Name: 新颖的3D / VR互动环境MD模拟，可视化和分析 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-12-18T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 29 s
Description: 探索基于GPU加速的分子动力学模拟与3D/VR可视化集成系统，用于分析纳米结构行为。该方法通过交互式环境实现材料科学创新研究，支持构建和模拟纳米螺旋结构。

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我们衷心感谢加州大学戴维斯分校数据可视化与分析研究所的 Oliver Kreylos 博士为我们开发本系统所提供的最初灵感和大力支持。他的建议与帮助对我们的成功至关重要。
我们还要感谢美国国家科学基金会（NSF）BRIGE项目为本研究提供的资助。本研究工作依据资助号1032653获得美国国家科学基金会的支持。

1. 在建模计算机上安装 3D/VR 建模软件
<ol>
	<li>在建模计算机上安装 LINUX 基础操作系统（根据硬件选择 Ubuntu x86 或 AMD64）。</li>
	<li>修改 LINUX 基础操作系统。
	<ol>
		<li>根据需要安装库文件并添加功能。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在建模计算机上安装 VRUI 和 NCK 3D/VR 建模软件6。
	<ol>
		<li>访问相关网站1,6，获取所有建模软件组件的最新版本。</li>
		<li>编译、配置并测试 VRUI。</li>
		<li>安装并测试 NCK。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 设置追踪系统1
<ol>
	<li>安装红外追踪摄像头4
	<ol>
		<li>在靠近天花板处、3D电视前边缘正上方创建一个刚性摄像头悬挂架，以获得最佳覆盖范围。将3个摄像头安装在万向支架上，位置分别位于3D电视的前左角、前右角和前中心正上方。确保每个摄像头的覆盖角度刚好掠过电视的前表面。</li>
		<li>调整摄像头方向，使其平行于3D电视正面的覆盖角度最大（45度），垂直于电视正面的方向则使用较窄的覆盖角度（30度）。确保在所需的3D工作空间内实现最大程度的重叠。为成功追踪，需保证物体始终处于至少两个摄像头的视野范围内（图3）。 
		<img alt="多摄像头监控示意图，展示安防系统中摄像头覆盖范围的重叠情况。" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig3highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图3"> 
		图3. 红外追踪摄像头的覆盖范围，以最大化电视前方的3D工作空间。 部分（A）和（B）分别为相对于3D/VR可视化系统的正面和侧面视图。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig3highres.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a></li>
	</ol>
	</li>
	<li>如有必要，可尝试其他摄像头布局，以创建足够的3D工作空间。当摄像头垂直安装距离受限时，可能需要进行此类调整。</li>
	<li>安装并校准追踪软件
	<ol>
		<li>根据随附的安装手册，在追踪计算机上安装OptiTrack刚体工具包。</li>
		<li>根据环境条件设置阈值、曝光和照明参数，并将采集质量设为高，具体操作详见追踪软件说明。</li>
		<li>进行“ Wand Capture”时，务必从3D工作空间中移除所有其他反光材料。使用反光棒在摄像头重叠的工作区域内平稳移动。重复操作，直至标准误差和平均误差均低于“0.5”，然后保存校准文件。</li>
		<li>设置地面平面，以确立被追踪3D工作区域的坐标系原点。按照追踪软件说明，定义Wiimote和3D眼镜的被追踪对象。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>完成VRUI校准
	<ol>
		<li>设置VRUI以接收来自追踪计算机的追踪数据。</li>
		<li>使用DeviceTest校准工具验证VRUI中的追踪功能。</li>
		<li>对齐VRUI的3D显示系统与追踪软件的坐标系。</li>
		<li>使用AlignTrackingMarkers对齐软件设置被追踪Wiimote和3D眼镜的方向。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 准备3D建模系统以供使用
<ol>
	<li>开始之前，取下所有反光的首饰（即， 手表，耳环，金属 等等。不要取下为看清屏幕所必需的矫正眼镜。</li>
	<li>组装3D/VR可视化系统的设备：
	<ol>
		<li>计算机建模</li>
		<li>追踪计算机</li>
		<li>大尺寸支持3D功能的电视</li>
		<li>建模计算机与3D电视之间的视频线缆</li>
		<li>用于3D电视的3D红外发射器</li>
		<li>用于建模和追踪计算机的以太网电缆</li>
		<li>带有追踪鹿角的Wiimote（控制器）</li>
		<li>带追踪角的3D眼镜（3D goggles）5</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将控制器小心放置在便于从建模计算机处轻松触及的位置，注意不要触碰或移动附着在其上的球形红外追踪标记。</li>
	<li>将3D眼镜小心放置在电视支架上（同前，务必避免触碰反光标记）。</li>
	<li>将安装在3D显示器上方的三台红外相机的USB线缆连接至追踪计算机的三个USB端口，连接时确保计算机处于关机状态。</li>
	<li>找到3D电视遥控器，并将其放置在3D电视前方。</li>
