Роман 3D / VR Интерактивная среда для МД, визуализации и анализа

1Materials Science and Engineering, School of Engineering, University of California Merced
Published 12/18/2014
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

Doblack, B. N., Allis, T., Dávila, L. P. Novel 3D/VR Interactive Environment for MD Simulations, Visualization and Analysis. J. Vis. Exp. (94), e51384, doi:10.3791/51384 (2014).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Все большее развитие вычислительного (аппаратное и программное обеспечение), в последние десятилетия повлияли научные исследования во многих областях, включая материаловедения, биологии, химии и физики среди многих других. Новый вычислительная система для точного и быстрого моделирования и 3D / VR визуализации наноструктур, представленные здесь, используя открытый источник молекулярной динамики (МД) компьютерная программа LAMMPS. Эта альтернатива вычислительный метод использует современные графические процессоры, технологии NVIDIA CUDA и специализированные научные коды преодолеть скорость обработки барьеров, общих для традиционных вычислительных методов. В сочетании с системы виртуальной реальности, используемого для моделирования материалов, это усиление позволяет добавлять ускоренного MD возможностью моделирования. Мотивация, чтобы обеспечить новый исследовательскую среду, которая одновременно позволяет визуализировать, моделирование, моделирование и анализ. Цель исследования состоит в изучении структуры и свойств неорганических азотныхanostructures (например, из кварцевого стекла нанопружины) при различных условиях с использованием этого инновационного вычислительной системы. Работа, представленная излагается описание Visualization System 3D / VR и основных компонентов, Обзор важных соображений, таких как физической среды, подробные сведения о настройке и использовании новой системы, общий порядок ускоренного повышения MD, техническая информация и соответствующие замечания. Влияние этой работы является создание уникального вычислительной системы, объединяющей наноматериалов моделирования, визуализации и взаимодействия в виртуальной среде, которая является одновременно научной и преподавательской инструмент в Калифорнийском университете в Мерсед.

Introduction

Материалы наука междисциплинарная область, которая изучает взаимоотношения структура-свойство в вопросе их применения во многих областях науки и техники. Как отношения структура-свойства исследованы с помощью компьютерных симуляций, в дополнение к экспериментам, вычислительные инструменты предлагают дополнительные возможности, которые могут повысить научно-исследовательских работ. В то время как наноматериалы представляют интерес для ученых и имеют определенной ценности для их потенциального социального воздействия, этот размер режима чревато многими проблемами, найденных в частности в экспериментирования.

Компьютерное моделирование позволяет ученые и инженеры для выполнения специализированных тестов в большом разнообразии условий, ограниченных только по времени и вычислительных ресурсов. Молекулярной динамики (МД) моделирование позволяют подходящее время и длина шкалы для изучения явлений, представляющих интерес во многих наноматериалов. Симуляторы расширить изучение материалов путем удаления ограничения тон физическую лабораторию, однако многие вычислительные средства отсутствуют доступные и интуитивно понятные интерфейсы для исследований. Повышение с графическим дисплеем моделей, эффективных вычислительных алгоритмов и графические процессор (GPU) на основе вычислений дополняют нынешние усилия моделирования. Эти новые графические устройства в сочетании с центральными процессорами эффективно, чтобы математически интенсивные расчеты должны быть выполнены на GPU. Результатом является эффективное ускорение вычислений порядка 10х сопровождается снижением энергопотребления до 20x.

Цель данного исследовательского проекта было разработать и внедрить новую инструмент для нанонауки исследования, которые непосредственно соединяет интерактивный интерфейс для МД, анализ Материаловедение и 3D-визуализации. Эта инновационная система с уникальными и мощными возможностями анализа был использован для наноразмерных исследований и образования в Калифорнийском университете в Мерсед, с прямыми последствиями для других отн ованные STEM областях, таких как нанотехнологии, физики, биологии и геологии, и главным образом в интересах образования и общества.

Система визуализации 3D / VR была внедрена и как научно-исследовательский и учебный инструмент, который позволяет создавать и манипулировать атомных структур в интерактивном 3D виртуальной реальности (VR) среде. Система была создана из множества относительно низкой стоимости и доступных компонентов в соответствии с моделью, первоначально разработанной доктором Оливером Kreylos Калифорнийского университета в Дэвисе 1.

