AVSを手軽に使うための可視化システムVisPlus
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(2) ビル周りの流れのシミュレーション. 乱流のシミュレーション. CRCソリューションズ（株）提供. 塩水と真水の拡散対流シミュレーション. 名古屋大学工学研究科 石原卓氏提供. 惑星周りのガスの流れのシミュレーション. 名古屋大学人間情報学研究科 岡村実奈氏提供. 名古屋大学理学研究科 谷川享行氏提供. 細胞膜のシミュレーション 富士通計算科学研究センター提供. 図 -1 可視化事例. モジュールパレット. AVS コントロール パネル. ワークスペース. 図 -2 ネットワークエディタの使用例. を作成する手間を省くために，一般的な CSV (Comma. て表示されるネットワークエディタ（図 -2）というビジュ. Separated Value format) デ ー タ や 本 セ ン タ ー の 利 用. アルプログラミングツールを使って開発している．ネッ. 者 の 多 い ア プ リ ケ ー シ ョン（Gaussian ， α-FLOW ，. トワークエディタのモジュールパレットには，数百を超. MASPHYC ，MASPHYC-SP）の出力データから，AVS. えるモジュールと呼ばれる機能（プログラム）を部品化し. の入力データを生成するプログラムを作成した．また，. た小さな箱がある．この AVS モジュールは，オブジェク. 可視化アプリケーションに関しても，雛型を作成してラ. ト指向に基づいて開発されており，1 つのモジュールは. イブラリ化し，ライブラリ名を可視化アプリケーション. 複数のオブジェクトやモジュールで構成される．そして，. 起動コマンドに指定することで，ノンプログラミングで. AVS のカーネルの中間言語である V 言語で記述されてい. アプリケーションの利用ができるようにした．. る（図 -3） ．. VisPlus の可視化アプリケーションは，AVS を起動し. VisPlus の可視化アプリケーション開発に使用した. 43巻5号 情報処理 2002年5月. −2−.
(3) データストラクチャ 可視化アプリケーション. モジュール. 図 -3 モジュールの階層的なオブジェクト構造. 左図の縦に並んだ箱が，モジュールを 構成するオブジェクトを示す．このオ ブジェクトの中から編集するオブジェ クト（例では V_COMMANDS）をマ ウスを使って選択し，Connection フ ィールドまたは Value フィールドに， 参照先または値を入力する． 左 図 は， オ ブ ジ ェ ク ト trigger が 更 新 さ れ る タ イ ミ ン グ で， V_COMMANDS に記述されている V コマンドを実行するモジュールの例で あ る．CMD1 は 配 列 を，[<-.MODE] は添字を示す．. 図 -4 オブジェクトエディタの使用例. AVS のプログラミング方法を，以下に示す．. 実際の操作は，ワークスペース上のモジュールまたは. ■ネットワークプログラミング. して起動するオブジェクトエディタ（図 -4）を使ってプ. ネットワークプログラミングは，ネットワークエディ. ログラミングを行う．. タ上のモジュールパレットからモジュールをワークスペ. VisPlus では，データの入力や加工，表現手法（グラ. ース上に配置し，フローチャートを描くようにデータの. フィクス・オブジェクトへの変換）などを行う可視化モ. 流れに沿ってモジュール同士を接続してプログラミング. ジュールのほかに，変数や配列といったプリミティブな. を行う方法である．. モジュールやマクロモジュール，連続処理を行う LOOP. オブジェクトを示すアイコン上でマウスの右ボタンを押. モジュール，トリガ設定を行ってコマンドを実行するモ. ■ V プログラミング. ジュール，アプリケーションの操作パネルを作成する. V プログラミングは，AVS の V 言語を使ったプログラ. GUI モジュール等を使って，次の点を考慮して可視化ア. ミング方法で，次に示す V 言語の要素を使って，モジュ. プリケーションのプログラミングを行った．. ールを構成するオブジェクトに対してプログラミングを. • アプリケーションの構造化（マクロ化）. 行う方法である．. • ダイナミックなモジュールの組替え操作（柔軟性）. • V ステートメント（オブジェクトの作成／変更／接続. • 時系列データや複数データ（通番付き）が扱える • 可視化領域の絞り込み機能（全領域とターゲット領域. ／切断／消去など） • V コマンド（情報の入手や実行の制御など）. を BOX で表示）. • V 組込み関数（数学関数や論理演算など）. • 市販のソフトウェアにない可視化手法 IPSJ Magazine Vol.43 No.5 May 2002. −3−.
