רומן 3D / VR הסביבה אינטראקטיבית לMD סימולציות, ויזואליזציה וניתוח
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
ההתפתחות הגוברת של מחשוב (חומרה ותוכנה) בעשורים האחרונים השפיעה מחקר מדעי בתחומים רבים, כולל מדע חומרים, ביולוגיה, כימיה ופיסיקה בין רבים אחרים. מערכת חישובית חדשה להדמיה מדויקת ומהירה והדמיית 3D / VR של ננו מוצגת כאן, באמצעות הקוד הפתוח תוכנת מחשב דינמיקה מולקולרית (MD) LAMMPS. שיטה חישובית חלופה זו משתמשת במעבדים מודרניים גרפיקה, טכנולוגית NVIDIA CUDA וקודים מדעיים מיוחדים כדי להתגבר על מחסומי מהירות עיבוד משותפים לשיטות מחשוב מסורתיות. בשיתוף עם מערכת מציאות מדומה משמשת מודל חומרים, שיפור זה מאפשר תוספת של יכולת הסימולציה MD מואצת. המוטיבציה היא לספק סביבת מחקר חדשנית שבו זמנית מאפשרת הדמיה, סימולציה, דוגמנות וניתוח. מטרת המחקר היא לחקור את המבנה ותכונות של n אורגניanostructures (למשל, nanosprings זכוכית סיליקה) בתנאים שונים באמצעות מערכת חישובית חדשנית זה. העבודה הוצגה מתווה תיאור של מערכת 3D / VR ויזואליזציה ומרכיבים בסיסיים, סקירה של שיקולים חשובים כמו איכות הסביבה הפיסית,, מידע טכני, פרטים על ההתקנה ושימוש במערכת רומן נוהל כללי לשיפור MD המואץ , והערות רלוונטיות. ההשפעה של עבודה זו היא יצירת מערכת חישובית ייחודית המשלבת חומרים ננומטריים סימולציה, הדמיה ואינטראקטיביות בסביבה וירטואלית, שהוא גם מכשיר מחקר והוראה באוניברסיטת קליפורניה במרסד.
Introduction
מדע חומרים הוא שדה בין-תחומי הבוחן את יחסי מבנה-רכוש בעניין ליישום שלהם לתחומים רבים של מדע והנדסה. כיחסי מבנה-רכוש נחקרים באמצעות סימולציות מחשב, בנוסף לניסויים, בכלים חישוביים מציעים תכונות משלימות שיכול לשפר את מאמצי מחקר. בעוד ננו הוא עניין למדענים ויש להם ערך פדיון להשפעה החברתית את הפוטנציאל שלהם, משטר בגודל זה הוא טומן בחובת אתגרים רבים מצאו במיוחד בניסויים.
הדמיות מחשב תאפשר למדענים ומהנדסים כדי לבצע בדיקות מיוחדות במגוון הרחב של הסביבות מוגבלות רק על ידי זמן ומשאבים חישוביים. דינמיקה מולקולרית סימולציות (MD) לאפשר לזמן המתאים ואורך מאזניים ללמוד תופעות של העניין בננו רב. סימולציות להרחיב את המחקר של חומרים על ידי הסרת המגבלות של tהוא מעבדה פיזית, כלים חישוביים אולם רבים חוסר ממשקים נגישים, אינטואיטיבי למחקר. שיפור בתצוגה הגרפית של דגמים, אלגוריתמים חישוביים יעילים, ויחידת עיבוד גרפית מחשוב (GPU) המבוסס להשלים את מאמצי סימולציה הנוכחיות. מכשירי הגרפיקה החדשים אלה משלבים עם יחידות עיבוד מרכזיות ביעילות כדי לאפשר חישובים מתמטיים אינטנסיביים כדי להיות מושלם על ידי GPU. התוצאה היא תאוצה יעילה של חישוב על סדר 10x לוו בירידה בצריכת חשמל של עד 20x.
המטרה של פרויקט מחקר זה הייתה לפתח וליישם כלי חדשני לחקירה הננו שמתחבר ישירות ממשק אינטראקטיבי לסימולציות MD, ניתוח מדע חומרים והדמיית 3D. מערכת חדשנית זו עם יכולות ניתוח ייחודיות ורבות עוצמה כבר בשימוש למחקר בקנה מידה ננומטרי וחינוך באוניברסיטה קליפורניה במרסד, עם השלכות ישירות לrel האחר שדות STEM ated כגון ננוטכנולוגיה, פיסיקה, ביולוגיה, גיאולוגיה ו, ויתרון אולטימטיבי לחינוך וחברה.
מערכת הדמיית 3D / VR יושמה כשני כלי מחקר ובהוראה המאפשר יצירה ומניפולציה של מבנים אטומיים בסביבת מציאות מדומה 3D אינטראקטיבי (VR). המערכת נוצרה מתוך סדרה של בעלויות נמוכות יחסית ורכיבים נגישים הבאות המודל שפותח במקור על ידי ד"ר אוליבר Kreylos בUC Davis 1.