Ниже фото макета окончательный 3D / Система визуализации VR, с важными компонентов с пометкой (рисунок 1). Эта система была первоначально создана для образовательных целей в Калифорнийском университете в Мерсед в 2009 году реализация оригинального 3D / системы VR привело в рецензируемых изданиях 2-3. В таблице 1 ниже приведены основные характеристики каждого элемента Visualization System 3D / VR.

ntent "FO: Keep-together.within-странице =" всегда "> Рисунок 1
Рисунок 1. 3D / VR Система визуализации и основные компоненты (слева) в научно-исследовательской лаборатории Давила на ЦСМ и устройства визуализации (справа). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

Пункт Компонент Функциональность в системе
3D-телевизор 3D-дисплей моделируемых молекулярных структур и меню на экране.
В Инфракрасный (ИК) отслеживания камеры 4 ИК-камеры отслеживают позиции Wiimote и просмотра фильмов 3D очки в рабочей области пользователя перед 3D-телевизором, позволяя вирTual 3D манипуляции отображаемых структур.
C Отслеживание PC Работает программное обеспечение камеры слежения ИК и передает Wiimote и 3D позиции Goggle для компьютерного моделирования.
D Wiimote Используется для экранного управления программного обеспечения для моделирования и манипулировать структуры в 3D виртуальной среде.
Е 3D очки 5 Синхронизация с 3D-телевизор ИК сигнала, позволяют 3D вид конструкции. Позиция отслеживается ИК-камеры для точного 3D виде.
F Моделирование PC Работает NCK / VRUI 3D моделирования и отображения программного обеспечения 6, принимает Goggle / Wiimote позиции и сигналы управления для создания точной 3D-вид молекулярную структуру.

Таблица 1. Функциональные основных элементов визуализации 3D-система / VR на ЦСМ.

Descriptioп 3D / VR Visualization System и основные компоненты:

3D / VR Визуализация Обзор системы - 3D / VR Система визуализации состоит из набора ИК-камеры и отслеживания программного обеспечения, работающих в сочетании с 3D-моделирования, чтобы пользователь интерактивно создавать 3D молекулярных структур. В ИК-камеры и программное обеспечение отслеживания 3D Местонахождение Wiimote и 3D просмотра очки с помощью ИК маркеры, и передать это программное обеспечение моделирования. Программное обеспечение для моделирования использует управляющие сигналы Wiimote и движение для создания 3D-молекулярные структуры можно просмотреть с помощью сочетания 3D-совместимый телевизор большого формата с синхронизированными и гусеничных 3D очки. Это приводит в 3D виртуальной реальности рабочей, в течение которого пользователь может динамически создавать и управлять виртуальными молекулярные структуры, которые отражают реальную физическую поведение, основанное на межатомных сил, используемых в программном обеспечении моделирования (рисунок 2). Специальные consideratiДополнения для создания этой системы можно найти в дополнительных материалах.

Фиг.2
Рисунок 2. Исследование кремния наноматериалов с использованием системы визуализации 3D / VR. () Исследователь создает исходную модель кристобалита (кристаллическая) перед GPU на основе моделирования. (Б) При проведении процедуры расплава закалки имитация MD на модели, показанной на (), другой исследователь получает модель кварцевого стекла (не кристаллическую). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

3D / VR система визуализации Аксессуар - МД Возможности:

Молекулярная динамика системы моделирования, как правило, осуществляются вмульти-узловой мода, то есть большая нагрузка распределяется или распараллелены среди десятков до тысяч процессоров. Недавно, дополнительные возможности для ускоренного научных вычислений возникли из событий в компьютерной графике обработки. Эти достижения включают в себя программный интерфейс, позволяющий ученым воспользоваться высоко параллельного характера вычислительной мощности, присущего графических чипов. С появлением вычислительных Унифицированная архитектура устройств или CUDA 7, ученые могут использовать графические процессоры 8, для повышения скорости, при которой решаются все проблемы, снижая затраты на инфраструктуру. Типичный GPU может иметь эквивалент сотен до тысяч ядер или «узлов» для обработки информации, и как они могут друг быть использованы параллельно, хорошо закодированы решение может обеспечить до 1,000x пропускной ускорение по отношению к своему многоядерных коллегой , Хотя не каждый проблема хорошо подходит для такого подхода, в настоящее время МД видели до 15х пропускная производительность получает 9. Подробная информация о системе визуализации повышения MD-GPU 3D / VR можно найти в дополнительных материалах.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Установите 3D / VR программного обеспечения для моделирования по моделированию ПК