	<li>将视频线缆连接至建模计算机的显卡和3D电视的视频输入端口。同时，将3D红外发射器连接至3D电视的3D同步输出端，并将发射器放置在电视支架上靠近电视的一侧，朝上对准护目镜使用时的位置。务必格外小心，切勿移动已校准的电视位置。</li>
	<li>在开启建模计算机电源之前，先打开3D电视，以确保计算机能够正确识别。</li>
	<li>打开建模计算机。待建模计算机启动并显示登录提示后，在建模计算机的LINUX系统中登录到适当的账户。</li>
	<li>当建模计算机桌面可用后，使用3D电视遥控器按下“info/i”按钮，检查视频电缆连接状态。确保电视屏幕左上角显示“1920x1080 @ 60hz”。若未显示，重启建模计算机以正确识别3D电视。同时，使用遥控器设置菜单确保电视处于3D输出模式2。</li>
	<li>在建模计算机桌面上，打开一个包含多个标签页的终端窗口。</li>
	<li>在追踪计算机上，通过在命令窗口中输入“ipconfig”来确认以太网适配器的IP地址。</li>
	<li>在建模计算机上，打开一个终端窗口标签，检查 VRDevices.cfg 文件中的“serverName”是否定义了跟踪计算机以太网适配器的 IP 地址。</li>
	<li>如有必要，修改 VRDevices.cfg 中的“serverName” IP 地址，使其与跟踪计算机的以太网适配器匹配，并保存 VRDevices.cfg。</li>
	<li>在跟踪计算机上启动 OptiTrack 刚体工具软件。</li>
	<li>等待软件完全打开后，点击顶部菜单附近标有“Load Calibration Result”的大按钮。</li>
	<li>浏览并打开相应的相机校准文件。</li>
	<li>文件加载后，点击“文件”菜单，然后选择“加载刚体定义”。</li>
	<li>浏览并打开用于追踪控制器和3D护目镜的相应刚体定义文件。</li>
	<li>在跟踪软件的最右侧窗格中，找到标有“Streaming”的部分，展开该部分，在“VRPN Streaming”类别下确认所列端口号为3883，然后勾选“VRPN Streaming Engine”类别内的“Broadcast frame data”复选框。</li>
	<li>在建模计算机旁，确保控制器要么直接握在手中，要么触手可及（最远不超过2秒即可拿到）。</li>
	<li>在建模计算机上，打开本会话中先前创建的终端窗口中的标签页，导航至相应目录并启动 VRDeviceDaemon 软件， 例如， 输入“./VRDeviceDaemon”.</li>
	<li>按照提示“按下按钮1 &amp; 同时按下Wiimote上的2键。”如果操作成功，窗口现在将显示“VRDeviceServer：等待客户端连接”。</li>
</ol>
4. 使用 NCK 软件测试 3D/VR 可视化系统
以下操作说明介绍了如何使用 NCK 软件的屏幕菜单设置控制器工具功能，然后如何从单个碳原子开始在 3D/VR 工作区中构建并操控碳纳米管（图 4）。有关测量所得键角和键长的方法说明（步骤 4.4.10）可在线获取10。
<img alt="使用虚拟现实工具进行3D分子建模；沉浸式化学相互作用研究。" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig4highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图4"> 
图4. 本科生使用3D/VR可视化系统研究碳纳米管（CNTs）。 照片（A）至（F）展示了单壁碳纳米管的构建过程。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig4highres.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
<ol>
	<li>在步骤 3.11 创建的建模计算机终端窗口中，选择第三个标签页。要启动 NCK 软件，请导航至 NCK 安装目录并输入： 
	“./NanotechConstructionKit -rootSection localhost -domainsize 36”。</li>
	<li>务必小心，不要触碰或松动已连接的追踪标记，戴上 3D 护目镜并拿起控制器。调整头部/护目镜的视角位置，确保 3D 护目镜接收到 3D 电视红外发射器的同步信号，从而能够在电视显示器上实现 3D/VR 观看。</li>
	<li>为了获得添加、移动和删除原子的工具集，请将 NCK 命令关联到控制器的按钮，具体如下：
	<ol>
		<li>按住 Wiimote 上的 Home 按钮，调出主 NCK 屏幕菜单，导航至并选择“Override Tools”菜单项，然后松开 Home 按钮。这将允许独立地将不同命令分配给控制器上的各个按钮。</li>
		<li>要将 Wiimote 触发按钮（位于控制器底部）与 NCK 中操纵原子的操作相关联，请按住触发按钮，通过屏幕上的 NCK 菜单导航至“Dragger”，选择“6-DOF Dragger”，然后松开触发按钮。此时触发按钮已与操纵原子的操作相关联。</li>
		<li>要将添加原子的功能分配给 Wiimote 上的“+”按钮，请按住 Home 按钮调出主菜单，导航至“Structural Unit Types”，选择“Triangle”，然后松开 Home 按钮。</li>
		<li>接着按住“+”按钮，导航至“Dragger”，选择“6-DOF Dragger”，然后松开“+”按钮。此时“+”按钮已与创建所选类型的新原子（本例中为以三角形表示的碳原子）相关联。</li>
		<li>要将删除原子的功能分配给 Wiimote 上的“-”按钮，请按住“Home”按钮调出主菜单，然后导航至“Structural Unit Types”，选择“Delete Selected Units”，再松开 Home 按钮。</li>
		<li>接下来，按住“-”按钮，导航至“Dragger”，再选择“6-DOF Dragger”，然后松开“-”按钮。此时“-”按钮已与删除原子的功能相关联。</li>
