ВИЗУАЛИЗАЦИЯ В СИСТЕМАХ МОДЕЛИРОВАНИЯ В ФИЗИКЕ, ХИМИИ И БИОЛОГИИ
,
Удмуртский государственный университет, г. Ижевск
Тел9, E-mail: *****@
Введение
Визуализация результатов научных исследований занимает важное место во многих программных комплексах, так как графическая информация легче и быстрее воспринимается человеком, чем любая другая. В настоящее время создано большое количество пакетов прикладных программ (ППП) для моделирования в физике, химии и других областях естествознания. Обычно эти ППП достаточно сложны и велики по объему. На первых порах создания ППП в них включались и графическая часть для визуализации результатов моделирования. Такие графические программы, обычно, привязывались к той архитектуре компьютеров, для которых они и разрабатывались. Это было связано с тем, что графические возможности компьютеров еще 20-30 лет назад были весьма ограничены и о переносимости и универсальности графических программ думать не приходилось.
По мере развития вычислительной техники ситуация сильно изменилась. Графические программы становились все сложнее, а их возможности значительно возросли. Остро встала задача универсальности и переносимости таких программ на различные платформы и операционные системы. Стало очевидно, что нужно использовать мощные средства графики, которые уже созданы внутри самих операционных систем. Лучше всего проследить эволюцию графических программ на примере операционной системы UNIX. История создания и развития самой системы UNIX интересна сама по себе. Графика в UNIX появилась сразу после появления графических дисплеев, задолго до появления персональных компьютеров. В результате была создана графическая часть системы UNIX, которая получила название X-Window (X-W). Она состоит из большого числа библиотек и утилит, значительно расширяют возможности создания графических программ. Вопросы переносимости этих программ решаются, почти, автоматически, так как идея переносимости лежит в основе создания самой системы UNIX.
Хорошо известно, что научные ППП для моделирования и расчетов сложны и велики по объему. Они состоят из большого количества подпрограмм (до 1000 и более), а количество строк исходного кода может доходить до 1000000. Очевидно, нет смысла перегружать их графическими программами, которые тоже, обычно, большие и сложные. Именно такой путь создания программ визуализации наблюдается в настоящее время в области научных исследований. Очевидно, также, что обычный пользователь не в состоянии создавать графические программы для используемых им ППП, хотя такие попытки были, особенно после появления персональных компьютеров. Это сложно как с технической, так и с экономической стороны. Графически программы общего пользования должны быть хорошо документированы, а эта сторона, как правило, не решается при кустарной разработке таких программ. Документация многих современных графических пакетов доходит до 200 страниц. Она также создается также в формате html и доступна в Интернете на сайте разработчиков.
1. Пакет VMD
Научные ППП, как правило, имеют небольшой объем входных данных и очень большой объем выходных данных, которые, к тому же имеют различный формат, привязанный к данному ППП. Часто в таких ППП создаются файла для последующей анимации результатов моделирования. Типичным примером таких ППП являются пакеты для моделирования методами молекулярной динамики (ММД) и пакеты для квантово-механических расчетов. В качестве примера ММД пакета рассмотрим пакет CPMD [1] в котором реализован метод первопринципной (ab initio) молекулярной динамики. Входными данными здесь являются координаты атомов и их начальные скорости, а также данные которые описывают режимы моделирования. Выходные данные содержат координаты скорости и силы действующие на атомы, а также многочисленные файлы с другой нужной информацией. Для визуализации результатов моделирования пакета CPMD, был создан пакет VMD в университете штата Иллинойс [2]. Этот пакет достаточно мощный и универсальный и может также быть использован для визуализации и в других ППП. Он работает в среде UNIX, требует минимальной настройки. Он поставляется в бинарном виде (без исходного кода). Такое решение хорошо, если авторы пакета хорошо позаботились о его настройке и учли многочисленные варианты архитектуры различных платформ пользователей. Наш опыт показывает, что авторы этого пакета хорошо справились с этой задачей, и у нас не возникало проблем с его установкой и использованием. Этот пакет хорошо документирован. Последняя его версия 1.8.6 содержит около 200 страниц документации. Он может работать в трех операционных системах: UNIX, MacOS-X и Windows. Он предназначен для физически, химических и биологических приложений.
Там широко используются приемы анимации и создания фильмов по исследуемым задачам. Этот пакет достаточно эффективен, он может отображать большие молекулы типа ДНК, а также кластеры и фрагменты кристаллов до 100000 атомов. Лицензия VMD бесплатна для университетов и академических институтов. При коммерческом использовании нужно получать платную лицензию. При публикации статей с использованием пакета VMD, нужно сделать необходимые ссылки, как это сказано в лицензии. В литературе в настоящее время имеется очень много научных статей с использованием этого пакета.