  1. Установка Linux операционная система, на модельном ПК (Ubuntu x86 / AMD64 в зависимости от аппаратного обеспечения).
  2. Изменить LINUX базовой операционной системы.
    1. Установите библиотеки и добавить функциональность по мере необходимости.
  3. Установите VRUI и NCK 3D / программное обеспечение моделирования VR по моделированию ПК 6.
    1. Проверьте соответствующие веб-сайты 1,6, чтобы получить последние версии всех моделей программных компонентов.
    2. Компиляция, настроить и протестировать VRUI.
    3. Установка и проверить NCK.

2. Настройка системы слежения 1

  1. Крепления ИК-Tracking камеры 4
    1. Создать жесткую камера подвесной рамы непосредственно над передним краем 3D-телевизор под потолком для лучшей покрытия. Гора 3 камеры на поворотных опорах прямо над передними углами и передней центре 3D-телевизор. Убедитесь, что угол охвата каждой камеры просто гсносит переднюю поверхность телевизора.
    2. Цель камеры, чтобы иметь широкий угол охвата (45 градусов) параллельно передней панели 3D-телевизор. Используйте меньшим углом охвата (30 градусов), перпендикулярную перед 3D-телевизором. Разрешить для максимального перекрытия в пределах желаемого 3D рабочего пространства. Убедитесь, объекты в поле зрения, по крайней мере, двумя камерами, которые необходимо отслеживать успешно (Рисунок 3).
      Рисунок 3
      Рисунок 3. Охват ИК-камеры слежения, чтобы максимизировать 3D рабочее пространство перед телевизором. Частей (А) и (В) показаны передней и боковой вид с отношении Visualization System 3D / VR. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры ,
  2. Эксперимент с альтернативными размещения камеры, если требуется создать адекватное3D рабочее пространство. Это может потребоваться, если вертикальные камеры монтажное расстояние ограничено.
  3. Установка и калибровка Tracking Software
    1. Установите OptiTrack Жесткая Toolkit тело на отслеживая компьютеру с помощью прилагаемой к нему инструкции по установке.
    2. Установленного порога, экспозиция, значения освещенностей зависит от окружающей среды и установить Качество захвата до высокой, как описано в инструкции отслеживания программного обеспечения.
    3. Для Wand Capture, будьте осторожны, чтобы удалить все другие отражающий материал из 3D пространства. Плавно в течение рабочей зоны камеры перекрытия с отражающей палочки. Повторяйте до тех пор, стандарт и среднего ниже ошибки "0,5" получают затем сохраните файл калибровки.
    4. Установите горизонтальной плоскости, чтобы установить отслеживаются 3D рабочая зона системы координат. Определить Wiimote и 3D очки отслеживаемых объектов, как описано в инструкции отслеживания программного обеспечения.
  4. Полный VRUI калибровки
    1. Установите VRUI принять trackinг информация отслеживания компьютера.
    2. Убедитесь, отслеживание функциональность VRUI помощью DeviceTest утилиту калибровки.
    3. Совместите VRUI 3D-дисплей и программное обеспечение для отслеживания системы координат.
    4. Установите ориентацию гусеничных Wiimote и 3D очки с использованием AlignTrackingMarkers выравнивания программного обеспечения.