להלן תמונה של פריסת 3D הסופי / מערכת ויזואליזציה VR, עם מרכיבים חשובים שכותרתו (איור 1). מערכת זו הוקמה במקור למטרות חינוך באוניברסיטת קליפורניה במרסד בשנת 2009. יישום 3D המקורי / מערכת VR הביא פרסומי ביקורת עמיתים 2-3. טבלת 1 להלן מסכמת מאפיינים מרכזיים עבור כל רכיב של מערכת הדמיית 3D / VR.
ntent "fo: לשמור-together.within-page =" תמיד ">
1. 3D / מערכת איור VR ויזואליזציה ומרכיביה העיקריים (משמאל) במעבדת מחקר Davila בUCM ומכשירי הדמיה (מימין). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
| פריט | רכיב | פונקציונלי במערכת |
| הטלוויזיה 3D | תצוגת 3D של מבנים מולקולריים דגם ותפריטים על המסך. | |
| B | מצלמות אינפרא אדום (IR) מעקב 4 | מצלמות IR עמדות אחר משקפי הצפייה Wiimote ו3D בסביבת עבודת המשתמשים מול הטלוויזיה 3D, המאפשר virהמניפולציה tual 3D של מבנים מוצג. |
| C | מחשב מעקב | פועל תוכנת מעקב המצלמה IR ומעביר עמדות המשקפיים Wiimote ו3D למחשב דוגמנות. |
| D | Wiimote | המשמש לניהול של תוכנת מודלים שעל המסך ולתפעל מבנים בסביבה וירטואלית 3D. |
| E | משקפי 3D 5 | מסונכרן עם אות הטלוויזיה 3D IR, מאפשר תצוגת 3D של מבנה. עמדה במעקב של מצלמות IR עבור תצוגת 3D מדויקת. |
| F | מחשב דוגמנות | פועל NCK / VRUI 3D דוגמנות ותצוגת תוכנת 6, מקבל אותות המשקפיים / עמדת Wiimote ובקרה ליצירת תצוגת מבנה המולקולרי 3D מדויק. |
פונקציונליות 1. טבלה של מרכיבים העיקריים של המערכת להדמיה 3D / VR בUCM.
Description של מערכת הדמיית 3D / VR ורכיבי יסוד:
סקירת 3D / VR יזואליזציה מערכת – 3D / מערכת ויזואליזציה VR מורכבת מסדרה של מצלמות IR ותוכנת מעקב הפועל בשיתוף עם תוכנת מודלים 3D כדי לאפשר למשתמש ליצור באופן אינטראקטיבי 3D מבנים מולקולריים. מצלמות IR והתוכנה לעקוב אחר מיקומו של 3D Wiimote ו3D משקפי צפייה באמצעות סמני IR, ולהעביר את זה לתוכנת הדוגמנות. התוכנה משתמשת במודלי אותות בקרת Wiimote ותנועה ליצירת מבנים מולקולריים 3D לצפייה באמצעות השילוב של טלוויזיה בפורמט גדול 3D-מסוגל עם משקפי 3D מסונכרנים ומעקב. התוצאה היא סביבת עבודה של מציאות מדומה 3D בתוך שבו המשתמש יכול דינמי ליצור ולטפל מבנים מולקולריים וירטואליים המשקפים התנהגות פיזית בעולם האמיתי המבוסס על כוחות הבין-אטומיים המשמשים בתוכנת הדוגמנות (איור 2). considerati מיוחדניתן למצוא תוספות להקמת מערכת זו בחומרים משלימים.
איור 2. חקירת ננו סיליקה באמצעות מערכת הדמיית 3D / VR. (א) חוקר יוצר מודל ראשוני cristobalite (גבישים) לפני סימולציות מבוססות GPU. (ב) עם ביצוע הליך להמס-להרוות MD המדומה לדגם שמוצג (א), חוקר אחר משיג מודל זכוכית סיליקה (שאינם גבישי). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
3D / שיפור מערכת ויזואליזציה VR – יכולת הסימולציה MD:
דינמיקה מולקולרית מערכות סימולציה מיושמות בדרך כלל באופנה רב-קטרי, כלומר, עומס עבודה גדולה מופצת או parallelized בקרב עשרות אלפי מעבדים. לאחרונה, הזדמנויות נוספות למחשוב מדעי מואץ התעוררו מהתפתחויות בעיבוד גרפיקה ממוחשבת. התפתחויות אלה כוללות ממשק תוכנה מאפשר למדענים לנצל את הטבע המקביל מאוד של כוח העיבוד הפנימי לשבבי גרפיקה. עם כניסתו של אדריכלות Compute Unified Device או 7 CUDA, מדענים יכולים להשתמש GPUs 8 כדי לשפר את המהירות שבה בעיות נפתרות תוך הפחתת העלות של תשתית. GPU טיפוסי עשוי להיות שווה הערך של מאות עד אלפי ליבות או "צמתים" לעיבוד מידע, וכמו אלה יכולים כל אחד לשמש במקביל, פתרון מקודד היטב יכול לספק עד 1,000x האצת תפוקה נגד עמיתו רב-הליבה שלה . למרות שלא כל בעיה מתאימה היטב לגישה זו, סימולציות MD הנוכחיות ראו עד 15x ביצועי תפוקה זוכה 9. ניתן למצוא את פרטים על שיפור MD-GPU מערכת הדמיית 3D / VR בחומרים משלימים.
Protocol
Representative Results
Discussion
אלמנטים קריטיים בהתקנה והשימוש המוצלחות של מערכת הדמיית 3D / VR מפורטים בסביבה הפיזית ושיקולי עיצוב ושיקולים מיוחדים בחומרים משלימים. שיקולי התקנה חשובים לכלול גובה תצוגת 3D עבור מעמד לטווח ארוך נוח או שימוש יושב, מוגדל מעקב גובה מצלמה מותקנת כדי ליצור שטח גדו…
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).