1. Пакет XСrySDen
Другой графический пакт для научных исследований — XСrySDen [3]. Этот пакет был создан первоначально для Венских пакетов Wien-97, Wien2k [4], а затем был дополнен и расширен для использования в других пакетах: PWSCF, FHI98MD, CRYSTAL и др. Этот пакет имеет бесплатную лицензию для университетов и академических институтов. Здесь также действуют те же правила при подготовке научных публикаций при использовании этого пакета. Он поставляется как в исходном виде, так и в виде готовых загрузочных модулей. При использовании исходного кода нужно обеспечить наличие библиотек OpenGL (MESA) и Tcl/Tk. Эти библиотеки поставляются вместе с исходным кодом, однако наш опыт говорит о том, что лучше их поставить из дистрибутива операционной системы, так как могут быть проблемы на стадии трансляции исходного кода. Сам пакет XСrySDen написан на Си и Фортране. Этот пакет также хорошо документирован и хорошо стыкуется с указанными выше научными пакетами. Входными данными для него могут служить как входные так и выходные файлы расчетных пакетов, в зависимости от того, что нужно визуализировать. Следует отметить очень хороший дизайн в получаемых графических объектах и достаточно простой и понятный графический интерфейс при работе с пакетом XСrySDen. (Рис. 1)
В пакете XСrySDen имеется достаточно много примеров его использования с другими различными пакетами для моделирования в физике и химии. На рис. 1 приведены примеры изображений из документации пакета XСrySDen. Из этого рисунка можно видеть, что этот пакет имеет достаточно большие возможности по визуализации сложных физических и химических объектов. На рисунке 2 приведены изображения молекулы C3O2H2F6 и фуллерена. На рисунке 3 приведены физические примеры приложения
Рис. 1. Примеры графического интерфейса пакетa XСrySDen.
Рис. 2. 3D изображение молекулы CNOH (слева) и молекулы фуллерена (справа).
XСrySDen при моделировании кристалла Ni3Al. Наш опыт использования этого пакета оказался весьма положительным [5]. Он был использования при визуализации результатов моделирования двойных и тройных сплавов на основе Ni3Al (Рис. 3). На этом рисунке слева изображена элементарная ячейка кристалла Ni3Al, а справа суперячейка того же кристалла, увеличенная в 2 раза (2x2x2) . Это кристалл с ГЦК решеткой. В элементарной ячейке Ni3Al содержится 4 атома. Атом алюминия расположен в углу куба, а 3 атома никеля располагаются в центре 3 граней, примыкающих к этому углу. Суперячейка содержит 32 атома. Важным моментом таких пакетов визуализации является то, что они позволяют получить 3-х мерное изображение объекта (3D графика), и поворачивать его на экране компьютера с помощью мыши или клавиатуры. Кроме этого пользователь может получать сложные трехмерные изображения распределения электронной плотности и поверхности Ферми. Это
Рис. 3. Элементарная ячейка кристалла Ni3Al (4 ат./яч., слева) и суперячейка Ni3Al-Co (32 ат./яч., справа) c двумя примесными атомами Co.
возможность значительно облегчает восприятие проведенных исследований, и, по - видимому, является единственным способом увидеть сложные геометрически 3D объекты. Это также значительно облегчает работу по подготовке научных публикаций. Во многих научных статьях можно встретить рисунки полученные с помощью пакета XСrySDen.
Таблица 2: Координаты атомов в элементарной ячейке Ni3Al в единицах постоянной решетки.
атом | x | y | z |
Al | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
Ni | 0.0 | 0.5 | 0.5 |
Ni | 0.5 | 0.0 | 0.5 |
Ni | 0.5 | 0.5 | 0.0 |
В заключение можно сказать, что в настоящее время имеется достаточно много графических пакетов для визуализации результатов расчетов и моделирования. Автор может выбрать нужный ему пакет, исходя из соображений удобства или возможностей его компьютера. Но лучше следовать рекомендациям, даваемым разработчиками пакетов с помощью которых были выполнены расчеты или моделирования.
Литература
CPMD, http//www. cpmd. org/ VMD, http//www. ks. uiuc. edu/Research/vmd/ A. Kokalj, Comp. Mater. Sci., 2003, Vol. 28, p. 155. Code available from http://www. xcrysden. org/. WIEN2k, http://www. wien2k. at/reg_user/ , , Моделирование физических свойств сплаваNi3Al-X(X=Co, Nb) из первых принципов // Материалы 8-й Международной конференции «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах» HPC-2008, 17-19 ноября, г. Казань, с. 310-313.