3. Подготовить 3D моделирование системы для работы

  1. Прежде чем начать, удалить все отражающий украшения (например, часы, серьги, металлы и т.д.). Не снимайте корректирующие очки, необходимые для фокусировки на экране.
  2. Соберите оборудование для визуализации системы 3D / VR:
    1. Компьютерное моделирование
    2. Отслеживание компьютер
    3. Большой формат 3D-совместимый телевизор
    4. Видео кабель между компьютерное моделирование и 3D-телевизор
    5. 3D ИК-излучатель 3D-телевизор
    6. Ethernet кабели для моделирования и отслеживания компьютеров
    7. Wiimote с отслеживанием рогов (контроллер)
    8. 3D очки с отслеживанием рогов (3D очки) 5
  3. Осторожно положите контроллер, где она может быть легко добраться из компьютерного моделирования, стараясь не коснуться или переместить сферические маркеры слежения ИК прилагается к нему.
  4. Осторожно положите 3D очки на подставке для телевизора (как и прежде, обязательно, чтобы избежать прикосновения отражающие маркеры).
  5. Подключите три кабеля USB от камеры ИК, установленных над 3D-телевизор с 3 USB портов на отслеживая компьютер, а он выключен.
  6. Найдите пульта дистанционного управления телевизора 3D и поместите его перед 3D-телевизором.
  7. Подключите видео кабель к видеокарте на компьютерное моделирование и видеовход 3D-телевизор. Также соедините эмиттер 3D ИК для 3D синхронизации выхода из 3D-телевизор, и поместите излучатель на телевидении стоять рядом с боковой стороны телевизора, указывая на ту сторону, где будет использоваться очки. БУДЬТЕ ОЧЕНЬ осторожны, чтобы не сместить положение калиброванного телевизор.
  8. Включите 3D TV ON перед включением компьютерного моделирования для ваннойубедитесь в правильности распознавания компьютером.
  9. Включите компьютерного моделирования. После моделирование компьютер загружается до приглашения к входу, войдите на модельном компьютерной системы LINUX на соответствующий счет.
  10. После того, как рабочий стол компьютерного моделирования, то используйте пульт дистанционного управления 3D-телевизор, чтобы проверить состояние кабельного соединения видео, нажав на кнопку "INFO / я". Убедитесь, что на экране телевизора отображается "1920x1080 @ 60Hz" в верхнем левом углу. Если нет, перезагрузите компьютерное моделирование, чтобы установить правильный признание 3D-телевизор. Также убедитесь, что телевизор в 3D режиме вывода 2, с помощью меню настройки пульта дистанционного управления.
  11. На рабочем столе компьютерного моделирования, откройте окно терминала с несколькими вкладками.
  12. На отслеживания компьютера, проверьте IP-адрес Ethernet-адаптером, набрав "IPCONFIG" в окне командной строки.
  13. На компьютерного моделирования, откройте вкладку окна терминала и проверьте в файле VRDevices.cfg, что "имя_сервера" определяетАдаптер IP-адрес сопровождение компьютерных локальных сетей.
  14. При необходимости, изменить "имя_сервера" IP-адрес в VRDevices.cfg в соответствии с сетевым адаптером отслеживания компьютера и сохранить VRDevices.cfg.
  15. На отслеживания компьютера, инициировать программу жесткого инструмента тела OptiTrack.
  16. Разрешить программное обеспечение полностью открыть, а затем нажмите большую кнопку рядом с верхним меню с надписью "Load Калибровка Результат".
  17. Найдите и откройте нужный файл калибровки камеры.
  18. После загрузки файла перейдите в меню "Файл" и выберите "Загрузить жесткие определения тела».
  19. Найдите и откройте нужный жесткий файл определения орган для гусеничных контроллера и 3D очки.
  20. На панели справа программного обеспечения отслеживания, найдите раздел, обозначенный "Потоковое", разверните раздел и в категории "VRPN Streaming", убедитесь, что номер порта перечислено 3883, а затем проверить "широкийслепок "окно внутри" данные кадра категории VRPN потоковое двигателя ".
  21. В компьютерное моделирование, чтобы убедиться, что контроллер либо непосредственно в руки или сразу добраться (2 сек прочь на большинство).
  22. На компьютерного моделирования, воспитывать вкладку в окне терминала, созданного ранее в этой сессии и перейдите к, а затем инициировать программу VRDeviceDaemon, например, набрав "./VRDeviceDaemon".
  23. Следуйте указаниям на Если деятельность была успешной, окно теперь будет показывать «нажимать на кнопки 1 и 2 для одновременного выполнения Wiimote." "VRDeviceServer: Ожидание соединения клиента".