		<li>采用类似步骤，将“Lock Selected Units”功能分配给 Wiimote 的“1”按钮，将“Unlock Selected Units”功能分配给控制器的“2”按钮。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>控制器按钮配置完成后，使用 NCK 按以下步骤创建碳纳米管：
	<ol>
		<li>使用“+”按钮，在 NCK 工作区中添加两个具有三个键的三角形碳原子。使用触发按钮移动这两个原子，直到它们在一个顶点处连接。</li>
		<li>再添加 4 个碳原子，形成一个六角星形结构。</li>
		<li>使用“Home”菜单，导航至“I/O Menus”，然后选择“Save Units”。</li>
		<li>将这个六角星结构从当前位置移开。</li>
		<li>使用“Home”菜单，导航至“I/O Menus”，然后选择“Load Units”。</li>
		<li>重复上述最后两个步骤，直到创建出一个由 6 行 6 列六原子环组成的六角形片层结构（图 5A）。</li>
		<li>使用“1”按钮，锁定顶行中的一个原子和底行中相对的另一个原子。被锁定的原子将以粉红色标记（图 5B）。</li>
		<li>使用触发按钮，小心地将其中一个被锁定的原子沿圆弧移动，使其自由顶点接近另一侧被锁定原子的自由顶点。当两个顶点足够接近时，它们之间会出现一条绿色连线，表示原子间的吸引力将促使它们形成化学键（图 5C）。成功连接后，使用“2”按钮解锁这两个原子。</li>
		<li>继续以类似方式依次锁定、连接并解锁碳片层中相对的原子顶点，从而有效地将片层“拉链式”闭合为最终的碳纳米管（图 5D–5F）。 
		<img alt="纳米结构形变过程；模拟示意图；材料柔性；机械应力分析" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig5highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 5"> 
		图 5. 单壁碳纳米管（CNT）的逐步构建过程，显示（A）6 × 6 的六角形碳环片层（石墨烯）；（B）相对的碳原子被“锁定”（以粉红色三角形表示），以便在真实原子间作用力条件下更易操控；（C）小心弯曲碳（石墨烯）片层，使相对两侧的原子能够成键；（D）锁定另外两个相对的碳原子，以辅助进一步弯曲碳片层；（E）继续连接更多相对的碳原子，使碳片层进一步弯曲形成纳米管；（F）原始碳片层（石墨烯）中相对原子依次成键后形成的最终碳纳米管。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig5highres.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a></li>
		<li>碳纳米管构建完成后，使用屏幕上的测量工具确认其结构角度和距离10。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. 分子动力学模拟模型的可视化
<ol>
	<li>将初始的晶体 SiO2 立方模型导入 3D/VR NCK 软件，并分析其初始结构（见图 2A）。</li>
	<li>选择开源程序 MDCASK11 和 LAMMPS12，因其功能非常适合本研究重点。本研究采用后者，因其具备多种原子间势函数及 GPU 计算能力。使用 LAMMPS 分子动力学（MD）软件包12，对该初始结构执行模拟熔融/淬火过程，以生成非晶态 SiO2 结构。有关该模拟过程的详细信息可参见先前发表的文献13-15。</li>
	<li>将生成的新型非晶态（无序）SiO2 模型导入 3D/VR NCK 软件，并分析其结构（见图 2B）。</li>
	<li>利用开源代码 NanospringCarver16 及其相关操作说明文档17，从该新型非晶态固体中构建 SiO2 纳米弹簧/纳米带（图 6）。 <img alt="XYZ 空间中带有粒子轨迹的静态平衡 3D 示意图；展示动态运动路径。" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig6highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 6"> 
	图 6. 使用 NanospringCarver 程序创建纳米弹簧过程中不同阶段的逐步原子选择过程示意图。 图中（A-D）分别表示该过程完成 25%、50%、75% 和 100% 的状态17。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig6highres.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a></li>
	<li>使用 LAMMPS MD 软件包对纳米弹簧/纳米带进行拉伸模拟（图 7）。该过程的详细信息可参见先前发表的文献15。 
	<img alt="DNA 双螺旋的分子结构、3D 模型、基因测序图、遗传学研究。" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig7highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 7"> 
	图 7. LAMMPS MD 模拟二氧化硅螺旋纳米结构（纳米带）拉伸过程结果的快照图像。</li>
	<li>使用开源软件工具 VMD（Visualize Molecular Dynamics）18、ImageMagick19 和 FFmpeg20，生成整个模拟过程中螺旋纳米结构的快照和动画（动态图 1），用于在 3D/VR 可视化系统中展示。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig7highres.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a></li>
</ol>
<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/Animated_Fig1-movie%20NR-0140_frames.mov" target="_blank">动态图 1</a>. 螺旋纳米结构拉伸模拟动画。

<ol><li>Kreylos website, O. Low-Cost VR 3D/VR tutorial. , University of California Davis. Davis, CA. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/LowCostVR/index.html">http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/LowCostVR/index.html</a> (2013).</li>
<li>Doblack, B. N., Flores, C., Matlock, T., Dávila, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+emergence+of+immersive+low-cost+3D+virtual+reality+environments+for+interactive+learning+in+materials+science+and+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Res.+Soc.+Symp.+Proc%22%5BJournal%5D)">The emergence of immersive low-cost 3D virtual reality environments for interactive learning in materials science and engineering.</a> Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1320, (2011).</li>
<li>Flores, C., Matlock, T., Dávila, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhancing+materials+research+through+innovative+3D+environments+and+interactive+manuals+for+data+visualization+and+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Res.+Soc.+Symp.+Proc%22%5BJournal%5D)">Enhancing materials research through innovative 3D environments and interactive manuals for data visualization and analysis.</a> Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1472, (2012).</li>
<li>IR tracking camera and software source. , Naturalpoint. U.S.A. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.naturalpoint.com/optitrack">http://www.naturalpoint.com/optitrack</a> (2013).</li>
<li><a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+goggle+source%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">3D goggle source.</a> , Ilixco. U.S.A. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html">http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html</a> (2013).</li>
<li>Kreylos, O. Nanotech Construction Kit. , University of California Davis. Davis, CA. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html">http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html</a> (2013).</li>
<li>Compute Unified Device Architecture (CUDA). , U.S.A. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.nvidia.com/object/cuda_home_new.html">http://www.nvidia.com/object/cuda_home_new.html</a> (2013).</li>
<li>Graphics Processing Unit (GPU) computing. , U.S.A. Available from: <a target="_blank" href="http://www.nvidia.com/object/what-is-gpu-computing.html">http://www.nvidia.com/object/what-is-gpu-computing.html</a> (2013).</li>
<li>GPU applications. , U.S.A. Available from 
 <a target="_blank" href="http://www.nvidia.com/object/gpu-applications.html?mDicS">http://www.nvidia.com/object/gpu-applications.html?mDicS</a> (2013).</li>
<li>“3D/VR Visualization System - Startup and Shutdown Protocol” and “3D/VR Visualization System – CNT Modeling Example” documents. , University of California Merced. Merced, CA. Available from: 
 <a target="_blank" href="https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/3d-vr-visualization-system-dissemination-of-research-results-and-products">https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/3d-vr-visualization-system-dissemination-of-research-results-and-products</a> (2013).</li>
<li>MDCASK molecular dynamics code. , Livermore National Laboratory. Livermore, CA. Available from: 
 <a target="_blank" href="https://asc.llnl.gov/computing_resources/purple/archive/benchmarks/mdcask">https://asc.llnl.gov/computing_resources/purple/archive/benchmarks/mdcask</a> (2013).</li>
<li>LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) molecular dynamics code. , Steve Plimpton. Albuquerque, NM. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://lammps.sandia.gov">http://lammps.sandia.gov</a> (2014).</li>
<li>Feuston, B. P., Garofalini, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Empirical+three-body+potential+for+vitreous+silica%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Empirical three-body potential for vitreous silica.</a> J. Chem. Phys. 89 (9), 5818-5824 (1988).</li>
<li>Dávila, L. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transformations+in+the+medium-range+order+of+fused+silica+under+high+pressure%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Transformations in the medium-range order of fused silica under high pressure.</a> Phys. Rev. Lett. 91 (20), 2055011-2055014 (2003).</li>
<li>Doblack, B. N. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aDoblack%2C+BN+%22The+structure+and+properties+of+silica+glass+nanostructures+using+novel+computational+systems%22">The structure and properties of silica glass nanostructures using novel computational systems</a>. , University of California Merced. Merced, CA. (2013).</li>
<li>NanospringCarver. , University of California Merced. Merced, CA. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products">http://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products</a> (2013).</li>
<li>Meagher, K. A., Doblack, B. N., Ramirez, M., Dávila, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scalable+nanohelices+for+predictive+studies+and+enhanced+3D+visualization%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vis.+Exp%22%5BJournal%5D)">Scalable nanohelices for predictive studies and enhanced 3D visualization.</a> J. Vis. Exp. In-Press, Forthcoming.</li>
<li>Visualize Molecular Dynamics (VMD). Open source molecular visualization software. , U.S.A. Available from:
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<li>ImageMagick. , U.S.A. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.imagemagick.org">http://www.imagemagick.org</a> (2013).</li>
<li>FFmpeg. Open source multimedia file converter. , U.S.A. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.ffmpeg.org">http://www.ffmpeg.org</a> (2013).</li>
<li>Interactive Molecular Dynamics Simulation. Theoretical and Computational Biophysics Group. , U.S.A. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/imd">http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/imd</a> (2014).</li>
<li>Molecular Control Toolkit. Aquaria: Integrating Sequences, Features, and 3D Structures. , Australia. c2013-2014 Available from: 
 <a target="_blank" href="http://aquaria.ws">http://aquaria.ws</a> (2014).</li>
<li>Nano-D Research Group. Algorithms for Modeling and Simulation of Nanosystems. , France. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://nano-d.inrialpes.fr">http://nano-d.inrialpes.fr</a> (2014).</li>
<li><a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((University+of+California+Television+%28UCTV%29%5BTitle%5D)+AND+%22Our+Digital+Life+series%3A+The+Future%3A+Teaching+and+Life-Saving+Tools+episode%22%5BJournal%5D)">University of California Television (UCTV).</a> Our Digital Life series: The Future: Teaching and Life-Saving Tools episode. , University of California. U.S.A. Available from: <a target="_blank" href="http://www.uctv.tv/search-details.aspx?showID=23734">http://www.uctv.tv/search-details.aspx?showID=23734</a> (2013).</li>
</ol>

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

成功安装和使用3D/VR可视化系统的几个关键要素详见补充材料中的物理环境与设计考虑以及特殊注意事项。重要的安装考虑因素包括：3D显示器的高度应适合长时间站立或坐姿使用时的舒适性；尽可能提高跟踪摄像头的安装高度，以创建较大的3D工作区域；确保跟踪摄像头和3D显示器的支撑结构稳定，以长期维持系统配置；并清除3D工作区域内的红外反射物体。如安装说明中所述，若跟踪摄像头的安装高度受限，则可能需要调整摄像头的朝向，以尽可能扩大3D工作区域。
在配置跟踪软件期间，反射棒捕捉步骤对最终的跟踪精度至关重要。应仔细操作，将反射棒在整个跟踪相机重叠区域内平稳且充分地移动，避免遮挡任何相机或引入其他反射性物体，并根据需要重复此步骤，直至达到所需的误差值。如上文所述，在系统使用过程中，建议在3D眼镜上加装小型遮光罩，以防止跟踪用红外信号与3D同步红外信号相互干扰，同时应使用全新的3D眼镜电池，以最大限度地提高眼镜的3D同步性能。此外，应始终注意避免触碰或改动3D眼镜和Wiimote上的红外反射球体，不得物理移动跟踪相机或3D显示器的位置，...

材料科学是一门跨学科领域，研究物质的结构-性能关系，并将其应用于科学与工程的诸多领域。除了通过实验进行研究外，结构-性能关系还可借助计算机模拟来探究，计算工具提供了可增强科研工作的互补性功能。尽管纳米材料因其潜在的社会影响而受到科学家关注并具有重要应用价值，但这一尺度范围在实验方面尤其面临诸多挑战。
计算机模拟使科学家和工程师能够在各种环境中进行专门测试，其应用范围仅受限于时间和计算资源。分子动力学（MD）模拟能够在适当的时间和长度尺度上研究多种纳米材料中的感兴趣现象。模拟研究通过消除物理实验室的限制扩展了材料科学的探索边界，然而许多计算工具缺乏易于访问且直观的研究界面。通过结合模型的图形化显示、高效的计算算法以及基于图形处理单元（GPU）的计算，可增强当前的模拟工作。这些新型图形设备能够与中央处理器高效协同，使数学计算密集型任务由GPU完成。其结果是计算效率有效提升了约10倍，同时功耗最多可降低20倍。
本研究项目的目标是开发并实施一种用于纳米科学研究的新工具，该工具将交互式界面直接与分子动力学模拟、材料科学分析和三维可视化技术相结合。这一具有独特且强大分析能力的创新系统已在加州大学默塞德分校用于纳米尺度的研究与教学，并对纳米技术、物理学、生物学和地质学等其他相关STEM领域产生直接影响，最终惠及教育与社会。
3D/VR 可视化系统被开发为一种研究与教学工具，可在交互式三维虚拟现实（VR）环境中创建和操控原子结构。该系统基于加州大学戴维斯分校 Oliver Kreylos 博士最初开发的模型，由一组相对低成本且易于获取的组件构建而成1。
以下是最终的3D/VR可视化系统布局照片，重要组件已标注（图1）。该系统最初于2009年在加州大学默塞德分校为教育目的而建立。原始3D/VR系统的实施已产生经同行评审的出版物2-3。下表表1总结了3D/VR可视化系统各个组成部分的关键特性。
<img alt="带有追踪摄像头、3D电视和计算机的3D可视化装置；增强现实实验。" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig1highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图1"> 
图1. 位于中国台湾大学（UCM）Davila研究实验室的3D/VR可视化系统及其主要组件（左），以及可视化设备（右）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig1highres.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>项目</td>
			<td>组件</td>
			<td>系统中的功能</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>A</td>
			<td>3D 电视</td>
			<td>用于显示建模的分子结构及屏幕菜单的 3D 显示。</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>B</td>
			<td>红外线（IR）追踪摄像头4</td>
			<td>红外摄像头追踪用户工作区中 Wiimote 和 3D 观看眼镜相对于 3D 电视的位置，实现对显示结构的虚拟 3D 操作。</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C</td>
			<td>追踪用计算机</td>
			<td>运行红外摄像头追踪软件，并将 Wiimote 与 3D 眼镜的位置信息传输至建模计算机。</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D</td>
			<td>Wiimote</td>
			<td>用于屏幕上的建模软件管理，并在 3D 虚拟环境中操控分子结构。</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>E</td>
			<td>3D 眼镜5</td>
			<td>与 3D 电视的红外信号同步，实现结构的 3D 视图；其位置由红外摄像头追踪，以确保 3D 视图的准确性。</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>F</td>
			<td>建模用计算机</td>
			<td>运行 NCK/VRUI 3D 建模与显示软件6，接收眼镜和 Wiimote 的位置及控制信号，生成精确的 3D 分子结构视图。</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1. 马德里康普顿斯大学3D/VR可视化系统主要组件的功能。
三维/虚拟现实可视化系统的描述及基本组成：
3D/VR 可视化系统概述 — 3D/VR 可视化系统由一组红外（IR）摄像头和跟踪软件组成，与 3D 建模软件协同运行，使用户能够交互式地创建 3D 分子结构。红外摄像头和软件通过红外标记追踪 Wiimote 手柄和 3D 观察眼镜的三维位置，并将数据传输至建模软件。建模软件利用 Wiimote 的控制信号和运动信息，生成可通过支持 3D 的大尺寸电视结合同步且被跟踪的 3D 眼镜观看的 3D 分子结构。由此形成一个 3D 虚拟现实工作环境，用户可在其中动态创建和操控虚拟分子结构，这些结构基于建模软件中所采用的原子间作用力，反映真实世界的物理行为（图 2）。该系统设置的特殊注意事项详见补充材料。
<img alt="使用VR控制器进行交互式分子三维建模；可视化与模拟设置" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig2highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图2"> 
图2. 利用三维/虚拟现实可视化系统研究二氧化硅纳米材料。（a）研究人员在基于GPU的模拟之前，构建初始的方石英模型（晶体结构）。（b）对（a）中所示模型执行模拟的分子动力学熔融-淬火过程后，另一名研究人员获得二氧化硅玻璃模型（非晶体结构）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig2highres.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
三维/虚拟现实可视化系统增强——分子动力学模拟功能：
分子动力学模拟系统通常采用多节点方式实现，即将大规模工作负载分配或并行化到数十至数千个处理器上。近年来，计算机图形处理技术的发展为加速科学计算带来了新的机遇。这些进展包括一种软件接口，使科研人员能够利用图形芯片内在的高度并行处理能力。随着统一计算设备架构（Compute Unified Device Architecture，CUDA）7的出现，科研人员可利用GPU8显著提升问题求解速度，同时降低基础设施成本。典型的GPU可能拥有相当于数百至数千个用于信息处理的核心或“节点”，由于这些核心可并行使用，设计良好的解决方案相比多核CPU可实现高达1000倍的吞吐量加速。尽管并非所有问题都适用于该方法，但目前的分子动力学模拟已实现最高达15倍的吞吐量性能提升9。有关3D/VR可视化系统中MD-GPU增强功能的详细信息可参见补充材料。

<table><tbody><tr><td>三星 61&quot; 支持 3D 的高清 DLP 电视</td><td>三星</td><td>&lt;a href=&quot;http://www.samsung.com/us/video/tvs">http://www.samsung.com/us/video/tvs&lt;/a&gt;</td><td>参见实验方案第 3 节（步骤 3.2）&amp;nbsp;（大尺寸支持 3D 的电视）</td></tr><tr><td>外星人 Area51 750i 建模计算机</td><td>外星人</td><td>&lt;a href=&quot;http://www.alienware.com/">http://www.alienware.com&lt;/a&gt;</td><td>参见实验方案第 1 节（步骤 1.1）&amp;nbsp;（建模计算机）</td></tr><tr><td>惠普 EliteBook 8530w 跟踪计算机</td><td>惠普</td><td>&lt;a href=&quot;http://www.hp.com/">http://www.hp.com&lt;/a&gt;</td><td>参见实验方案第 2 节（步骤 2.3）&amp;nbsp;（跟踪计算机）</td></tr><tr><td>V100:R2 红外跟踪相机（3 台）</td><td>Naturalpoint</td><td>&lt;a href=&quot;http://www.naturalpoint.com/optitrack/products/v100-r2/">http://www.naturalpoint.com/optitrack/products/v100-r2/&lt;/a&gt;</td><td>参见实验方案第 2 节（步骤 2.1）和参考文献 [4]&amp;nbsp;（跟踪相机）</td></tr><tr><td>OptiTrack Tracking Tools 红外跟踪软件</td><td>Naturalpoint</td><td>&lt;a href=&quot;http://www.naturalpoint.com/optitrack/software/">http://www.naturalpoint.com/optitrack/software/&lt;/a&gt;</td><td>参见实验方案第 2 节（步骤 2.3）和参考文献 [4]&amp;nbsp;（跟踪软件）</td></tr><tr><td>3D 眼镜和 3D 电视红外同步发射器</td><td>Ilixco</td><td>&lt;a href=&quot;http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html">http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html&lt;/a&gt;</td><td>参见实验方案第 3 节（步骤 3.2）和参考文献 [5]&amp;nbsp;（3D 眼镜）</td></tr><tr><td>Wiimote 3D 控制器</td><td>Nintendo</td><td>&lt;a href=&quot;http://www.nintendo.com/wii">http://www.nintendo.com/wii&lt;/a&gt;</td><td>参见实验方案第 3 节（步骤 3.2）&amp;nbsp;（Wiimote）</td></tr><tr><td>VRUI、NCK 及相关 3D/VR 建模软件</td><td>开源软件</td><td>&lt;a href=&quot;http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html">http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html&lt;/a&gt;</td><td>参见实验方案第 1 节（步骤 1.3）和参考文献 [1,6]&amp;nbsp;（VRUI、NCK）</td></tr><tr><td>LAMMPS 分子动力学软件</td><td>开源软件</td><td>&lt;a href=&quot;http://lammps.sandia.gov/">http://lammps.sandia.gov/&amp;nbsp;&lt;/a&gt;</td><td>参见实验方案第 5 节（步骤 5.2）和参考文献 [12]&amp;nbsp;（LAMMPS）</td></tr><tr><td>NanospringCarver 程序代码和文件</td><td>加州大学默塞德分校 - 开源</td><td>&lt;a href=&quot;http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj&lt;/a&gt;</td><td>参见实验方案第 5 节（步骤 5.4）和参考文献 [16-17]&amp;nbsp;（NanospringCarver）</td></tr><tr><td>MATLAB 图形用户界面文件</td><td>加州大学默塞德分校 - 开源</td><td>&lt;a href=&quot;http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj&lt;/a&gt;</td><td>参见实验方案第 5 节（步骤 5.4）和参考文献 [16-17]&amp;nbsp;（NanospringCarver）</td></tr><tr><td>原子级块体玻璃输入文件</td><td>加州大学默塞德分校 - 开源</td><td>&lt;a href=&quot;http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj&lt;/a&gt;</td><td>参见实验方案第 5 节（步骤 5.4）和参考文献 [16-17]&amp;nbsp;（NanospringCarver）</td></tr></tbody></table>

用于分子动力学模拟、可视化与分析的新型3d/vr交互环境

Novel 3D/VR Interactive Environment for MD Simulations, Visualization and Analysis

近几十年来，计算技术（硬件和软件）的快速发展已影响到包括材料科学、生物学、化学和物理学在内的众多领域的科学研究。本文介绍了一种用于纳米结构精确快速模拟及3D/VR可视化的新型计算系统，该系统基于开源分子动力学（MD）计算机程序LAMMPS。这种替代性计算方法利用现代图形处理器、NVIDIA CUDA技术和专用科学代码，克服了传统计算方法中常见的处理速度瓶颈。结合用于材料建模的虚拟现实系统，该增强功能实现了加速MD模拟能力。其目的是提供一个创新的研究环境，能够同时实现可视化、模拟、建模与分析。研究目标是利用这一创新计算系统，在不同条件下探究无机纳米结构（例如，二氧化硅玻璃纳米弹簧）的结构与性质。本文工作概述了3D/VR可视化系统及其基本组成部件，重要考虑因素（如物理环境）的概览，新型系统的设置与使用细节，加速MD增强的一般流程、技术信息及相关说明。本研究的意义在于构建了一个独特的计算系统，将纳米尺度材料模拟、可视化和交互性融合于虚拟环境中，该系统已成为加州大学默塞德分校（UC Merced）的一项科研与教学工具。

该3D/VR可视化系统为开展材料科学研究提供了新的机遇。由于这种沉浸式环境以实时方式运行，并采用3D输入与显示形式，研究人员可以获得一个完全交互式的纳米尺度仪器2。通过遵循本文所述的实验步骤，可逐步构建出二氧化硅螺旋纳米带。由LAMMPS分子动力学模拟生成的该结构快照如图7所示。该结构随后接受了拉伸性能的模拟测试，模拟结果如动画图1所示，展示了结构在拉伸力作用下的重组过程及最终失效行为。
通过将沉浸式环境的实时交互性和可视化特性与强大的分子动力学模拟15相结合，研究人员可以获得直观的操作控制和全面的分析功能。
具有分子动力学（MD）功能的增强型3D/VR可视化系统已在加州大学默塞德分校Davila实验室的纳米科学研究中得到全面测试和应用，重点用于非晶二氧化硅纳米线、纳米带和纳米弹簧的拉伸模拟15。

已开发出一种新型计算系统，该系统采用GPU加速的分子动力学模拟，并结合纳米结构的3D/VR可视化、分析与操控功能，为推进材料研究提供了全新途径，促进了对人类肉眼不可见尺度材料结构的创新性探索与替代性学习方法。

用于分子动力学模拟、可视化与分析的新型3D/VR交互环境

近几十年来，计算技术（硬件与软件）的快速发展对包括材料科学在内的多个领域的科学研究产生了深远影响……

本实验的总体目标是可视化并分析三维真实世界纳米结构的行为。首先，通过构建具备模拟功能的交互式三维可视化系统来实现这一目标；第二步是在交互式环境中构建并研究三维纳米结构。接下来，从选定的块体材料制备三维纳米螺旋结构，并利用该系统进行拉伸或其他模拟。最后一步是可视化并分析该纳米结构在三维真实世界中的原子级行为。最终，本研究中的三维可视化系统可用于通过分子动力学（MD）模拟研究真实的纳米结构，从而推动材料创新研究。我在加州大学戴维斯分校时就有了这种方法的想法，当时我正与奥利弗·克雷戈博士合作，研究这项技术在材料科学领域的科研与教学中的应用。三维可视化和交互是计算材料探索与分析的重要工具。因此，我们希望这项工作能够帮助其他人进一步拓展相关研究。接下来将由我实验室的研究生米格尔·迪亚兹（Miguel Diaz）进一步演示该实验流程。首先，在靠近天花板处、3D 电视前方边缘正上方的位置搭建一个稳固的相机悬挂架，以获得最佳覆盖范围。将三个红外（ir）相机安装在可旋转支架上，并置于 3D 电视前部两个角落及前部中央的正上方。确保每个摄像头的覆盖角度刚好触及电视的前表面。接下来，按照文本方案中所述，组装并配置用于三维虚拟现实（3D VR）可视化系统的设备和软件，小心地将控制器放置在从建模计算机旁易于触及的位置，注意不要触碰或移动附着在其上的球形红外追踪标记。同时，将3D眼镜小心地放置在电视支架上，避开反射标记，以免影响后续的设置。如文本方案中所述，在建模计算机桌面上的跟踪计算机上打开一个包含多个选项卡的终端窗口。在建模计算机的命令窗口中输入 IP config，以验证以太网适配器的 IP 地址。打开一个终端窗口选项卡，并在 VR devices.dot cfg 文件中检查服务器名称是否指定了跟踪计算机上以太网适配器的 IP 地址。等待 OptiTrack 刚体工具软件完全打开。然后点击顶部菜单附近标有“加载校准结果”的大按钮。浏览并打开相应的相机校准文件。文件加载完成后，单击文件菜单并选择加载刚体定义。在跟踪软件右侧的窗格中，浏览并打开与被追踪控制器和3D护目镜对应的刚体定义文件。找到标记为“流式传输”的部分，并展开VRPN流式传输类别下的该部分内容。确认所列出的端口号为 3 8 8 3，并在建模计算机的 VRPN 流引擎类别中勾选广播帧数据框。打开本会话中先前创建的终端窗口中的一个标签页，导航至并启动 VR 设备守护进程软件。接下来，按照提示同时按下 WiMo 上的按钮一和按钮二。如果操作成功，窗口将显示 VR 设备服务器正在等待客户端连接，该信息位于先前创建的建模计算机终端窗口内。选择第三个选项卡以启动 NCK 软件。进入 NCK 安装目录，输入此处显示以及文本方案中列出的命令，操作时务必小心，不要触碰或松动已连接的追踪标记。戴上 3D 护目镜并拿起控制器。调整头戴护目镜

novel-3dvr-interactive-environment-for-md-simulations-visualization

Research

科研

JoVE Journal

Engineering

工程

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