Analysis of the Lossy Data Compression Algorithm for Recording Atomic Trajectories in the Gromacs Package

GROMACS to zaawansowane narzędzie do symulacji dynamiki molekularnej, które umożliwia modelowanie zachowań biomolekuł. Ważnym elementem tych symulacji są pliki trajektorii, przechowujące informacje o pozycjach atomów w czasie. Pliki te są zazwyczaj bardzo duże, dlatego stosuje się kompresję, aby zredukować ich rozmiar. W pracy omówiono algorytm kompresji wykorzystywany przez GROMACS, ze szczególnym naciskiem na format plików XTC, który efektywnie przechowuje skompresowane dane trajektorii. Przeanalizowano kod źródłowy biblioteki libxtc służącej do odczytu skompresowanych danych trajektorii, identyfikując i naprawiając błędy wpływające na poprawność wyników oraz czytelność kodu. Praca opisuje proces i metodykę pisania programu do dekompresji danych trajektorii atomowych w Pythonie, w tym analizę kodu źródłowego w językach C++ i Python, a także proces wizualizacji wyników. Szczególną uwagę poświęcono analizie struktury plików XTC. Omówiono różnice w sposobie zapisu i dekompresji danych dla różnych typów układów atomowych, prezentując szczegółowe schematy działania algorytmu. Przeprowadzone badania mają na celu szczegółową analizę działania algorytmu kompresji stratnej danych trajektorii atomowych w pakiecie GROMACS.

GROMACS is an advanced tool for molecular dynamics simulations that allows modelling the behaviour of biomolecules. An important aspect of these simulations is the trajectory files, which store information about the positions of atoms over time. These files are usually very large, so compression is used to reduce their size. The thesis discusses the compression algorithm used by GROMACS, with a particular focus on the XTC file format, which efficiently stores compressed trajectory data. The source code of the libxtc library, used to read compressed trajectory data, was analysed, identifying and fixing errors affecting the accuracy of results and code readability. The thesis describes the process and methodology of writing a program for decompressing atomic trajectory data in Python, including source code analysis in C++ and Python, as well as the process of visualizing the results. Particular attention was paid to the analysis of the XTC file structure. Differences in the way data is recorded and decompressed for different types of systems were discussed, presenting detailed algorithm operation schemes. The conducted research aims to provide a detailed analysis of the lossy compression algorithm for atomic trajectory data in the GROMACS package.