4. Тестирование 3D / VR система визуализации с помощью NCK Программное обеспечение

Следующий набор инструкций описывается, как использовать программные NCK на экране меню, чтобы установить функции инструмента управления, а затем, как строить и управлять углерода nanotuбыть в рабочем пространстве 3D / VR от учредительных атомов углерода (рисунок 4). Инструкции о том, как измерять полученные углы между связями и расстояния (шаг 4.4.10) можно ознакомиться на сайте 10.

Рисунок 4
Рисунок 4. студент с помощью системы визуализации 3D / VR для изучения углеродных нанотрубок (УНТ) Фотографии () -.. (F) показывают процесс строительства однослойных УНТ Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры ,

  1. В окне терминала компьютерного моделирования, созданную на шаге 3.11, выберите третью вкладку. Чтобы начать программное обеспечение NCK, перейдите в каталог установки NCK и типа:
    "./NanotechConstructionKit -rootSection локальный -domainsize 36 ".
  2. Будучи очень осторожным, чтобы не коснуться или ослабить прилагаемые маркеры слежения, положить на 3D очки и забрать контроллер. Отрегулируйте головы / таращить глаза положение для просмотра, чтобы обеспечить 3D очки получают 3D TV ИК-излучатель сигнала синхронизации, что позволяет 3D / VR просмотр экрана телевизора.
  3. Для того, чтобы иметь набор инструментов для добавления, перемещения и удаления атомов, назначить команду ассоциации NCK кнопкам на пульте управления следующим образом:
    1. Вызовите главное меню NCK на экране, нажав и удерживая кнопку Home на Wiimote, перейти на и выбрав "Перекрыть Инструменты" пункт меню, затем отпустите кнопку Home. Это позволяет назначение команд в различных кнопок на контроллере независимо друг от друга.
    2. Чтобы связать кнопку пуска Wiimote (на нижней части контроллера) с действием манипулирования атомами в NCK, нажмите и удерживайте кнопку запуска, перейдите в меню на экране NCK для & #8220; Dragger "и выберите" 6-DOF Dragger ", затем отпустите курок. Триггер теперь связан с действием манипулирования атомами.
    3. Чтобы назначить функцию добавления атом на кнопку "+" на Wiimote, довести главного меню путем нажатия и удерживания кнопки Home, перейдите в раздел "структурное подразделение типов", и выберите "Треугольник", затем отпустите кнопку Home ,
    4. Затем нажмите и удерживайте кнопку "+", перейдите в раздел "Dragger" и выберите пункт "6-DOF манипулятора", а затем отпустите кнопку "+". Кнопка "+" теперь связан с созданием новых атомов выбранного типа (атомы углерода, представленные треугольников, в данном случае).
    5. Чтобы назначить функцию удаления атома в сторону "-" кнопки на Wiimote, вызвать главное меню, нажав и удерживая кнопку "Home", затем перейдите к "Структурные типы юнитов," и выберите & #8220; Удалить выбранные объекты ", затем отпустите кнопку Home.
    6. Затем нажмите и удерживайте кнопку - перейдите к "Dragger", затем "6-DOF манипулятора" и отпустите "" кнопку "-". "-" Кнопка теперь связан с удаление атомов.
    7. Проделайте аналогичную процедуру для назначения функции "заблокировать выбранные единицы" на "1" кнопки Wiimote, и "Открой единицах измерения, выбранных" на кнопку контроллера "2".
  4. Как только кнопки контроллера были настроены, создать углеродные нанотрубки с помощью NCK следующим образом:
    1. С помощью кнопки "+", добавьте две 3-облигаций треугольные атомов углерода в рабочую область NCK. Манипулирование их с помощью кнопки запуска, пока они не соединяются в вершине.
    2. Добавить еще 4 атомов углерода, чтобы создать гексагональную форму звезды.
    3. Использование меню "Home", перейдите в раздел "I / O меню", затем "Сохранить единиц.
    4. Перемещение острый структуру 6 от своей текущей позиции.
    5. Использование меню "Home", перейдите в раздел "I / O меню", затем "единицами нагрузки.
    6. Повторите последние 2 шага до 6 от 6 листов гексагональных 6-атомных колец не было создано (рис 5а).
    7. С помощью кнопки "+1", блокировка один атом в верхнем ряду, и противоположную атом в нижнем ряду. Заблокированные атомы будут отмечены розовым цветом (рис 5б).
    8. С помощью кнопки запуска, тщательно перемещать один из заблокированных атомов в дуге, пока ее свободный вершина не приближается к бесплатным вершину противоположной запертой атома. Появится зеленая линия между вершинами, когда они находятся достаточно близко, что атомная притяжение заставит их объединиться с связью (рис 5в). После успешного присоединения, разблокировать оба атома с помощью кнопки "2".
    9. Продолжить аналогичным замок, присоединения, и разблокирование против атомной вертика в углеродной ленты, эффективно "сжать" лист в окончательном углеродной нанотрубки (рис 5D-5F).
      Рисунок 5
      Рисунок 5. Поэтапный создание однослойные УНТ, показывая () 6 х 6 лист (графена) гексагональных колец углерода, (б) противоположные атомов углерода "заблокирован" (показано розовыми треугольниками), что облегчает манипуляции в отношении реалистичные межатомных сил, (С) углерода (графен) листа тщательно изогнутой, чтобы связь между атомами на противоположных сторонах, (D), два дополнительных атома углерода противоположных закрывается, чтобы способствовать дальнейшему углерода листового кривизну, (Е) дополнительные атомы углерода соединены противоположные продолжить углерода Лист кривизны в нанотрубки, и (е) Окончательное CNT образуется после последовательного соединения противоположных атомов исходного CArbon лист (графен). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
    10. Когда трубка представляет собой полное, используйте инструменты для измерения на экране, чтобы подтвердить структурные углов и расстояний 10.