(4) アプリケーション の解析結果. ASCIIデータ ファイル. BINARYデータ ファイル. IMAGEデータ ファイル. 計算サーバ ソルバー VisLink. ボリュームデータ 生成プログラム. 時系列入力データ生成プログラム. モニタ＆ステアリング （リアルタイム可視化） AVS入力データファイル. 可視化アプリケーション VisLink 入力モジュール. 入力データ操作 画像保存パネル. ． ．． モジュール. 入力モジュール. 。 。。 モジュール. データの選択 ／加工／変換. パラメータ入力 パネル. 表示手法の選択 画像データ作成. オブジェクト 選択パネル. 実行制御モジュールや プリミティブモジュール. 画像表示 ビューワ. 可視化モジュール. コントロール パネル. GUI モジュール. 図 -5 可視化データの流れ. • アプリケーション間の操作パネルの共通化（操作性）. Linux ，Windows でも利用できる．本センターでは，. このように作成した VisPlus の可視化アプリケーショ. この VisPlus は汎用計算サーバとグラフィックボード. ンは，ネットワークエディタのアプリケーションの保存. （OpenGL ，XGL）を搭載した画像処理サーバで利用で. メニューでファイルに保存できる．このファイルに保存. きる．研究室のワークステーションから可視化するとき. したアプリケーション（V ファイルと呼ぶ）は，AVS の. は，ネットワーク経由で汎用計算サーバに接続して利用. テキストタイプのインタープリタ言語である V 言語で記. する．図 -6 に本センターのシステム構成を示す．. 述されているため，オープンプラットホームで動作する．. VisPlus での可視化手順. VisPlus システムの概要. VisPlus を 使 っ て 可 視 化 処 理 を 行 う場 合 は，ま ず，. VisPlus は図 -5 に示すように，前章で説明したビジュ. 表 -1 に示す可視化アプリケーション・ライブラリの中か. アルプログラミングを使って開発した可視化アプリケー. ら可視化に使用するアプリケーションを選択する．そし. ション・ライブラリと，その入力となる AVS の時系列入. て，そのアプリケーションの入力フォーマットに記述さ. 力データファイルを作成する AVS 入力データ生成ライブ. れている形式の AVS 入力データを作成する．このとき，. ラリからなる．. VisPlus の AVS 入力データ生成ライブラリが対応して いるアプリケーションの出力ファイルやデータについて は，その AVS 入力データ生成ライブラリを使用する．次. VisPlus の動作環境. に，可視化アプリケーション起動コマンドのオペランド. VisPlus の AVS 入 力 デ ー タ 生 成 ラ イ ブ ラ リ は. に，ライブラリ名と入力データファイルの名前を指定す. FORTRAN 言語で，可視化アプリケーションライブラ. る．可視化アプリケーションが起動されると，画面にア. リは AVS の V 言語で，可視化コマンドはシェルスクリ. プリケーションの操作ウィンドウが表示される．利用者. プトを使って開発している．したがって，VisPlus の動. は，この表示された操作ウィンドウを使って可視化処理. 作環 境としては，基 本的には FORTRAN と AVS がイ. を行う．. ンストールされている UNIX システムで動作する．な. また，起動コマンドに「-ne」オプションを指定すると，. お，可視化アプリケーション・ライブラリについては，. ネットワークエディタを同時に表示して，可視化アプリ. 43巻5号 情報処理 2002年5月. −4−.
