Name: novel 3d/vr interactive environment for md simulations, visualization and analysis
Uploaded: 2014-12-18T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Novel 3D/VR Interactive Environment for MD Simulations, Visualization and Analysis at JoVE.com

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.

1. Installez 3D / VR logiciel de modélisation sur la modélisation PC <ol><li> Installer Linux système d&#39;exploitation de base sur la modélisation PC (Ubuntu x86 / AMD64 en fonction du matériel). </li><li> Modifier LINUX système d&#39;exploitation de base. <ol><li> Installez les bibliothèques et ajouter des fonctionnalités que nécessaire. </li></ol></li><li> Installez VRUI et NCK logiciel de modélisation VR sur la modélisation 3D PC 6 /. <ol><li> Consultez les sites Web liés 1,6 pou...

<ol>
	<li>Doblack, B. N., Flores, C., Matlock, T., D&#225;vila, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+emergence+of+immersive+low-cost+3D+virtual+reality+environments+for+interactive+learning+in+materials+science+and+engineering.">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., D&#225;vila, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhancing+materials+research+through+innovative+3D+environments+and+interactive+manuals+for+data+visualization+and+analysis.">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>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+goggle+source.">3D goggle source.</a> , (2013).</li><li>. &#8220;3D/VR Visualization System - Startup and Shutdown Protocol&#8221; and &#8220;3D/VR Visualization System &#8211; CNT Modeling Example&#8221; documents 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 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>Feuston, B. P., Garofalini, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Empirical+three-body+potential+for+vitreous+silica.">Empirical three-body potential for vitreous silica.</a> J. Chem. Phys. 89 (9), 5818-5824 (1988).</li><li>D&#225;vila, L. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transformations+in+the+medium-range+order+of+fused+silica+under+high+pressure.">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://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The structure and properties of silica glass nanostructures using novel computational systems. , (2013).</li><li>Meagher, K. A., Doblack, B. N., Ramirez, M., D&#225;vila, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scalable+nanohelices+for+predictive+studies+and+enhanced+3D+visualization.">Scalable nanohelices for predictive studies and enhanced 3D visualization.</a> J. Vis. Exp. In-Press, .</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=University+of+California+Television+(UCTV).">University of California Television (UCTV).</a> Our Digital Life series: The Future: Teaching and Life-Saving Tools episode. , (2013).</li></ol>

Éléments essentiels à la réussite de l&#39;installation et l&#39;utilisation du système de visualisation 3D / VR sont détaillées dans l&#39;environnement physique et de conception et de considérations spéciales dans les matériaux supplémentaires. Considérations d&#39;installation importants incluent la hauteur d&#39;affichage 3D pour la commodité de permanent à long terme ou de l&#39;usage assis, maximisés suivi caméra montée hauteur pour créer un grand espace 3D de tr...

