Physics-based visual characterization of molecular interaction forces

Molecular simulations are used in many areas of biotechnology, such as drug design and enzyme engineering. Despite the development of automatic computational protocols, analysis of molecular interactions is still a major aspect where human comprehension and intuition are key to accelerate, analyze, and propose modifications to the molecule of interest. Most visualization algorithms help the users by providing an accurate depiction of the spatial arrangement: the atoms involved in inter-molecular contacts. There are few tools that provide visual information on the forces governing molecular docking. However, these tools, commonly restricted to close interaction between atoms, do not consider whole simulation paths, long-range distances and, importantly, do not provide visual cues for a quick and intuitive comprehension of the energy functions (modeling intermolecular interactions) involved. In this paper, we propose visualizations designed to enable the characterization of interaction forces by taking into account several relevant variables such as molecule-ligand distance and the energy function, which is essential to understand binding affinities. We put emphasis on mapping molecular docking paths obtained from Molecular Dynamics or Monte Carlo simulations, and provide time-dependent visualizations for different energy components and particle resolutions: atoms, groups or residues. The presented visualizations have the potential to support domain experts in a more efficient drug or enzyme design process.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

A general illumination model for molecular visualization

Several visual representations have been developed over the years to visualize molecular structures, and to enable a better understanding of their underlying chemical processes. Today, the most frequently used atom-based representations are the Space-filling, the Solvent Excluded Surface, the Balls-and-Sticks, and the Licorice models. While each of these representations has its individual benefits, when applied to large-scale models spatial arrangements can be difficult to interpret when employing current visualization techniques. In the past it has been shown that global illumination techniques improve the perception of molecular visualizations; unfortunately existing approaches are tailored towards a single visual representation. We propose a general illumination model for molecular visualization that is valid for different representations. With our illumination model, it becomes possible, for the first time, to achieve consistent illumination among all atom-based molecular representations. The proposed model can be further evaluated in real-time, as it employs an analytical solution to simulate diffuse light interactions between objects. To be able to derive such a solution for the rather complicated and diverse visual representations, we propose the use of regression analysis together with adapted parameter sampling strategies as well as shape parametrization guided sampling, which are applied to the geometric building blocks of the targeted visual representations. We will discuss the proposed sampling strategies, the derived illumination model, and demonstrate its capabilities when visualizing several dynamic molecules.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Nlcviz: Tensor Visualization And Defect Detection In Nematic Liquid Crystals

Visualization and exploration of nematic liquid crystal (NLC) data is a challenging task due to the multidimensional and multivariate nature of the data. Simulation study of an NLC consists of multiple timesteps, where each timestep computes scalar, vector, and tensor parameters on a geometrical mesh. Scientists developing an understanding of liquid crystal interaction and physics require tools and techniques for effective exploration, visualization, and analysis of these data sets. Traditionally, scientists have used a combination of different tools and techniques like 2D plots, histograms, cut views, etc. for data visualization and analysis. However, such an environment does not provide the required insight into NLC datasets. This thesis addresses two areas of the study of NLC data---understanding of the tensor order field (the Q-tensor) and defect detection in this field. Tensor field understanding is enhanced by using a new glyph (NLCGlyph) based on a new design metric which is closely related to the underlying physical properties of an NLC, described using the Q-tensor. A new defect detection algorithm for 3D unstructured grids based on the orientation change of the director is developed. This method has been used successfully in detecting defects for both structured and unstructured models with varying grid complexity

Molekulardynamik von Metalloxiden mit induzierten elektrostatischen Dipolmomenten

