına hesaplama etkili bir hızlanma olduğunu.
Bu araştırma projesinin amacı geliştirmek ve doğrudan MD simülasyonları, malzeme bilimi analizi ve 3 boyutlu görselleştirme için interaktif bir arayüz bağlayan nanobilim soruşturma için yeni bir araç uygulamak oldu. Benzersiz ve güçlü analiz yetenekleri ile bu yenilikçi sistem, diğer rel doğrudan etkileri olan, UC Merced de nano araştırma ve eğitim için kullanılır olmuştur eğitim ve topluma nanoteknoloji, fizik, biyoloji, jeoloji ve, ve nihai fayda olarak bir- KÖK alanları.
3D / VR Görüntüleme Sistemi hem de oluşturulmasını ve bir etkileşimli 3D sanal gerçeklik (VR) ortamında atomik yapıların manipülasyon sağlayan bir araştırma ve öğretim aracı uygulanmıştır. Sistem başlangıçta UC Davis 1 Dr. Oliver Kreylos tarafından geliştirilen modelin şu nispeten düşük maliyetli ve erişilebilir bileşenlerin bir dizi oluşturuldu.
Aşağıda etiketli önemli bileşenler (Şekil 1) ile nihai 3D / VR Görüntüleme Sistemi düzeni fotoğraf, olduğunu. Bu sistem aslında orijinal 3D / VR sisteminin uygulanması hakemli yayınlarda sonuçlandı 2009 yılında UC Merced de eğitim amaçlı kurulmuştur 2-3. Aşağıdaki Tablo 1 3D / VR Görselleştirme Sistemi her elemanı için anahtar özelliklerini özetlemektedir.
ntent "fo: keep-together.within sayfa =" always ">
Şekil 1. 3D / VR Görüntüleme Sistemi ve UCM ve görselleştirme cihazlar (sağda) ile Davila Araştırma Laboratuarında ana bileşenleri (solda). Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
| Madde | Bileşen | Sistemde İşlevsellik |
| Bir | 3D TV | Modellenen moleküler yapıların 3 boyutlu ekran ve ekran menüleri. |
| B | Kızılötesi (IR) izleme kameraları 4 | IR kameralar 3D TV önünde kullanıcı çalışma alanında Wiimote ve 3D görüntüleme gözlük parça pozisyonları, izin virGörüntülenen yapıların dilen 3D manipülasyon. |
| C | Takip PC | IR kamera izleme yazılımı çalıştırır ve modelleme bilgisayara Wiimote ve 3D gözlük pozisyonları iletir. |
| D | Wiimote | Modelleme yazılımı ekran yönetimi için kullanılan ve 3D sanal ortamda yapıları işlemek için. |
| E | 3D gözlük 5 | 3D TV IR sinyali ile senkronize, yapının 3D görünüm sağlar. Doğru 3D görünüm IR kameralar tarafından izlenen Pozisyon. |
| F | Modelleme Bilgisayar | , NCK / VRUI 3D modelleme ve görüntüleme yazılımı 6 çalıştırır doğru 3D moleküler yapı görünümü oluşturmak için gözlük / Wiimote pozisyonu ve kontrol sinyallerini kabul eder. |
UCM 3D / VR Görselleştirme Sistemi'nin ana unsurları Tablo 1. İşlevsellik.
Descriptio3D / VR Görüntüleme Sistemi ve Temel Bileşenleri n:
3D / VR Görüntüleme Sistemi Genel Bakış – 3D / VR Görüntüleme Sistemi kızılötesi kameralar ve kullanıcı etkileşimli 3D moleküler yapıları oluşturmak için izin 3D modelleme yazılımı ile birlikte çalışan izleme yazılımı bir dizi oluşur. IR kameralar ve yazılım IR işaretlerini kullanarak bir Wiimote ve 3D görüntüleme gözlük 3D konumunu izlemek ve modelleme yazılımı bu geçmek. modelleme yazılımı senkronize ve paletli 3D gözlük ile 3D özellikli geniş formatlı televizyon kombinasyonunu kullanarak görüntülenebilir 3D moleküler yapıları oluşturmak için Wiimote kontrol sinyalleri ve hareket kullanır. Bu kullanıcı dinamik oluşturmak ve modelleme yazılımı kullanılan arası atom güçlerine dayalı (Şekil 2) gerçek dünya fizik davranışı yansıtan sanal moleküler yapıları manipüle hangi içinde 3D sanal gerçeklik çalışma alanında sonuçlanır. Özel consideratiBu sistemi kurmak için ons tamamlayıcı malzemeler bulunabilir.
Şekil 3D / VR Görselleştirme Sistemi kullanılarak silika nanomalzemeleri incelenmesi 2.. (A) Bir araştırmacı GPU tabanlı simülasyonlar önce ilk kristobalit modeli (kristal) oluşturur. (B) (a), başka bir araştırmacı, bir silis cam modeli (kristal olmayan) elde gösterilen model üzerinde simüle MD eritmek-söndürme işlemi gerçekleştirmeden üzerine. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
3D / VR Görüntüleme Sistemi Geliştirme – MD Simülasyon Yeteneği:
Simülasyon sistemleri yaygın bir uygulanan Moleküler dinamikÇok düğüm moda, yani, büyük bir iş yükü işlemci binlerce onlarca arasında dağıtılır veya paralelleştiriliyor. Son zamanlarda, hızlandırılmış bilimsel hesaplama için ek fırsatlar bilgisayar grafikleri işleme gelişmelerin dışında ortaya çıkmıştır. Bu gelişmeler bilim adamları grafik yongaları içsel işlem gücü son derece paralel doğa yararlanmak için izin bir yazılım arayüzü vardır. Compute Unified Cihaz Mimarlık veya CUDA 7 gelişiyle birlikte, bilim adamları altyapı maliyetini azaltırken sorunlar çözüldü hızını artırmak için GPU'ları 8 kullanabilirsiniz. Tipik bir GPU bilgileri işlemek için çekirdek binlerce ya da "düğümler" için yüzlerce eşdeğer olabilir ve bunlar her paralel olarak kullanılabildiği gibi, bir de-kodlu çözüm, çok çekirdekli karşısında çıktı ivme 1,000x kadar sağlayabilir . Her sorunun bu yaklaşım çok uygundur olmasa da, mevcut MD simülasyonları 15 kadar gördükx verim performansı 9 kazanır. 3D / VR görüntüleme sistemi MD-GPU donanıma Detaylar tamamlayıcı malzemeler bulunabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
3D / VR Görselleştirme Sistemi başarılı kurulum ve kullanım Kritik elemanlar Fiziksel Çevre ve Tasarım Hususlar ve ek malzemelerin özel Hususlar ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Önemli Montaj hususlar rahat uzun süreli ayakta veya oturarak kullanım için 3D görüntü yüksekliği dahil, IR-yansıtıcı unsurların geniş bir 3D çalışma alanı, istikrarlı izleme kamera ve zamanla yapılandırmasını korumak için 3D ekran desteği, ve kaldırma oluşturmak için …
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).