(5) 画像処理サーバ WS×5，NTサーバ×2 動画像入出力装置. スーパーコンピュータ VPP5000/64 （9.6GFLOPS/PE） PE：64台 Memory：1TB DISK：17TB. 汎用計算サーバ. システムネットワーク 1Gbps. GP7000Fモデル900 CPU：64台 Memory：64GB. ファイルサーバ DISK：1.8TB DVD：3TB. TAPEライブラリ. 学内LAN （NICE）. ユーザ用 端末×16. センター内LAN 図 -6 名古屋大学情報連携基盤センターのシステム構成図. FORMATおよび 入力データ ベ 表示手法 FORMAT ク ト ル 数値 形状 データ データ ライブラリ名. コ ン タ ー. 等 値 面. ボ リ ュ ー ム. ボ リ ュ ー ム Ｒ. bubble＃SG. F｜S. ○. ○. ○. ○. fcomp＃D. F. ②. ③. ②. ②. flow＃2G. F. ○. ○. G. ○. 流 線. パ ー テ ィ ク ル. 鳥 瞰 図. マ ー カ. グ ラ フ. ○. mocompAD. バブル表示 2つのデータの比較表示※1. ○. 流体用データ表示. : mo ASC. 説 明. : F｜S. S. F. S. ○. ○. ○. ②. ⑥. ○. ○. ○. 化学データ表示 2つの化学データの比較表示※1. ②. movol ASC. F｜S. S. particle＃. F｜S. G. read_field＃DD. F｜S. Fieldデータの読み込み. read_ucd＃DD. U. UCDデータの読み込み. ○ ○. ○. ○. ○. 化学データボリューム表示. ○. ④. 4つのパーティクルトレース. :. :. streamline＃. F｜S. G. ○. surface＃. F｜S. G. ○. vector volumeDSUD. F F｜S. ⑤ G. ○. ○ ○. ○ ⑤. ○. ○. ○. ○. ○. ④. 4つの流線図表示 5つの等値面表示. ○ ○. ○. 5つのベクトル図表示 ○. ボリューム表示. 備考）表示手法のボリュームは，レイトレーシング法を使ったボリュームレンダリング表示を示す． ※1）1つの画像表示ウインドウに2つのデータを並べて表示し，図の間隔を調整して可視化できる． 2つのデータ（変数名：#1と#2）を使った数式を指定して，任意の演算結果を可視化できる． 【例】2つのデータの差分値を10倍して表示する場合：（#1-#2）*10 ＜入力データFORMAT＞. F：Field（構造格子型データ）フォーマット S：Field（離散型データ）フォーマット U：UCD（非構造格子型データ）フォーマット I：イメージフォーマット（GIF，JPEG，TIFF等） G：ジオメトリフォーマット A：ジオメトリASCIIフォーマット. 表 -1 可視化アプリケーション・ライブラリ一覧. ケーションを編集しながら可視化することもできる．. ジュール（入力モジュール）を使ったアプリケーション. 解析プログラムのモニタやステアリング操作を行う. を起動し，GUI を使ってモニタやステアリング操作を. 場合は，富士通製の AVS 連携のリアルタイムビジュア. 行う．本センターでは，スーパーコンピュータ上にこの. ライゼーション・ソフトウェア VisLink を使用する（図. VisLink がインストールされているため，スーパーコン. -5 ，図 -7） ．この場合は，サーバ側の利用者プログラム. ピュータと他のサーバをソケット接続して解析プログラ. に VisLink のサブルーチン・ライブラリ（VisLib）を組. ムのモニタやステアリング操作を行うことができる．. み込んで実行する．そして，クライアント側は，VisPlus の可視化アプリケーション・ライブラリから VisLink モ IPSJ Magazine Vol.43 No.5 May 2002. −5−.