La science des matériaux est un domaine interdisciplinaire qui examine les relations structure-propriété dans la matière pour leur application à de nombreux domaines de la science et de l&#39;ingénierie. Comme les relations structure-propriété sont étudiées par des simulations informatiques, en plus de l&#39;expérimentation, des outils informatiques offrent des caractéristiques complémentaires qui peuvent améliorer les efforts de recherche. Alors que les nanomatériaux sont d&#39;intérêt pour les scientifiques et ont une valeur rédemptrice pour leur impact social potentiel, ce régime de taille se heurte à de nombreux défis trouvés notamment dans l&#39;expérimentation. Les simulations informatiques permettent aux scientifiques et ingénieurs d&#39;effectuer des tests spécialisés dans une grande variété d&#39;environnements limités seulement par le temps et les ressources de calcul. Dynamique moléculaire (MD) simulations permettent en temps opportun et des échelles de longueur d&#39;étudier les phénomènes d&#39;intérêt dans de nombreux nanomatériaux. Simulations développer l&#39;étude des matériaux en éliminant les contraintes de til laboratoire de physique, mais de nombreux outils informatiques manquent accessibles, des interfaces intuitives pour la recherche. Amélioration de l&#39;affichage graphique des modèles, algorithmes de calcul efficaces, et l&#39;unité de traitement graphique (GPU) informatique basée compléter les efforts actuels de simulation. Ces nouveaux dispositifs graphiques combinent avec des unités centrales de traitement efficace pour permettre des calculs mathématiques intensifs à accomplir par le GPU. Il en résulte une accélération efficace de calcul de l&#39;ordre de 10x accompagnée d&#39;une réduction de la consommation de puissance allant jusqu&#39;à 20x. Le but de ce projet de recherche était de développer et mettre en œuvre un nouvel outil pour les enquêtes sur les nanosciences qui se connecte directement une interface interactive à des simulations MD, l&#39;analyse en science des matériaux et la visualisation 3D. Ce système innovant avec des capacités uniques et puissantes analyse a été utilisé pour la recherche à l&#39;échelle nanométrique et de l&#39;éducation à l&#39;UC Merced, avec des implications directes à d&#39;autres rel<html> domaines de la tige és tels que la nanotechnologie, la physique, la biologie et la géologie et bénéfice ultime à l&#39;éducation et la société. Le système de visualisation 3D / VR a été mis en œuvre à la fois comme un instrument de recherche et d&#39;enseignement qui permet la création et la manipulation de structures atomiques dans une réalité virtuelle 3D interactive (VR) environnement. Le système a été créé à partir d&#39;un ensemble de coût relativement faible et les composants accessibles suivant le modèle développé à l&#39;origine par le Dr Oliver Kreylos à l&#39;UC Davis 1. Ci-dessous une photo de la mise en page finale 3D / Système de visualisation VR, avec des composants importants marqués (Figure 1). Ce système a été initialement créé à des fins d&#39;éducation à l&#39;UC Merced en 2009. La mise en œuvre du système 3D d&#39;origine / VR a donné lieu à des publications évaluées par les pairs 2-3. Tableau 1 ci-dessous résume les principales caractéristiques pour chaque élément du système de visualisation 3D / VR. MÉNAGEMENT &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; always &quot;&gt; <img alt="Figure 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig1highres.jpg" width="500" /> Figure 1. 3D / Système de visualisation VR et composantes principales (gauche) dans le Laboratoire de recherche Davila à UCM et les dispositifs de visualisation (à droite). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig1highres.jpg" target="_blank">Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td> Article </td><td> Composant </td><td> Fonctionnalité dans le système </td></tr><tr><td> Un </td><td> TV 3D </td><td> Affichage 3D de structures moléculaires modélisées et les menus à l&#39;écran. </td></tr><tr><td> B </td><td> Infrarouge (IR) caméras de suivi 4 </td><td> Caméras IR positions de piste des lunettes de vision Wiimote et 3D dans le mode d&#39;espace de travail en face de la télévision 3D, permettant virTual manipulation 3D des structures affichées. </td></tr><tr><td> C </td><td> Suivi PC </td><td> Exécute IR logiciel de suivi de la caméra et transmet positions de lunettes Wiimote et 3D à l&#39;ordinateur de modélisation. </td></tr><tr><td> Ré </td><td> Wiimote </td><td> Utilisé pour la gestion à l&#39;écran de logiciels de modélisation et de manipuler des structures dans un environnement virtuel en 3D. </td></tr><tr><td> E </td><td> Lunettes 3D 5 </td><td> Synchronisé avec le signal TV 3D IR, permettra vue 3D de la structure. Position suivis par les caméras IR pour vision précise de 3D. </td></tr><tr><td> Fa </td><td> Modélisation PC </td><td> Exécute NCK / VRUI modélisation 3D et l&#39;affichage des logiciels 6, accepte les signaux lunettes / position et de contrôle Wiimote pour créer précise vue 3D de la structure moléculaire. </td></tr></tbody></table> Tableau 1. Fonctionnalité des principaux éléments du système de visualisation 3D / VR au UCM. Description du système de visualisation 3D / VR et composants de base: / VR Visualisation Présentation du système 3D - La 3D / VR Visualization System se compose d&#39;un ensemble de caméras infrarouges et un logiciel de suivi fonctionnant en liaison avec le logiciel de modélisation 3D pour permettre à un utilisateur de créer de façon interactive 3D des structures moléculaires. Les caméras et les logiciels IR suivre la position 3D d&#39;une Wiimote et 3D lunettes de vision en utilisant des marqueurs infrarouges, et passent à présent le logiciel de modélisation. Le logiciel de modélisation utilise les signaux de commande Wiimote et le mouvement pour générer des structures moléculaires 3D visible en utilisant la combinaison d&#39;un grand format de la télévision 3D avec des lunettes 3D synchronisés et à chenilles. Il en résulte un espace de travail 3D réalité virtuelle à l&#39;intérieur de laquelle l&#39;utilisateur peut créer et manipuler dynamiquement les structures moléculaires virtuelles qui reflètent le comportement physique du monde réel sur la base de forces inter-atomiques utilisés dans le logiciel de modélisation (figure 2). Considerati spécialesons pour la mise en place de ce système peut être trouvé dans les matériaux supplémentaires. <img alt="Figure 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51384/51384fig2highres.jpg" width="500" /> Figure 2. Étude nanomatériaux de silice en utilisant le système de visualisation 3D / VR. (A) Un chercheur crée un modèle de cristobalite initial (cristallin) avant simulations à base de GPU. (B) Lors de l&#39;exécution d&#39;une procédure simulée MD fondre trempe sur le modèle représenté en (a), un autre chercheur obtient un modèle de verre de silice (non cristalline). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51384/51384fig2highres.jpg" target="_blank">Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> 3D / VR Visualisation Enhancement System - MD Simulation Capability: Dynamique moléculaire des systèmes de simulation sont couramment mises en œuvre dans unMode multi-nodal, ce est une grande charge de travail est distribué ou parallélisée parmi des dizaines de milliers de processeurs. Récemment, des possibilités supplémentaires pour le calcul scientifique accélérée ont surgi sur l&#39;évolution du traitement de l&#39;infographie. Ces progrès incluent une interface logicielle permettant aux scientifiques de profiter de la nature hautement parallèle de la puissance de traitement intrinsèque à puces graphiques. Avec l&#39;avènement de l&#39;Unified Device Architecture Compute ou CUDA 7, les scientifiques peuvent utiliser les GPU 8 pour améliorer la vitesse à laquelle les problèmes sont résolus, tout en réduisant le coût des infrastructures. Un GPU typique peut avoir l&#39;équivalent de centaines de milliers de noyaux ou «nœuds» de traitement des informations, et comme ceux-ci peuvent être utilisés chacun en parallèle, une solution bien codée peut fournir jusqu&#39;à 1,000x accélération débit contre son homologue multi-core . Bien que pas tous les problèmes est bien adapté à cette approche, simulations de DM actuelles ont vu jusqu&#39;à 15x performances débit gagne 9. Détails sur le système de visualisation MD-GPU amélioration 3D / VR peuvent être trouvés dans les matériaux supplémentaires.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Samsung 61&#34; 3D-capable high definition DLP TV</td>
			<td>Samsung</td>
			<td><a href="http://www.samsung.com/us/video/tvs">http://www.samsung.com/us/video/tvs</a></td>
			<td>See Protocol Section 3 (Step 3.2)&#160; (Large format 3D-capable TV)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alienware Area51 750i modeling computer</td>
			<td>Alienware</td>
			<td><a href="http://www.alienware.com/">http://www.alienware.com</a></td>
			<td>See Protocol Section 1 (Step 1.1)&#160; (Modeling computer)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HP EliteBook 8530w tracking computer</td>
			<td>HP</td>
			<td><a href="http://www.hp.com/">http://www.hp.com</a></td>
			<td>See Protocol Section 2 (Step 2.3)&#160; (Tracking computer)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>V100:R2 IR tracking cameras (3)</td>
			<td>Naturalpoint</td>
			<td><a href="http://www.naturalpoint.com/optitrack/products/v100-r2/">http://www.naturalpoint.com/optitrack/products/v100-r2/</a></td>
			<td>See Protocol Section 2 (Step 2.1) and Reference [4]&#160; (Tracking cameras)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OptiTrack Tracking Tools IR tracking software</td>
			<td>Naturalpoint</td>
			<td><a href="http://www.naturalpoint.com/optitrack/software/">http://www.naturalpoint.com/optitrack/software/</a></td>
			<td>See Protocol Section 2 (Step 2.3) and Reference [4]&#160; (Tracking software)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D Goggles and 3D TV IR sync emitter</td>
			<td>Ilixco</td>
			<td><a href="http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html">http://www.i-glassesstore.com/dlp3d-wireless-2set.html</a></td>
			<td>See Protocol Section 3 (Step 3.2) and Reference [5]&#160; (3D goggles)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wiimote 3D controller</td>
			<td>Nintendo</td>
			<td><a href="http://www.nintendo.com/wii">http://www.nintendo.com/wii</a></td>
			<td>See Protocol Section 3 (Step 3.2)&#160; (Wiimote)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VRUI, NCK and associated 3D/VR modeling software</td>
			<td>Open source software</td>
			<td><a href="http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html">http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/NanoTech/index.html</a></td>
			<td>See Protocol Section 1 (Step 1.3) and References [1,6]&#160; (VRUI, NCK)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LAMMPS molecular dynamics software</td>
			<td>Open source software</td>
			<td><a href="http://lammps.sandia.gov/">http://lammps.sandia.gov/&#160;</a></td>
			<td>See Protocol Section 5 (Step 5.2) and Reference [12]&#160; (LAMMPS)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NanospringCarver program code and files</td>
			<td>UC Merced - open source</td>
			<td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td>
			<td>See Protocol Section 5 (Step 5.4) and References [16-17]&#160; (NanospringCarver)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB GUI files</td>
			<td>UC Merced - open source</td>
			<td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td>
			<td>See Protocol Section 5 (Step 5.4) and References [16-17]&#160; (NanospringCarver)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Atomistic bulk glass input file</td>
			<td>UC Merced - open source</td>
			<td><a href="http://tinyurl.com/qame8dj">http://tinyurl.com/qame8dj</a></td>
			<td>See Protocol Section 5 (Step 5.4) and References [16-17]&#160; (NanospringCarver)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

