소설 3D / MD 시뮬레이션, 시각화 및 분석을위한 VR 대화 형 환경
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
지난 수십 년 동안 컴퓨팅 (하드웨어 및 소프트웨어)의 증가 개발은 많은 다른 사람의 사이에서 재료 과학, 생물학, 화학, 물리학 등 많은 분야에서 과학적 연구를 영향을하고있다. 정확하고 빠른 시뮬레이션과 나노 구조의 3D / VR 시각화를위한 새로운 전산 시스템은 분자 역학 (MD) 컴퓨터 프로그램 LAMMPS 오픈 소스를 사용하여, 여기에 표시됩니다. 이 대안 계산 방법은 기존의 컴퓨팅 방법에 공통 처리 속도 장벽을 극복하기 위해 현대적인 그래픽 프로세서, NVIDIA CUDA 기술과 전문 과학 코드를 사용합니다. 재료를 모델링하는 데 사용되는 가상 현실 시스템과 연계이 향상된 가속 MD 시뮬레이션 기능의 추가를 허용한다. 동기 동시에 시각화, 시뮬레이션, 모델링 및 분석을 허용하는 신규 연구 환경을 제공하는 것이다. 연구 목표는 무기 N의 구조와 특성을 조사하는 것입니다anostructures (예를 들면, 석영 유리 나노 스프링)이 혁신적인 전산 시스템을 이용하여 다양한 조건 하에서. 제시된 작업은 물리적 환경으로 3D / VR 시각화 시스템 및 기본 구성 요소, 중요한 고려 사항의 개요에 대한 설명을 간략하게 설명, 새로운 시스템의 설치 및 사용에 대한 자세한 가속 MD 향상을위한 일반적인 절차, 기술 정보 및 관련 발언. 이 작품의 영향은 UC 머 시드에서 연구 및 교육 장비 둘 다 가상 환경에서 나노 물질 시뮬레이션, 시각화 및 상호 작용을 결합한 독특한 전산 시스템의 창조이다.
Introduction
재료 과학은 과학 및 공학의 여러 분야에 자신의 응용 프로그램에 대한 문제에 구조 속성 관계를 검사 학제 적 분야입니다. 구조 속성 관계가 실험뿐만 아니라 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 조사에 따라, 계산 도구는 연구 노력을 향상시킬 수있는 보완적인 기능을 제공합니다. 나노 과학자들이 관심을 자신의 잠재적 인 사회적 영향에 대한 구속의 값을 가지고 있지만,이 크기 정권은 특히 실험에서 발견되는 많은 도전을 내포한다.
컴퓨터 시뮬레이션은 과학자와 엔지니어는 시간과 컴퓨팅 자원에 의해 제한 환경의 큰 다양한 전문 테스트를 수행 할 수 있습니다. 분자 역학 (MD) 시뮬레이션은 적절한 시간을 허용하고 길이는 많은 나노 물질에 대한 관심의 현상을 연구하기 위해 확장됩니다. 시뮬레이션은 t의 제약을 제거하여 재료의 연구를 확장그는 그러나 많은 계산 도구는 연구에 대한 접근, 직관적 인 인터페이스를 물리 실험실이 부족하다. 모델의 그래픽 디스플레이, 계산 효율적인 알고리즘 및 그래픽 프로세싱 유닛 (GPU) 기반 컴퓨팅 향상 시뮬레이션은 현재의 노력을 보완. 이러한 새로운 디바이스는 그래픽 집약적 인 수학적 계산 GPU에 의해 수행 될 수 있도록 효율적으로 중앙 처리 장치와 결합한다. 결과는 최대 20 배의 전력 소비의 감소를 동반 10 배 정도의 계산의 유효 가속도이다.
이 연구 프로젝트의 목표는 개발하고 직접 MD 시뮬레이션, 재료 과학 분석 및 3D 시각화에 대한 대화 형 인터페이스를 연결하는 나노 과학 조사를위한 새로운 도구를 구현하는 것이 었습니다. 독특하고 강력한 분석 기능이 혁신적인 시스템은 다른 REL에 직접 영향과 함께, UC 머 시드에서 나노 연구와 교육에 사용 된 이러한 교육과 사회에 나노 기술, 물리학, 생물학, 지질학, 그리고 궁극적 인 혜택으로 ated STEM 분야.
3D / VR 시각화 시스템 모두로 생성 및 대화 형 3D 가상 현실 (VR) 환경에서 원자 구조의 조작을 할 수있는 연구 및 교육 장비를 구현되었습니다. 이 시스템은 원래 UC 데이비스 1 박사 올리버 Kreylos에 의해 개발 된 모델을 다음과 같은 상대적으로 저렴한 비용으로 접근 컴포넌트의 집합에서 만들어졌습니다.
아래 표시된 중요한 구성 요소 (그림 1)과 최종 3D / VR 시각화 시스템 레이아웃의 사진입니다. 이 시스템은 원래 원래 3D / VR 시스템의 구현이 피어 리뷰 출판물 결과 2009 년 UC 머 시드에서 교육을 목적으로 설립되었다 2-3. 아래의 표 1은 3D / VR 시각화 시스템의 각 요소에 대한 주요 특징을 요약 한 것입니다.