5. Визуализация Молекулярно-динамическое моделирование Модели

  1. Импорт исходной кристаллической SiO 2 кубическую модель в программное обеспечение 3D / VR NCK, и исследовать первоначальную структуру (рис 2а).
  2. Программы с открытым исходным кодом MDCASK 11 и LAMMPS 12 были мишенью из-за особенностей, которые хорошо подходят для этого исследования внимания. Последняя программа используется в этой работе, с учетом его разнообразных межатомные потенциалы и GPU вычислительную мощность. Использование пакета LAMMPS MD 12, запустите имитацию расплава / охлаждения процедуру на этой начальной структуры в аморфном, SiO 2 ст ructure. Подробная информация об этом моделируемой процедуры можно найти в предыдущих публикациях 13-15.
  3. Импорт результате новый аморфный (неупорядоченный) SiO 2 модели в программном обеспечении 3D / VR NCK и исследовать структуру (рис 2б).
  4. Создать SiO 2 nanospring / nanoribbon из нового аморфного твердого вещества, используя открытый исходный код NanospringCarver 16 и связанных с ними учебных документация 17 (рис 6). Рисунок 6
    Рисунок 6. Иллюстрация шаг за шагом процесс выбора атом на разных этапах создания nanospring с помощью программы NanospringCarver Запчасти. (- D) указывают на 25%, 50%, 75% и 100% завершение этого процесса 17.TARGET = "_ пустое"> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
  5. Используйте пакет LAMMPS MD выполнять растягивающие моделирования на nanospring / nanoribbon (Рисунок 7). Подробности по этой процедуре можно найти в предыдущей публикации 15.
    Рисунок 7
    Рисунок 7. фотоснимка из результатов LAMMPS MD кремния спиральной наноструктуры (nanoribbon) растяжение моделирования.
  6. Используйте с открытым исходным кодом инструменты VMD (Визуализация молекулярной динамики) 18 ImageMagick 19 и FFmpeg 20 создавать снимки и анимации спиральной наноструктуры на протяжении всего этого моделирования (Animated рис 1), для представления в Visualization System 3D / VR. Пожалуйста, нажмите здесь чтобы увидеть увеличенное Version этой фигуры.

