Constraint-based 3D manipulation for molecular modelling on the Web

Abstract

Computer-Aided Molecular Design (MolCAD), oder molekulare Modellierung, beschäftigt sich mit dem computergestützten Entwurf und der Manipulation von molekularen Strukturen. Dieses Gebiet erlebt derzeit einen Aufschwung an Interesse und Entwicklung, wobei der Fokus oft auf fortschrittlichen Visualisierungstechniken liegt. Allerdings mangelt es den bestehenden MolCAD-Tools oft an der Benutzerfreundlichkeit und effizienten Interaktion, die in traditioneller CAD-Software üblich sind. Diese Arbeit befasst sich mit dieser Lücke durch drei Methoden: (1) eine Untersuchung der etablierten CAD- und MolCAD-Literatur und -Software, (2) die Implementierung identifizierter vielversprechender Interaktionstechniken und (3) Case Studies zu deren Validierung.Im Rahmen dieses Prozesses werden zwei Interaktionstechniken in einer webbasierten Umgebung implementiert: ein PCA-basiertes Ausrichtungstool und ein Echtzeit-Kollisionserkennungssystem. Die Entscheidung, diese Tools für das Web zu implementieren, wurde getroffen, um eine einfache Zugänglichkeit und Bereitstellung auf verschiedenen Plattformen zu ermöglichen, da keine Installation erforderlich ist.Die durchgeführten Case Studies zielten darauf ab, diese beiden implementierten Ansätze zu validieren. Das Echtzeit-Kollisionserkennungssystem erhielt positives Feedback und zeigte großes Potenzial, den MolCAD-Prozess weniger frustrierend und effizienter zu gestalten. Das PCA-basierte Ausrichtungstool erhielt jedoch gemischte Feedbacks, was auf Bereiche für zukünftige Arbeiten hindeutet. Dennoch demonstrieren beide Funktionen das Potenzial, die Benutzerzufriedenheit und Effizienz in MolCAD zu verbessern.

Computer-Aided Molecular Design (MolCAD), or molecular modelling, is the computational design and manipulation of molecular structures. This field is experiencing a surge in interest and development, where the focus is often on advanced visualization techniques. However, existing MolCAD tools often lack the level of usability and efficient interaction commonly found in traditional CAD software. This thesis addresses this gap through three methods: (1) a survey of established CAD and MolCAD literature and software, (2) the implementation of identified promising interaction techniques; and (3) case studies to validate their effectiveness.As a result of this process, two interaction techniques are implemented in a web-based environment: a PCA-based alignment tool, and a real-time collision detection system. The decision to implement these tools for the web was made with the aim to provide ease of accessibility and deployment across various platforms, as no installation is required.The case studies conducted were aimed at validating these two implemented approaches. The real-time collision detection system received positive feedback, and showed great potential to make the MolCAD process less frustrating and more efficient. The PCA- based alignment tool, however, received mixed responses, indicating areas for future work. Nonetheless, both features demonstrate the potential to improve user satisfaction and efficiency in MolCAD.