(6) VisLink (Client) 計算 プログラム. VisLib (Library). AVS. Reducer (Server). 図 -7 VisLink システムの構成. MultiWindow Appウィンドウ. Object Selection ウィンドウ. 画像表示 ウィンドウ. AVSControl パネル Input/Output パネル. Control ウィンドウ. Parameter Input ウィンドウ コンポーネント選択 パラメータ入力パネル. Plane Slicerパネル. 図 -9 操作ウィンドウの形式 図 -8 可視化アプリケーションの表示例. Control ウィンドウは，アプリケーションと画像表示. VisPlus の操作ウィンドウ. ウィンドウを制御するウィンドウで，パネル上に配置さ. VisPlus の可視化アプリケーションを起動すると，次. れたボタンを押して，アプリケーションの実行制御（一. の 5 つのウィンドウが画面に表示される（図 -8 ，図 -9. 時停止や終了）や可視化作業に必要な機能（Module 操. 参照） ．. 作，描画 Object 操作，View 操作，Light 操作，Camera. • MultiWindowApp ウィンドウ. 操作，Capture 操作（動画の再生／保存）等）を Multi. • Control ウィンドウ. WindowApp ウィンドウに表示して利用することができ. • Object Selection ウィンドウ. る．また，SAVE ボタンを押して，画面に表示されてい. • Parameter Input ウィンドウ. る状態をファイルに保存し次回利用することもできる．. • 画像表示ウィンドウ. Object Selection ウィンドウは，表示手法を選択するウ. MultiWindowApp ウィンドウは，AVS 起動時に表示. ィンドウで，画像表示ウィンドウ上に表示される描画オ. されるウィンドウで，ウィンドウ上のプルダウンメニュ. ブジェクトの表示／非表示を行う．. ーを使って AVS コントロールパネルに AVS の機能を表. Parameter Input ウィンドウは，描画オブジェクトの実. 示して利用することができる．VisPlus では，このプルダ. 行パラメータの操作を行うウィンドウで，物理量の選択. ウンメニューの Module メニューの先頭に Input/Output. 等を行うコンポーネント選択パネルと，描画オブジェク. パネルを作成して組み込んだ．この操作パネルを利用す. トの実行パラメータを入力するパラメータ入力パネルと，. ると，入力データの読み込み操作や表示画像の保存操作. 描画オブジェクトの断面表示の場所を指定する Plane. を容易に行うことができる．. Slicer パネルから構成される．この Plane Slicer パネル. 43巻5号 情報処理 2002年5月. −6−.
(7) 上付き文字. 表す（表 -3） ．たとえば，ライブラリ名 volume で 2 つ. インタフェース. の物理量を別々の画像表示ビューワに表示する場合は，. ＃. 通番付き複数データファイル test.001.fld, test.002.fld, …. Dvolume となる．. ＠. VisLink. 2. 2次元座標入力データ. また，このライブラリには，アプリケーション開発用. A. ASCII形式の入力データ. D. 2つの入力ファイルの同時入力. S. 離散データ（補間機能有り）. U. Uniform形式のFieldデータ. として read_field や read_ucd のようにデータの読み込 み，結果の保存，ウィンドウの制御を行う基本的な機能 （Input/Output パネルと Control ウィンドウ）のみを提 供するライブラリや，通番付きの複数イメージファイル や AVS のキャプチャ機能を使って作成した 3 次元の動画. 表 -2 入力インタフェース一覧. ファイル（GFA ファイル）を再生表示するものもある． 下付き文字. インタフェース. C. 