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그림 1. 3D / VR 시각화 시스템 및 UCM 및 시각화 장치 (오른쪽)의 빌라 연구소의 주요 구성 요소 (왼쪽). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 상품 | 구성 요소 | 시스템의 기능 |
| 3D TV | 모델 분자 구조의 3D 디스플레이 및 온 스크린 메뉴. | |
| B | 적외선 (IR) 추적 카메라 (4) | IR 카메라 3D TV 앞의 사용자 작업 공간에서의 Wiimote 및 3D 시청 고글의 트랙 위치, 수 비르표시 구조의 tual 3D 조작. |
| C | 추적 PC | IR 카메라 추적 소프트웨어를 실행하고 모델링 컴퓨터에 Wiimote의 및 3D 고글 위치를 전송한다. |
| 디 | Wiimote의 | 모델링 소프트웨어의 화면 관리에 사용되는 및 3D 가상 환경에서 구조를 조작 할 수 있습니다. |
| E | 3D 고글 (5) | 3D TV IR 신호 동기화, 구조의 3D보기를 할 수 있습니다. 정확한 3D 뷰 IR 카메라로 추적 위치. |
| F | 모델링 PC | , NCK / VRUI 3D 모델링 및 디스플레이 소프트웨어 (6)을 실행 정확한 3D 분자 구조 뷰를 작성하는 고글 / Wiimote의 위치와 제어 신호를 받아들입니다. |
UCM에서 3D / VR 시각화 시스템의 주요 요소 표 1. 기능.
Descriptio3D / VR 시각화 시스템 및 기본 구성 요소의 N :
3D / VR 시각화 시스템 개요 – 차원 / VR 시각화 시스템 IR 카메라 및 사용자에게 대화 형 3 차원 분자 구조를 생성 할 수 있도록 3 차원 모델링 소프트웨어와 함께 동작하는 소프트웨어의 추적의 집합으로 이루어져있다. IR 카메라와 소프트웨어는 IR 마커를 사용하여 Wiimote의 및 3D 시청 고글의 3D 위치를 추적하고, 모델링 소프트웨어에이를 전달합니다. 모델링 소프트웨어를 추적 및 동기화 3D 고글 3D 호환 대형 텔레비전의 조합을 이용하여 볼 수있는 3 차원 분자 구조를 생성하는 Wiimote의 제어 신호와 움직임을 이용한다. 이것은 사용자가 동적으로 생성하고 모델링 소프트웨어에 사용되는 원 자간 력에 기초하여 (도 2) 실제 물리적 동작을 반영하는 가상 분자 구조를 조작 할 수있는 내 차원 가상 현실 작업 공간을 초래한다. 특별 considerati에이 시스템을 설정하기위한 기능이 보충 자료에서 발견 될 수있다.
그림 3D / VR 시각화 시스템을 사용하여 실리카 나노 물질을 조사합니다. () 연구원은 GPU 기반의 시뮬레이션 전에 초기 크리스토발라이트 모델 (결정)을 작성합니다. (B) (A), 또 다른 연구원은 실리카 유리 모델 (비 결정을) 취득에 표시된 모델을 시뮬레이션 MD 용융 급냉 절차를 수행하면. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
3D / VR 시각화 시스템 강화 – MD 시뮬레이션 기능 :
시뮬레이션 시스템은 일반적으로 구현되는 분자 동역학다중 노드 패션은, 즉, 많은 워크로드 프로세서 수천 수만 분산 또는 병렬된다. 최근 가속화 과학 컴퓨팅에 대한 추가 기회가 컴퓨터 그래픽 처리의 발전에서 제기했다. 이러한 진보 과학자 그래픽 칩에 고유의 처리 능력이 높은 병렬 특성을 활용할 수 있도록 소프트웨어 인터페이스를 포함한다. 통합 컴퓨팅 디바이스 아키텍처 또는 CUDA 7의 출현으로, 과학자들은 인프라 비용을 줄이면서 문제가 해결되는 속도를 향상시키기 위해 GPU가 8을 사용할 수있다. 전형적인 GPU는 정보 처리 수천 개의 코어 또는 "노드"로 수백 당량을 가질 수 있으며, 이들 각각이 병행하여 사용될 수있는 바와 같이, 잘 – 코딩 된 용액은 멀티 코어 대응 대 처리량 가속을 1000 배까지 제공 할 수있다 . 모든 문제는 이러한 접근 방식에 잘 적합하지 않지만, 현재의 MD 시뮬레이션은 15도 하였다X 처리량 성능은 9 얻는다. 3D / VR 시각화 시스템 MD-GPU 향상에 대한 자세한 내용은 보충 자료에서 찾을 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
3D / VR 시각화 시스템의 성공적인 설치 및 사용에 중요한 요소는 물리적 환경과 설계 고려 사항 및 보충 자료의 특별 고려 사항에 자세히 설명되어 있습니다. 중요 설치 고려 사항 편안 장기간 서 있거나 앉아있는 사용을 위해 3D 디스플레이의 높이를 포함, IR 반사 요소의 큰 3D 작업 영역, 안정적인 추적 카메라와 시간이 지남에 따라 구성을 유지하기 위해 3D 디스플레이 지…
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).