novel 3d/vr interactive environment for md simulations, visualization and analysis

Le développement croissant de l&#39;informatique (matériel et logiciel) dans les dernières décennies a eu un impact de la recherche scientifique dans de nombreux domaines, y compris la science des matériaux, la biologie, la chimie et la physique parmi beaucoup d&#39;autres. Un nouveau système de calcul pour la simulation précise et rapide et 3D / VR visualisation des nanostructures est présenté ici, l&#39;aide de l&#39;open-source dynamique moléculaire (MD) programme informatique LAMMPS. Cette méthode de calcul alternatif utilise des processeurs graphiques modernes, la technologie NVIDIA CUDA et codes scientifiques spécialisés pour surmonter les obstacles de vitesse de traitement communs aux méthodes de calcul traditionnelles. En conjonction avec un système de réalité virtuelle utilisée pour modéliser les matériaux, cette amélioration permet l&#39;ajout de capacité de simulation MD accéléré. La motivation est de fournir un environnement de recherche roman qui permet simultanément la visualisation, la simulation, la modélisation et l&#39;analyse. L&#39;objectif de la recherche est d&#39;étudier la structure et les propriétés de l&#39;azote inorganiqueanostructures (par exemple, nanosprings de verre de silice) dans des conditions différentes en utilisant ce système de calcul innovante. Le travail présenté décrit une description du système de visualisation 3D / VR et les composants de base, un aperçu des considérations importantes comme l&#39;environnement physique, de détails sur la configuration et l&#39;utilisation du nouveau système, une procédure générale pour l&#39;amélioration MD accélérée, informations techniques et remarques pertinentes. L&#39;impact de ce travail est la création d&#39;un système informatique unique combinant des matériaux à l&#39;échelle nanométrique simulation, la visualisation et l&#39;interactivité dans un environnement virtuel, qui est à la fois un instrument de recherche et d&#39;enseignement à l&#39;UC Merced.

