Тема 3

Оглавление

Тема 3. Приложения анализа научных данных методом визуализации

3.1. Введение

В настоящее время метод научной визуализации широко применяется при проведении различных физических исследований в Национальном исследовательском ядерном университете “МИФИ”. В данном разделе представлены работы в области компьютерной визуализации наноструктур. Эти работы в настоящее время проводятся совместными усилиями кафедры “Компьютерное моделирование и физика наноструктур и сверхпроводников” и учебно - научной лаборатории “Научная визуализация” НИЯУ МИФИ. В этих работах принимает также участие Британский национальный центр компьютерной анимации [1,2].

Эти работы включают в себя:

-разработку комплекса инструментальных программных средств научной визуализации;

-создание прикладных программ визуализации наноструктур с использованием этого комплекса;

-апробацию прикладных программ визуализации на расчетных

файлах наноструктур, полученных в процессе их компьютерного моделирования.

3.2. Комплекс инструментальных программных средств анализа научных данных методом визуализации.

Комплекс представляет собой совокупность автономно и совместно используемых программных продуктов 3ds Max , HyperFun , Jmol апплет , VTK, Cortona3D Viewer и их функциональных расширений (FE)[3]. Взаимодействие прикладных программ и комплекса показано на Рис.3.1.

Рис. 3.1. Взаимодействие прикладных программ и комплекса

Следует отметить, что указанные инструментальные программные средства комплекса научной визуализации обладают широкими функциональными возможностями, которые позволяют создавать на их основе сложные прикладные программы для пассивной и интерактивной визуализации. Охарактеризуем компоненты данного комплекса.

Характеристика программных продуктов 3ds Max, HyperFun и VTK в контексте реализуемых ими функциональных процедур визуализации была приведена в предыдущем разделе “Инструментальные средства научной визуализации”. Рассмотрим характеристики программных продуктов Jmol апплет и

Cortona3D Viewer.

Jmol апплет

Jmol апплет обеспечивает возможность моделирования и рендеринга специализированных пространственных сцен [6]. В большинстве случаев геометрическая модель пространственной сцены представляет собой совокупность сфер (атомы) и цилиндров (связи между атомами). Наряду с этим Jmol апплет представляет функциональные возможности для задания ряда физических характеристик пространственной сцены. Наряду с

этим, Jmol апплет обеспечивает выполнение функциональных процедур измерения пространственной сцены и выполнения необходимых вычислений.

Необходимо отметить, что апплет обеспечивает возможность написания как пассивных, так и интерактивных прикладных программ визуализации, предназначенных для выполнения на локальном компьютере или в сети Интернет.

Указанные выше функциональные возможности Jmol апплета доступны из прикладной программы визуализации, написанной на языке Jmol Scripting Language.

Cortona 3D Viewer

Программа представляет собой плагин браузера для высококачественного рендеринга статических и динамических пространственных сцен, описание которых представлено в формате VRML [7]. Предоставляются версии работающие с

браузерами Internet Explorer,Netscape Browser, Mozilla Firefox. В настоящее время Cortona3D Viewer работает в среде Windows.

3.3. Прикладные программы визуализации

Прикладные программы визуализации, разработанные на базе инструментальных программных средств комплекса, предназначены для решения различных задач, которые имеют место в рамках проводимых в МИФИ исследований различных наноструктур. Среди этих задач можно выделить две типовые задачи:

-задача анализа взаимного расположения компонентов исследуемой наноструктуры;

-задача анализа поля исследуемой наноструктуры.

Обе эти задачи по своей сути являются геометрическими задачами.

Рассмотрим примеры разработанных прикладных программ визуализации анализируемых наноструктур.

Программа визуализации нанообъектов N192

В этой программе визуализации в качестве исходных данных используется описание анализируемого нанообъекта N192 в формате XYZ – файла. Описание структуры формата представлено на Рис.3.2.