描画オブジェクトの2色表示. D. 2つの画像表示ウインドウ. G. 描画オブジェクトのグレース ケール表示. L. 大規模データ表示. AVS 入力データ生成ライブラリ VisPlus の AVS 入力データ生成ライブラリは，次の 3 種類のソフトウェアからなる． • アプリケーションの出力データを基に，AVS の時系列. 表 -3 出力インタフェース. 入力データを作成するソフトウェア • ASCII データを基に，AVS の時系列入力データを作成 するソフトウェア. を利用すると，コンター図やベクトル図を格子断面や任. • 可視化するオリジナルデータに対して，AVS の時系列. 意断面でスライスしてアニメーション表示することもで. 入力データのヘッダファイルとステップファイルを作. きる．. 成するソフトウェア. VisPlus は，主にこの 5 つのウィンドウを使って可視. VisPlus が使用する AVS の時系列入力データは，ヘ. 化処理を行うが，MultiWindowApp ウィンドウの Input. ッダ，データ，ステップの 3 つのファイルで構成され. パネルと，Object Selection ウィンドウおよび Parameter. る．ヘッダファイルは，データ属性やファイルフォーマ. Input ウィンドウについては，幅広い可視化処理に対応. ットおよび各ファイルの関連付けを行う ASCII 形式のフ. するために可視化アプリケーションごとに表示メニュー. ァイルである．データファイルは，格子座標データと物. は異なる．たとえば，入力データを読み込む Input パネ. 理量データを格納するファイルで，このライブラリを使. ルは，時系列データ用，複数ファイルで構成される時系. って作成したファイルはすべて単精度バイナリー形式の. 列データ用（通番付きファイル） ，分子モデルデータ用が. Fortran の unformat 形式に変換して出力する．たとえ. ある．. ば，化学データの原子データ（原子名，原子座標）の場 合は，原子半径，van der Waals 半径，原子色番号，原 子座標に，結合データ（2 つの原子座標）の場合は，ベ. VisPlus の可視化アプリケーション・ ライブラリ. クトルデータと結合色番号といった感じで入力データは. VisPlus の可視化アプリケーション・ライブラリは，. ルは，時系列または複数データのステップ情報を設定す. AVS のネットワークエディタを使って作成した V ファイ. る ASCII 形式のファイルで，データを可視化するときに. ルのライブラリである．表 -1 にライブラリ名，入力デー. 可視化データと一緒に表示することができる．. タ FORMAT ，利用可能な表示手法を示す．ライブラリ. アプリケーションの出力ファイルを AVS の入力デー. 名の上付き文字は入力インタフェースを，下付き文字は. タに変換する場合は，アプリケーションごとに作成し. 出力インタフェースを示す．. た専用の変換プログラムを使用する．現在，流体解析. すべて数値データに変換して出力する．ステップファイ. ライブラリの入力インタフェースは，すべて時系列. ソフトウェア α -FLOW ，分子軌道計算ソフトウェア. 3 次元データに対応しており，その他の入力インタフェ. Gaussian ，分子動力学計算ソフトウェア MASPHYC ，. ースを利用する場合は，ライブラリ名の最後に上付き. MASPHYC-SP の 解 析 結 果 が 利 用 で きる．たとえ ば，. 文字を付加して表す（表 -2） ．たとえば，ライブラリ名. Gaussian の解析結果については，分子軌道および電子密. flow で，通番付きの複数 2 次元データを可視化する場. 度表示，振動解析表示，化学反応表示のための変換プロ. #2. 合は flow となる．ライブラリの出力インタフェースに. グラムが利用できる．この変換プログラムは，複数の異. ついては，ライブラリ名の最後に下付き文字を付加して. なった分子軌道解析データを時系列データに見立てて変 IPSJ Magazine Vol.43 No.5 May 2002. −7−.