Cette 3D / VR Visualization System offre de nouvelles possibilités pour la conduite des études de sciences des matériaux. Comme cet environnement immersif fonctionne en temps réel, sous la forme d&#39;entrée et d&#39;affichage 3D, le chercheur est présenté avec un instrument entièrement interactif nanométriques 2. En suivant le protocole présenté ici, un nanoruban hélicoïdal de silice a été créée dans cette étape par étape. Un aperçu de cette structure produite à partir LAMMPS MD est repr...

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

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.

Roman 3D / VR environnement interactif pour MD simulations, visualisation et d&#39;analyse

The increasing development of computing (hardware and software) in the last decades has impacted scientific research in many fields including materials ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Fabrication, Operation and Flow Visualization in Surface-acoustic-wave-driven Acoustic-counterflow Microfluidics

Fabrication, l&#39;exploitation et la visualisation des écoulements en surface à ondes acoustiques axées microfluidique-Acoustiques contre-courant

Surface acoustic waves (SAWs) can be used to drive liquids in portable microfluidic chips via the acoustic counterflow phenomenon. In this video we ...

Recherche

Ingénierie

Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization

Nanohelices évolutives pour les études de prévision et le renforcement de la visualisation 3D

Spring-like materials are ubiquitous in nature and of interest in nanotechnology for energy harvesting, hydrogen storage, and biological sensing ...

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Selective Area Modification de la Silicon mouillabilité de surface par irradiation laser pulsé UV en milieu liquide

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of ...

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Quantification des concentrations d&#39;hydrogène dans des surfaces et interfaces des couches et des matériaux en vrac par le biais de profils en profondeur avec l&#39;analyse de la réaction nucléaire

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and ...

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Plasmonique et Piégeage Libération de Nanoparticules dans un environnement de surveillance

Plasmonic tweezers use surface plasmon polaritons to confine polarizable nanoscale objects. Among the various designs of plasmonic tweezers, only a few ...

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia (YSZ) Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

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Fabrication à haute température de nanostructurés yttriée-Zircon (YSZ) par scellants<em&gt; In Situ</em&gt; Carbon Templating xérogels

We demonstrate a method for the high temperature fabrication of porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ, 8 mol% yttria - 92 mol% zirconia) ...

Guidelines and Experience Using Imaging Biomarker Explorer (IBEX) for Radiomics

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Lignes directrices et l’expérience à l’aide d’imagerie biomarqueur Explorer (IBEX) pour Radiomics

Imaging Biomarker Explorer (IBEX) is an open-source tool for medical imaging radiomics work. The purpose of this paper is to describe how to use IBEX's ...

Applicability Analysis of Assessment Methods for Morphological Parameters of Corroded Steel Bars

Analyse de l’applicabilité des méthodes d’évaluation des paramètres morphologiques des barres d’acier corrodé

The irregular and uneven residual sections along the length of a corroded steel bar substantially change its mechanical properties and significantly ...

Crack Monitoring in Resonance Fatigue Testing of Welded Specimens Using Digital Image Correlation

Surveillance des fissures dans les tests de fatigue par résonance des spécimens soudés à l'aide de la corrélation d'image numérique

A procedure using digital image correlation (DIC) to detect cracks on welded specimens during fatigue tests on resonance testing machines is presented. It ...

Surgery and Sample Processing for Correlative Imaging of the Murine Pulmonary Valve

Chirurgie et traitement des échantillons pour l’imagerie corrélative de la valve pulmonaire murine

The underlying causes of heart valve related-disease (HVD) are elusive. Murine animal models provide an excellent tool for studying HVD, however, the ...