Анимированные Рисунок 1 . Анимация винтовой моделирования наноструктур на растяжение.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Это 3D / VR система визуализации открывает новые возможности для проведения Материаловедение исследований. Как это захватывающий среда работает в режиме реального времени, в виде 3D ввода и отображения, исследователь представлены полностью интерактивной наноразмерных инструмента 2. Следуя протокол, представленные здесь, диоксид кремния спиральной nanoribbon был создан в этом шаг за шагом моды. Снимок этой структуры, полученной из LAMMPS MD показано на рисунке 7. Эта структура была подвергнута искусственной тестирования на растяжение, и результаты этого моделирования показаны на Анимированные рисунке 1, который иллюстрирует реорганизации и разрушение конструкции при растягивающих сил.

Объединяя в режиме реального времени интерактивности и визуального характера захватывающий окружающей среды с мощными МД 15, исследователи могут извлечь выгоду из интуитивного управления и полнофункциональным анализа.

Thе усиливается 3D / VR система визуализации с возможностью MD тщательно испытаны и внедрены в области нанонауки исследований в Давила лаборатории в Калифорнийском университете Мерсед, ориентируясь на растяжение моделирования аморфных нанопроволок кремния, нанолент и нанопружины 15.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Критические элементы в успешной установке и использовании Visualization System 3D / VR подробно в физической среде и конструктивных соображений и Особые соображения В дополнительных материалов. Важные замечания по установке относятся 3D высоту дисплея для комфортного долгосрочного стоя или сидя использования, максимально камера слежения установлена ​​высоту, чтобы создать большой 3D рабочей зоны, стабилизированная камера слежения и поддержку 3D дисплей на конфигурацию с течением времени, а также удаление ИК-светоотражающими элементами из рабочей области 3D. Как уже упоминалось в инструкции по установке, если доступна камера слежения монтажная высота ограничена, очередные ориентации камеры может потребоваться создать крупнейшую 3D рабочую зону.

Во время настройки программного обеспечения отслеживания, шаговая палочка имеет важное значение для конечной точности слежения. Следует проявлять осторожность, чтобы переместить отражающий палочки Торпротрите его и плавно по всей площади перекрытия камеры слежения, не блокируя любую камеру или введения каких-либо вторичного отражающий объект, повторяя этот шаг необходимо, пока требуемые значения ошибок не будут достигнуты. Как отмечается в вышеупомянутых разделах, во время использования системы может быть важно, чтобы создать небольшой щит на 3D очки, чтобы предотвратить помехи от отслеживания ИК сигнала с 3D синхронизации ИК сигнала, а также использовать свежие 3D Goggle батареи, чтобы максимизировать таращить 3D синхронизации. Кроме того, в соответствии уход должны быть приняты, чтобы не задеть или изменить 3D очками и Wiimote ИК-отражающие сферы, и физически не сдвинуть камеру слежения или 3D позиции дисплея для того, чтобы поддерживать точное отслеживание в 3D и изображений.

Другие предыдущие усилия были сосредоточены на MD и в режиме реального времени интерактивности (например, с помощью VMD, популярного молекулярной программного обеспечения для визуализации и моделирования для молекулярно-биологических систем 21), а новая подходы гаве реализованы другие пользовательские интерфейсы и 3D жест и голос контролирует 22. Другая группа 23 создал программное обеспечение, которое интегрирует адаптивные, последовательные алгоритмы обновить потенциальную энергию и межатомных сил в наносистем. Система, описанная в этой работе включает в себя определенную цель, как он состоит из 3D визуализации наноматериалов через открытым исходным кодом NCK программного обеспечения 6, с интерактивностью в виртуальной среде реальность и МД возможности посредством LAMMPS открытым исходным кодом 12. Этот код позволяет гибкость, так как различные надежные межатомные потенциалы доступны для изучения наноматериалов, для материалов научных исследований. Таким образом, система в этой работе включает в себя сходные элементы моделирования и интерактивности MD, как некоторые другие подходы, но с акцентом на научные исследования наноматериалов.

Значение Visualization System 3D / VR, описанной здесь является то, что проще и более дешевый, чтобы установить,d более гибким, чтобы использовать для среднего исследователя или педагога, чем более дорогие специализированных систем виртуальной реальности. Добавление GPU-ускорением MD возможностей моделирования пользуется этой быстро развивающейся компьютерной технологии для создания энергии и пространства сохранения, высокопроизводительных вычислений среду в лаборатории. Этот роман захватывающий инструмент в сочетании с расширенными возможностями анализа является мощным и эффективным для использования в таких областях, как материаловедение, и однозначно подходит для наноразмерных исследований и образования. Эта система была выбрана, которые будут представлены в июне 2012 серии "Наша Цифровая жизнь" 24 на UCTV (государственно-обслуживания средство массовой информации и первый университет управляемый YouTube исходный канал).