(8) avsfldの入力フォーマット「case.data またはcase.nnn.data」 物理量データ１ :. 物理量データ２ :. …. avsfld1の入力フォーマット「case.data またはcase.nnn.data」 格子座標データ（XYまたはXYZ） 物理量データ1 : :. 物理量データ2 :. …. avsfld2の入力フォーマット「case.grid またはcase.nnn.data」と「case.dataまたはcase.nnn.data」 格子座標データ（XYまたはXYZ） :. 物理量データ1. 物理量データ2. …. avsfldmの入力フォーマット「case.atom またはcase.nnn.atom」と「case.bondまたはcase.nnn.bond」（省略可） 原子名 :. 座標データ（XYZ）物理量データ1 … : :. 原子の通番 原子の通番 カラー番号（省略可） : : :. 備考）「」内は，入力ファイル名の形式を示す． 表 -4 CSV 変換プログラムの入力ファイルの形式. 換し，専用の可視化アプリケーション・ライブラリを使. ラムを利用する．このプログラムは，対話形式で物理量. って可視化することができる．. や格子座標データに関するファイルフォーマットや属性. CSV 形式の ASCII データを AVS の入力データに変換. 等を入力して利用する．. するプログラムが扱えるデータタイプを以下に示す． • 2 次元および 3 次元データ • 時系列または複数データ（通番付きファイル）. 今後の展望. • 構造格子データ. 3 次元時系列データを可視化する数値データ可視化シ. • 分子モデルデータ. ステム VisPlus について紹介した．本システムは，現在，. • 移動格子データ. 新しい可視化アプリケーション・ライブラリの開発や，. • 離散データ（計算空間は 1 次元，物理空間は多次元）. ドキュメントおよびサンプルデータ等の整備を行ってい. この CSV 変換プログラムは，CSV データの項目を並. る．今後は，可視化アプリケーション・ライブラリの種. び替えたり，必要な項目を指定して新しい CSV データを. 類を増やして適用範囲を広げ，大規模データや非構造格. 作成するプログラムと，CSV データを基に AVS の入力. 子データの可視化についても順次サポートしてゆく予定. データを作成する 4 つのプログラムからなる．. である．また，VisPlus の公開等についての情報は，本. • 物理量が 1 つのファイルに存在する（プログラム名 :. センターの Web ページ（http://www.cc.nagoya-u.ac.jp） で知らせる予定である．. avsfld ） • 物理量と格子座標データが 1 つのファイルに存在する. なお，Gaussian の解析結果の可視化にあたっては，岐. （プログラム名 : avsfld1）. 阜大学地域科学部の和佐田裕昭氏が作成した MOPLOT. • 物理量と格子座標データが別々のファイルに存在する. という分子軌道関数値計算ソフトウェアと連携をとって. （プログラム名 : avsfld2）. いる．. • 分子データと結合データが 1 つのファイルに存在する. 参考文献 1）高橋一郎 : 数値データ可視化システム VisPlus について , 全国共同利 用大型計算機センター開発論文集 , No.23 (Nov. 2001). 2）高橋一郎 , 和佐田裕昭 , 和佐田祐子 : AVS Express を使った分子軌道 可視化システム , 全国共同利用大型計算機センター開発論文集 , No.21 (Nov. 1999). 3）高橋一郎 : AVS を使った解析結果可視化システム , 全国共同利用大型 計算機センター開発論文集 , No.19 (Nov. 1997). 4）高橋一郎 : リアルタイム可視化ツール VisLink の紹介 , 名古屋大学大 型計算機センターニュース , 第 120 号 (Feb. 2002). 5） 高 橋 一 郎 , 和 佐 田 裕 昭 , 和 佐 田 祐 子 : 分 子 軌 道 可 視 化 プ ロ グ ラ ム moplot および moview の紹介 , 名古屋大学大型計算機センターニュー ス , 第 133 号 (Nov. 1998). 6）AVS/Express に関するマニュアル http://www.kgt.co.jp/library/manual/avs.html 7）VisLink に関する Web ページ http://venus.netlaboratory.com/hpc/messe/viz/viz.html. （プログラム名 : avsfldm） 表 -4 に，この CSV 変換プログラムに入力する CSV デ ータファイルに付ける名前とそのデータフォーマットの 形式を示す．なお，この CSV 変換プログラムを利用する 場合は，利用する変換プログラムに応じた形式の入力フ ァイルを作成する必要がある． 上記の方法で対応できない複雑なフォーマットのデー タや BINARY データを可視化するときは，可視化するオ リジナルデータに対して時系列 Field データのヘッダフ ァイルとステップファイルを作成するヘッダ生成プログ. （平成 14 年 3 月 31 日受付）. 43巻5号 情報処理 2002年5月. −8−.
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