Рис.3.2. Структуры формата XYZ-файла

Результатом работы этой программы является интерактивное проекционное графическое изображение нанообъекта. Пример такого изображения показан на Рис.3.3.

Рис.3.3. Интерактивное графическое изображение нанообъекта N192

Щелкнуть для просмотра

Для просмотра необходимо загрузить Cortona3D Viewer

Программа написана на языке Maxscript, при ее работе используются компоненты комплекса 3ds Max и Cortona3D Viewer. Задаваемыми параметрами пространственной сцены в программе являются длины двойных, тройных и одинарных связей, цвет атомов, цвет связей. Использование компонента Cortona3D Viewer позволяет осуществлять интерактивную визуализацию исходных данных, задавая различные значения штатных атрибутов рендеринга (положение камеры, цвет фона и т.д.). При помощи этой программы решается задача анализа взаимного расположения атомов в исследуемой наноструктуре.

Анимационная программа визуализации формирования нанообъектов из 2-х фуллеренов С20

В качестве исходных данных в этой программе визуализации используется описание анализируемого динамического процесса объединения 2-х фуллеренов С20 в один кластерных димер С40 в формате TXT – файлов. Анимационная

структура содержит последовательный набор TXT файлов, где каждый файл содержит описание координат атомов в определенный момент времени, который указан в названии файла. Описание структуры формата для одного TXT файла представлено на Рис.3.4.

Рис.3.4. Структура формата TXT файла

Результатом выполнения этой программы является анимационное проекционное графическое изображение процесса объединения 2- х наноструктур. Пример такого изображения показан на Рис.3.5.

Рис.3.5. Анимационное графическое изображение процесса объединениия 2- х наноструктур С20

Программа написана на языке Maxscript, при ее работе используются компонент комплекса 3ds Max и его функциональное расширение в виде плагина NLink. Задаваемыми параметрами в программе являются штатные атрибуты рендеринга, пороговая длина связей (визуализируются только те связи, длина которых не превосходит значение пороговой длины), цвет сферических и цилиндрических объектов, используемых в пространственной сцене. При помощи этой программы решается задача анализа исследуемого процесса формирования кластерного димера.

Программа визуализации нанообъектов различных типов

Исходными данными в этой программе визуализации является описание исследуемого нанообъекта того или иного типа, представленного в одном из следующих форматов: XYZ, HIN, OUT, MOL. Формат XYZ был представлен на Рис. 3.2. Описание структуры форматов HIN, MOL - файлов представлено соответственно на Рис.3.6, 3.7. Описание формата используемого в программе фрагмента OUT - файла представлено на Рис. 3.8.

Рис.3.6. Структура формата HIN-файла

Рис.3.7. Структура формата MOL-файла

Рис.3.8. Структура формата используемого в программе фрагмента OUT-файла

Результатом работы этой программы является статическое проекционное графическое изображение визуализируемого нанообъекта. Примеры таких изображений нанообъектов С180 и Витамин С показаны соответственно на Рис.3.9, 3.10.

Рис.3.9. Графическое изображение наноструктуры фуллерен С180

Рис.3.10. Графическое изображение наноструктуры Витамин С

Программа написана на языке Jmol Scripting Language, при ее работе используются компонент комплекса Jmol апплет. Задаваемыми параметрами в программе являются длины двойных, тройных и одинарных связей, цвет сферических и цилиндрических объектов, используемых в пространственной сцене. (Рис.3.11). Программа может осуществлять измерение расстояний между атомами, углов между связями (Рис.3.12), строить гистограммы (Рис.3.13), производить редактирование наноструктуры (Рис.3.14). Использование компонента Jmol апплета позволяет осуществлять интерактивную визуализацию исходных данных, задавая различные значения штатных атрибутов рендеринга – положение камеры, среду и т.д. Различные варианты

использования этой программы представлены на Рис.3.11 – 3.14. При помощи этой программы решается задача качественного и количественного анализа взаимного расположения атомов в исследуемой наноструктуре.