Metal oxides belong to the most important material classes in industrial technology. These high-tech ceramics are irreplacable in lots of modern microelectronic devices due to their excellent insulating properties, high melting points and high degrees of hardness. In the theoretical study of these systems, the atomistic modelling with molecular dynamics simulations and classical effective interaction force fields is a very powerful tool. There, fundamental properties can be uncovered and understood due to the atomic resolution. Both force field generation and simulation of oxide systems are computationally much more demanding than those of metals or covalent materials due to long-range electrostatic interactions. Furthermore, it is often not sufficient to only take Coulomb interactions into account, but to include electrostatic dipole moments. The latter can be integrated with the Tangney Scandolo polarizable force field model, where dipole moments are determined by a self-consistent iterative solution during each simulation time step. Applying the direct, pairwise Wolf summation to interactions between charges and its extension to dipole moments avoids high computational effort due to its linear scaling properties in the number of particles. Three relevant metal oxides have been selected to apply the new high-performance force field generation model. Therewith, a detailed investigation of crack propagation was possible. Both crack propagation insights and the influence of cracks on the dipole field are shown. Finally, the coupling of strain and – even more meaningful – strain gradient with the dipole moments is presented, which gives rise to flexoelectric effects in non-piezoeletric materials.Die vorliegende Arbeit vertieft die breit angelegte Modellierungs-Studie dreier wichtiger Metalloxide. Detaillierte Untersuchungen durch Molekulardynamik- Simulationen mit Kraftfeldern für Siliziumdioxid, Magnesiumoxid und Alpha-Aluminiumoxid werden dargestellt. Speziell angepasste Visualisierungs-Techniken erweitern die numerischen Einblicke und verhelfen zu neuen Erkenntnissen in den untersuchten ionischen Systemen. Im Wesentlichen leistet die Arbeit einen dreistufigen Beitrag zur numerischen Erforschung ionischer kondensierter Materie: 1. Zunächst wird die neue Art der Kraftfelderstellung dargestellt, welche das Potenzial-Modell von Tangney und Scandolo mit der direkten Wolfsummation verknüpft. Gezeigt wird die gewissenhafte Prüfung, dass die Vereinigung der Vorteile des TS Modells, welches elektrostatische Dipolmomente mit einbezieht, mit den linearen Skalierungs-Eigenschaften der Wolfsumme gelungen ist. Die Implementierung der Kraftfelderstellung in potfit durch den Autor gibt anderen Simulations-Gruppen die Möglichkeit, diese präzise, effiziente und flexible Methode für ihre individuellen Studien ionischer Materie einzusetzen. 2. Weiterhin werden die mithilfe der neuen Methodik generierten Kraftfelder für Siliziumdioxid, Magnesiumoxid und Alpha-Aluminiumoxid vorgestellt. Neben ihrer Erstellung wird in jedem Einzelfall die sorgfältige Validierung gezeigt. Die neuen Kraftfelder werden nicht nur für eigene Simulationen eingesetzt, sondern anderen Gruppen öffentlich zugänglich gemacht. Dadurch können nun vielerorts Simulationen durchgeführt werden, die bisher aufgrund von Beschränkungen bezüglich Zeit-, Längenskalen oder Randbedingungen nicht annehmbar realisierbar waren. 3. Unter Einsatz der neuen Kraftfelder wurden verschiedene Simulationen durchgeführt, die – auch mithilfe der speziell angepassten Visualisierung der fraktionalen Anisotropie – zu neuen Entdeckungen und grundlegenden Erkenntnissen geführt haben: • Das für Alpha-Aluminiumoxid erstellte Kraftfeld wurde zur MD Simulation von sich ausbreitenden Rissen verwendet, welche die vor zwei Jahren elektronenmikroskopisch untersuchten Verlaufs-Richtungen von in verschiedenen kristallinen Ebenen existierenden Rissen vollständig reproduzieren konnte. Darüberhinaus konnte – erstmalig in atomistischen Simulationen von Metalloxiden – der Einfluss von sich ausbreitenden Rissen auf die Orientierung der elektrostatischen Dipolmomente beobachtet und analysiert werden. • Derartige flexoelektrische Phänomene wurden schließlich sowohl in MD Simulationen als auch mithilfe der Darstellungstheorie untersucht. Die Kombination liefert eine konsistente Vorhersage flexoelektrischen Verhaltens in Alpha-Aluminiumoxid und auch in Periklas, obwohl beide Materialien aufgrund ihrer inversionssymmetrischen Kristallstruktur keine Piezoelektrizität aufweisen. Die analytisch angenommene und experimentell vorhergesagte lineare Kopplung zwischen Spannungsgradient und flexoelektrischer Polarisation wurde von MD Simulationen bestätigt. Erstmalig wurde flexoelektrische Domänenausbildung modelliert. In Periklas zeigt sich, dass flexoelektrische Domänen exakt von Néel-Wänden abgetrennt werden