Поскольку оба исследования и образовательный инструмент, система визуализации 3D / VR с ускоренным возможности MD способствует междисциплинарного сотрудничества и интеграции научных исследований и новых подходов к обучению, в том числе тренер-свинарникле учение, активное обучение, а также несколько стилей обучения, в том числе использование интерактивных учебных пособий, разработанных для системы 3. Реализация Visualization System 3D / VR привело в рецензируемых изданиях, несколько докладов конференции, диссертации магистра, в NSF награду, и междисциплинарное сотрудничество.

Потенциальное развитие и расширение описанной Visualization System 3D / VR будущее может включать в себя добавление основе меню инструментов в рамках интерфейса NCK 3D, чтобы облегчить прямое взаимодействие с программой MD (LAMMPS), оставаясь при этом в виртуальной среде реальности.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы заявляют, что они не имеют конкурирующие финансовые интересы.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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 learning in materials science and engineering. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1320, (2011).
  3. 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).
  4. IR tracking camera and software source. Naturalpoint. U.S.A. Available from: http://www.naturalpoint.com/optitrack (2013).
  5. 3D goggle source. Ilixco. U.S.A. Available from: http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html (2013).
  6. Kreylos, O. Nanotech Construction Kit. University of California Davis. Davis, CA. Available from: http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html (2013).
  7. Compute Unified Device Architecture (CUDA). U.S.A. Available from: http://www.nvidia.com/object/cuda_home_new.html (2013).
  8. Graphics Processing Unit (GPU) computing. U.S.A. Available from: http://www.nvidia.com/object/what-is-gpu-computing.html (2013).
  9. GPU applications. U.S.A. Available from http://www.nvidia.com/object/gpu-applications.html?mDicS (2013).
  10. “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: https://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/3d-vr-visualization-system-dissemination-of-research-results-and-products (2013).
  11. MDCASK molecular dynamics code. Livermore National Laboratory. Livermore, CA. Available from: https://asc.llnl.gov/computing_resources/purple/archive/benchmarks/mdcask (2013).
  12. LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) molecular dynamics code. Steve Plimpton. Albuquerque, NM. Available from: http://lammps.sandia.gov (2014).
  13. Feuston, B. P., Garofalini, S. H. Empirical three-body potential for vitreous silica. J. Chem. Phys. 89, (9), 5818-5824 (1988).
  14. 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).
  15. Doblack, B. N. The structure and properties of silica glass nanostructures using novel computational systems. University of California Merced. Merced, CA. (2013).
  16. NanospringCarver. University of California Merced. Merced, CA. Available from: http://eng.ucmerced.edu/people/ldavila/home/nanospring-models-via-matlab-nanospringcarver-dissemination-of-research-results-and-products (2013).
  17. 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, Forthcoming.
  18. Visualize Molecular Dynamics (VMD). Open source molecular visualization software. U.S.A. Available from: http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd (2013).
  19. ImageMagick. U.S.A. Available from: http://www.imagemagick.org (2013).
  20. FFmpeg. Open source multimedia file converter. U.S.A. Available from: http://www.ffmpeg.org (2013).
  21. Interactive Molecular Dynamics Simulation. Theoretical and Computational Biophysics Group. U.S.A. Available from: http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/imd (2014).
  22. Molecular Control Toolkit. Aquaria: Integrating Sequences, Features, and 3D Structures. Australia. c2013-2014 Available from: http://aquaria.ws (2014).
  23. Nano-D Research Group. Algorithms for Modeling and Simulation of Nanosystems. France. Available from: http://nano-d.inrialpes.fr (2014).
  24. University of California Television (UCTV). Our Digital Life series: The Future: Teaching and Life-Saving Tools episode. University of California. U.S.A. Available from: http://www.uctv.tv/search-details.aspx?showID=23734 (2013).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats