Method Article

Nowatorskie interaktywne środowisko 3D/VR do symulacji, wizualizacji i analizy MD

DOI:

10.3791/51384

⸱

December 18th, 2014

 ,  , 
1Materials Science and Engineering, School of Engineering, University of California Merced

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nowy system obliczeniowy z akcelerowaną przez GPU symulacją dynamiki molekularnej oraz wizualizacją 3D/VR, analizą i manipulacją nanostruktur został zaimplementowany, reprezentując nowatorskie podejście do zaawansowanych badań materiałowych i promowania innowacyjnych badań i alternatywnych metod uczenia się o strukturach materialnych o wymiarach niewidocznych dla ludzkiego oka.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rosnący rozwój informatyki (sprzętu i oprogramowania) w ostatnich dziesięcioleciach wpłynął na badania naukowe w wielu dziedzinach, w tym w materiałoznawstwie, biologii, chemii i fizyce. Zaprezentowano nowy system obliczeniowy do dokładnej i szybkiej symulacji oraz wizualizacji 3D/VR nanostruktur, wykorzystujący program komputerowy LAMMPS do analizy molekularnej (MD) o otwartym kodzie źródłowym. Ta alternatywna metoda obliczeniowa wykorzystuje nowoczesne procesory graficzne, technologię NVIDIA CUDA i specjalistyczne kody naukowe w celu pokonania barier prędkości przetwarzania typowych dla tradycyjnych metod obliczeniowych. W połączeniu z systemem rzeczywistości wirtualnej wykorzystywanym do modelowania materiałów, ulepszenie to pozwala na dodanie funkcji przyspieszonej symulacji MD. Motywacją jest zapewnienie nowatorskiego środowiska badawczego, które jednocześnie umożliwia wizualizację, symulację, modelowanie i analizę. Celem badań jest zbadanie struktury i właściwości nanostruktur nieorganicznych (np. nanosprężyn ze szkła krzemionkowego) w różnych warunkach z wykorzystaniem tego innowacyjnego systemu obliczeniowego. Prezentowana praca zawiera opis Systemu Wizualizacji 3D/VR i jego podstawowych komponentów, przegląd ważnych kwestii, takich jak środowisko fizyczne, szczegóły dotyczące konfiguracji i użytkowania nowatorskiego systemu, ogólną procedurę przyspieszonego ulepszania MD, informacje techniczne i odpowiednie uwagi. Efektem tych prac jest stworzenie unikalnego systemu obliczeniowego łączącego symulację, wizualizację i interaktywność materiałów w nanoskali w środowisku wirtualnym, który jest zarówno instrumentem badawczym, jak i dydaktycznym na Uniwersytecie Kalifornijskim w Merced.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Materiałoznawstwo to interdyscyplinarna dziedzina, która bada relacje struktura-właściwości w materii pod kątem ich zastosowania w wielu dziedzinach nauki i inżynierii. Ponieważ relacje między strukturą a właściwościami są badane nie tylko za pomocą eksperymentów, ale także za pomocą symulacji komputerowych, narzędzia obliczeniowe oferują uzupełniające funkcje, które mogą usprawnić wysiłki badawcze. Chociaż nanomateriały są przedmiotem zainteresowania naukowców i mają wartość odkupieńczą ze względu na ich potencjalny wpływ społeczny, ten reżim wielkości jest obarczony wieloma wyzwaniami, zwłaszcza w przypadku eksperymentów.

Symulacje komput....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Zainstaluj oprogramowanie do modelowania 3D/VR na komputerze do modelowania

  1. Zainstaluj podstawowy system operacyjny LINUX na komputerze modelarskim (Ubuntu x86 / AMD64 w zależności od sprzętu).
  2. Zmodyfikuj podstawowy system operacyjny LINUX.
    1. Zainstaluj biblioteki i dodaj funkcje w razie potrzeby.
  3. Zainstaluj oprogramowanie do modelowania VRUI i NCK 3D/VR na Modeling PC6.
    1. Sprawdź powiązane strony internetowe1,6, aby uzyskać najnowsze wersje wszystkich komponentów oprogramowania do modelowania.
    2. Kompilacja, konfiguracja i testowanie niechronionych użytkowników dróg (VR....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ten system wizualizacji 3D/VR oferuje nowe możliwości prowadzenia badań materiałoznawczych. Ponieważ to immersyjne środowisko działa w czasie rzeczywistym, w formie danych wejściowych i wyświetlania 3D, badacz ma do dyspozycji w pełni interaktywny instrument w nanoskali2. Postępując zgodnie z przedstawionym tutaj protokołem, spiralna nanowstążka krzemionkowa została stworzona w ten sposób krok po kroku. Migawka tej struktury uzyskanej z LAMMPS MD jest pokazana na rysunku 7. Konstrukcja ta zost.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kluczowe elementy udanej instalacji i użytkowania Systemu Wizualizacji 3D/VR są szczegółowo opisane w Zagadnieniach dotyczących środowiska fizycznego i projektowania oraz Rozważania specjalne w materiałach dodatkowych. Ważne kwestie związane z instalacją obejmują wysokość wyświetlacza 3D zapewniającą wygodne długotrwałe użytkowanie w pozycji stojącej lub siedzącej, zmaksymalizowaną wysokość zamontowanej kamery śledzącej w celu stworzenia dużego obszaru roboczego 3D, stabilną kamerę śledz.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Pragniemy wyrazić wdzięczność za oryginalną inspirację i szerokie wsparcie udzielone nam w kierunku stworzenia tego systemu przez dr Olivera Kreylosa z UC Davis Institute for Data Analysis and Visualization. Jego rady i pomoc odegrały kluczową rolę w naszym sukcesie.

Pragniemy również podziękować programowi NSF BRIGE za zapewnienie funduszy na ten projekt. Materiał ten oparty jest na pracach wspieranych przez National Science Foundation w ramach grantu nr 1032653.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
61-calowy telewizor DLP o wysokiej rozdzielczości Samsung z obsługą 3DSamsunghttp://www.samsung.com/us/video/tvsPatrz Protokół Rozdział 3 (Krok 3.2)  (Wielkoformatowy telewizor z obsługą 3D)
Komputer do modelowania Alienware Area51 750iAlienwarehttp://www.alienware.comPatrz Protokół Rozdział 1 (Krok 1.1)  (Komputer modelarski)
Komputer śledzący HP EliteBook 8530wHPa href="http://www.hp.com/">http://www.hp.comPatrz Rozdział 2 protokołu (krok 2.3)  (Komputer śledzący)
V100:Kamery śledzące R2 IR (3)Naturalpointhttp://www.naturalpoint.com/optitrack/products/v100-r2/Patrz Rozdział 2 protokołu (Krok 2.1) i Odniesienie [4]  (Kamery śledzące)
Narzędzia do śledzenia OptiTrack Oprogramowanie do śledzenia w podczerwieniNaturalpointhttp://www.naturalpoint.com/optitrack/software/Patrz Rozdział 2 protokołu (Krok 2.3) i Odniesienie [4]  (Oprogramowanie śledzące)
Gogle 3D i nadajnik podczerwieni 3D TVIlixcohttp://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.htmlPatrz Rozdział 3 protokołu (Krok 3.2) i Odniesienie [5]  (gogle 3D)
Kontroler Wiimote 3DNintendohttp://www.nintendo.com/wiiPatrz Protokół Sekcja 3 (Krok 3.2)  (Wiimote)
VRUI, NCK i powiązane oprogramowanie do modelowania 3D/VR Oprogramowanieopen sourcehttp://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.htmlPatrz Protokół Sekcja 1 (Krok 1.3) i Odnośniki [1,6]  (VRUI, NCK)
Oprogramowanie do dynamiki molekularnej LAMMPS Oprogramowanieopen sourcehttp://lammps.sandia.gov/  Patrz Rozdział 5 Protokołu (Krok 5.2) i Odniesienie [12]  (ŁAJDAKI)
Kod i pliki programu NanospringCarverUC Merced - open sourcehttp://tinyurl.com/qame8djPatrz Protokół Sekcja 5 (Krok 5.4) i Odnośniki [16-17]  (Rzeźbiarz Nanospring)
Pliki GUI MATLABUC Merced - open sourcehttp://tinyurl.com/qame8djPatrz Protokół Sekcja 5 (Krok 5.4) i Odnośniki [16-17]  (Rzeźbiarz Nanospring)
Atomistyczny plik wejściowy szkła luzemUC Merced - open sourcehttp://tinyurl.com/qame8djPatrz Protokół Sekcja 5 (Krok 5.4) i Referencje [16-17]  (Rzeźbiarz Nanospring)
<

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Kreylos website, O. Low-Cost VR 3D/VR tutorial. , University of California Davis. Davis, CA. Available from: http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/LowCostVR/index.html (2013).
  2. Doblack, B. N., Flores, C., Matlock, T., Dávila, L. P. The emergence of immersive low-cost 3D virtual reality environments for interactive learni....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

3D VR VisualizationMolecular Dynamics SimulationNanostructure AnalysisLAMMPS SoftwareCUDA TechnologyVirtual Reality SystemAtomistic ModelingTensile SimulationNCK SoftwareOptiTrack Cameras

Related Articles