Spatial CPU-GPU data structures for interactive rendering of large particle data

In this work, I investigate the interactive visualization of arbitrarily large particle data sets which ft into system memory, but not into GPU memory. With conventional rendering techniques, interactivity of visualizations is drastically reduced when rendering tens- or hundreds of millions of objects. At the same time, graphics hardware memory capabilities limit the size of data sets which can be placed in GPU memory for rendering. To circumvent these obstacles, a progressive rendering approach is employed, which gradually streams and renders all particle data to the GPU without reducing or altering the particle data itself. The particle data is rendered according to a visibility sorting derived from occlusion relations between different parts of the data set, leading to a rendering order of scene contents guided by importance for the rendered image. I analyze and compare possible implementation choices for rendering particles as opaque spheres in OpenGL, which forms the basis of the particle rendering application developed within this work. The application utilizes a multi-threaded architecture, where data preprocessing on a CPU-thread and a rendering algorithm on a GPU-thread ensure that the user can interact with the application at any time. In particular it is guaranteed that the user can explore the particle data interactively, by ensuring minimal latency from user input to seeing the effects of that input. This is achieved by favoring user inputs over completeness of the rendered image at all stages during rendering. At the same time the user is provided with an immediate feedback about interactions by re-projecting all currently visible particles to the next rendered image. The re-projection is realized with an on-GPU particle-cache of visible particles that is built during particle data streaming and rendering, and drawn upon user interaction using the most recent camera confguration according to user inputs. The combination of the developed techniques allows interactive exploration of particle data sets with up to 1.5 billion particles on a commodity computer.In dieser Arbeit wird die interaktive Visualisierung beliebig großer Partikeldaten untersucht, wobei die Partikeldaten im Arbeitsspeicher hinterlegt sind, aber nicht zwangsläufig in den Grafikspeicher passen. Mit üblichen Rendering Methoden büßen Visualisierungen drastisch an Interaktivität ein, wenn mehrere zehn- bis hunderte Millionen Objekte dargestellt werden. Gleichzeitig ist die Größe möglicher zu visualisierender Datensätze begrenzt durch den Videospeicher von Grafikkarten, auf dem zu visualisierende Daten vorliegen müssen. Um diese Einschränkungen zu umgehen, wird in dieser Arbeit ein progressiver Rendering Ansatz verfolgt, der sukzessive alle Partikeldaten zur Grafikkarte hochlädt und rendert, ohne die Partikeldaten zu reduzieren oder anderweitig zu verändern. Die Partikeldaten werden entsprechend einer vorgenommenen Sichtbarkeitssortierung gerendert, die aus gegenseitigen Verdeckungen verschiedener Teile des Partikeldatensatzes berechnet wird. Dies führt dazu, dass Teile der Szene nach ihrer Wichtigkeit für das aktuelle Bild sortiert und dargestellt werden. Es werden verschiedene Möglichkeiten analysiert und verglichen, Partikel als opake Kugeln in OpenGL zu rendern. Dies formt die Grundlage für die Partikel-Rendering Software, die in dieser Arbeit entwickelt wurde. Die Architektur der Rendering-Software benutzt mehrere Threads, sodass durch eine Daten-Vorverarbeitung auf einem CPUThread und durch Rendering-Algorithmen auf einem GPU-Thread sichergestellt ist, dass der Benutzer mit der Software jederzeit interagieren kann. Insbesondere ist sichergestellt, dass der Benutzer die Partikeldaten interaktiv untersuchen kann, indem die Latenz zwischen Benutzereingaben und dem Anzeigen der daraus resultierenden Veränderungen minimal gehalten wird. Dies wird erreicht indem der Verarbeitung von Benutzereingaben an allen Stellen des Rendering-Prozesses höhere Priorität eingeräumt wird als der Vollständigkeit des gerenderten Bildes. Gleichzeitig wird dem Benutzer eine sofortige Rückmeldung über getätigte Benutzereingaben gegeben, indem alle sichtbaren Partikel in das nächste gerenderte Bild neu projeziert werden. Diese Neu-Projektion wird durch einen GPU-seitigen Partikel-Cache aller aktuell sichtbaren Partikel realisiert, der während des sukzessiven Partikelstreamings und -renderns aufgebaut wird. Sobald der Benutzer eine Eingabe tätigt, wird der auf der GPU liegende Partikel-Cache unter der aktuellsten benutzerdefinierten Kameraposition neu gerendert. Die Kombination dieser entwickelten Methoden erlaubt ein interaktives Betrachten von Partikeldaten mit bis zu 1,5 Milliarden Partikeln auf einem handelsüblichen Computer

Visualization and inspection of the geometry of particle packings

Gegenstand dieser Dissertation ist die Entwicklung von effizienten Verfahren zur Visualisierung und Inspektion der Geometrie von Partikelmischungen. Um das Verhalten der Simulation für die Partikelmischung besser zu verstehen und zu überwachen, sollten nicht nur die Partikel selbst, sondern auch spezielle von den Partikeln gebildete Bereiche, die den Simulationsfortschritt und die räumliche Verteilung von Hotspots anzeigen können, visualisiert werden können. Dies sollte auch bei großen Packungen mit Millionen von Partikeln zumindest mit einer interaktiven Darstellungsgeschwindigkeit möglich sein. . Da die Simulation auf der Grafikkarte (GPU) durchgeführt wird, sollten die Visualisierungstechniken die Daten des GPU-Speichers vollständig nutzen. Um die Qualität von trockenen Partikelmischungen wie Beton zu verbessern, wurde der Korngrößenverteilung große Aufmerksamkeit gewidmet, die die Raumfüllungsrate hauptsächlich beeinflusst und daher zwei der wichtigsten Eigenschaften des Betons bestimmt: die strukturelle Robustheit und die Haltbarkeit. Anhand der Korngrößenverteilung kann die Raumfüllungsrate durch Computersimulationen bestimmt werden, die analytischen Ansätzen in der Praxis wegen der breiten Größenverteilung der Partikel oft überlegen sind. Eine der weit verbreiteten Simulationsmethoden ist das Collective Rearrangement, bei dem die Partikel zunächst an zufälligen Positionen innerhalb eines Behälters platziert werden. Später werden Überlappungen zwischen Partikeln aufgelöst, indem überlappende Partikel voneinander weggedrückt werden. Durch geschickte Anpassung der Behältergröße während der Simulation, kann die Collective Rearrangement-Methode am Ende eine ziemlich dichte Partikelpackung generieren. Es ist jedoch sehr schwierig, den gesamten Simulationsprozess ohne ein interaktives Visualisierungstool zu optimieren oder dort Fehler zu finden. Ausgehend von der etablierten rasterisierungsbasierten Methode zum Darstellen einer großen Menge von Kugeln, bietet diese Dissertation zunächst schnelle und pixelgenaue Methoden zur neuartigen Visualisierung der Überlappungen und Freiräume zwischen kugelförmigen Partikeln innerhalb eines Behälters.. Die auf Rasterisierung basierenden Verfahren funktionieren gut für kleinere Partikelpackungen bis ca. eine Million Kugeln. Bei größeren Packungen entstehen Probleme durch die lineare Laufzeit und den Speicherverbrauch. Zur Lösung dieses Problems werden neue Methoden mit Hilfe von Raytracing zusammen mit zwei neuen Arten von Bounding-Volume-Hierarchien (BVHs) bereitgestellt. Diese können den Raytracing-Prozess deutlich beschleunigen --- die erste kann die vorhandene Datenstruktur für die Simulation wiederverwenden und die zweite ist speichereffizienter. Beide BVHs nutzen die Idee des Loose Octree und sind die ersten ihrer Art, die die Größe von Primitiven für interaktives Raytracing mit häufig aktualisierten Beschleunigungsdatenstrukturen berücksichtigen. Darüber hinaus können die Visualisierungstechniken in dieser Dissertation auch angepasst werden, um Eigenschaften wie das Volumen bestimmter Bereiche zu berechnen. All diese Visualisierungstechniken werden dann auf den Fall nicht-sphärischer Partikel erweitert, bei denen ein nicht-sphärisches Partikel durch ein starres System von Kugeln angenähert wird, um die vorhandene kugelbasierte Simulation wiederverwenden zu können. Dazu wird auch eine neue GPU-basierte Methode zum effizienten Füllen eines nicht-kugelförmigen Partikels mit polydispersen überlappenden Kugeln vorgestellt, so dass ein Partikel mit weniger Kugeln gefüllt werden kann, ohne die Raumfüllungsrate zu beeinträchtigen. Dies erleichtert sowohl die Simulation als auch die Visualisierung. Basierend auf den Arbeiten in dieser Dissertation können ausgefeiltere Algorithmen entwickelt werden, um großskalige nicht-sphärische Partikelmischungen effizienter zu visualisieren. Weiterhin kann in Zukunft Hardware-Raytracing neuerer Grafikkarten anstelle des in dieser Dissertation eingesetzten Software-Raytracing verwendet werden. Die neuen Techniken können auch als Grundlage für die interaktive Visualisierung anderer partikelbasierter Simulationen verwendet werden, bei denen spezielle Bereiche wie Freiräume oder Überlappungen zwischen Partikeln relevant sind.The aim of this dissertation is to find efficient techniques for visualizing and inspecting the geometry of particle packings. Simulations of such packings are used e.g. in material sciences to predict properties of granular materials. To better understand and supervise the behavior of these simulations, not only the particles themselves but also special areas formed by the particles that can show the progress of the simulation and spatial distribution of hot spots, should be visualized. This should be possible with a frame rate that allows interaction even for large scale packings with millions of particles. Moreover, given the simulation is conducted in the GPU, the visualization techniques should take full use of the data in the GPU memory. To improve the performance of granular materials like concrete, considerable attention has been paid to the particle size distribution, which is the main determinant for the space filling rate and therefore affects two of the most important properties of the concrete: the structural robustness and the durability. Given the particle size distribution, the space filling rate can be determined by computer simulations, which are often superior to analytical approaches due to irregularities of particles and the wide range of size distribution in practice. One of the widely adopted simulation methods is the collective rearrangement, for which particles are first placed at random positions inside a container, later overlaps between particles will be resolved by letting overlapped particles push away from each other to fill empty space in the container. By cleverly adjusting the size of the container according to the process of the simulation, the collective rearrangement method could get a pretty dense particle packing in the end. However, it is very hard to fine-tune or debug the whole simulation process without an interactive visualization tool. Starting from the well-established rasterization-based method to render spheres, this dissertation first provides new fast and pixel-accurate methods to visualize the overlaps and free spaces between spherical particles inside a container. The rasterization-based techniques perform well for small scale particle packings but deteriorate for large scale packings due to the large memory requirements that are hard to be approximated correctly in advance. To address this problem, new methods based on ray tracing are provided along with two new kinds of bounding volume hierarchies (BVHs) to accelerate the ray tracing process --- the first one can reuse the existing data structure for simulation and the second one is more memory efficient. Both BVHs utilize the idea of loose octree and are the first of their kind to consider the size of primitives for interactive ray tracing with frequently updated acceleration structures. Moreover, the visualization techniques provided in this dissertation can also be adjusted to calculate properties such as volumes of the specific areas. All these visualization techniques are then extended to non-spherical particles, where a non-spherical particle is approximated by a rigid system of spheres to reuse the existing simulation. To this end a new GPU-based method is presented to fill a non-spherical particle with polydisperse possibly overlapping spheres efficiently, so that a particle can be filled with fewer spheres without sacrificing the space filling rate. This eases both simulation and visualization. Based on approaches presented in this dissertation, more sophisticated algorithms can be developed to visualize large scale non-spherical particle mixtures more efficiently. Besides, one can try to exploit the hardware ray tracing of more recent graphic cards instead of maintaining the software ray tracing as in this dissertation. The new techniques can also become the basis for interactively visualizing other particle-based simulations, where special areas such as free space or overlaps between particles are of interest

Enabling Detailed, Biophysics-Based Skeletal Muscle Models on HPC Systems

Realistic simulations of detailed, biophysics-based, multi-scale models often require very high resolution and, thus, large-scale compute facilities. Existing simulation environments, especially for biomedical applications, are typically designed to allow for high flexibility and generality in model development. Flexibility and model development, however, are often a limiting factor for large-scale simulations. Therefore, new models are typically tested and run on small-scale compute facilities. By using a detailed biophysics-based, chemo-electromechanical skeletal muscle model and the international open-source software library OpenCMISS as an example, we present an approach to upgrade an existing muscle simulation framework from a moderately parallel version toward a massively parallel one that scales both in terms of problem size and in terms of the number of parallel processes. For this purpose, we investigate different modeling, algorithmic and implementational aspects. We present improvements addressing both numerical and parallel scalability. In addition, our approach includes a novel visualization environment which is based on the MegaMol framework and is capable of handling large amounts of simulated data. We present the results of a number of scaling studies at the Tier-1 supercomputer HazelHen at the High Performance Computing Center Stuttgart (HLRS). We improve the overall runtime by a factor of up to 2.6 and achieve good scalability on up to 768 cores