POV-Ray软件在分子对称性中的应用*

2015-02-13张海艳沙兆林崔世海朱银燕李晓东

大学化学 2015年2期

张海艳沙兆林崔世海朱银燕李晓东

(南京师范大学化学与材料科学学院江苏南京210023)

分子对称性是化学专业本科生结构化学［1-2］课程以及研究生量子化学［3］课程中的重要教学内容，通过相关内容的学习，使学生能够快速、准确地找到分子中存在的对称元素，确定其所属点群，进而从对称性的角度去分析其结构特点及可能具有的相关性质。在教学中，由于该部分内容涉及较多原子位置的变换，需要有比较好的空间想象能力，这使一些学生在学习时感到吃力，有时即使采用实物模型也难以达到好的教学效果。本文介绍的POV-Ray软件及视频连接工具Bandicam能制作出逐步显示分子对称元素的精美动画，可以帮助学生直观形象地分析分子结构和寻找对称元素，很好地掌握分子对称性的相关教学内容。

1 POV-Ray软件简介

POV-Ray是由David Kirk Buck和Aaron A.Collins研发的一个使用光线跟踪绘制三维图像的开放源代码免费软件。它可以在Windows、Linux以及其他平台使用。它使用场景描述语言来定义场景中的各种景物、背景、光照和视角等构成要素，头文件、光源、背景、相机、带三维坐标的物体是其最基本的组成。通过设置背景、相机视角、材质，以及添加一些景物等方法，可以创建模型并将其放入特定的场景中，以达到可视化的效果［4-5］。

2 视频动画制作——以交错式乙烷为例

在初学分子对称性时，Dnd点群是许多学生感觉难于确定的分子点群之一，主要困难来源于垂直于主轴的C2副轴的寻找与判断。本文以常见的D3d点群分子为例，具体介绍视频动画制作的全过程。

2.1 交错式乙烷的构建与导入

首先利用GaussView5.0构建了交错式乙烷的几何结构(图1)，并通过Edit-Point Group确认其为D3d点群，其特征对称元素有一条C3轴(主轴)，3条C2轴(副轴)，还有3个包含主轴且平分垂直于主轴的相邻两个C2轴夹角的镜面σd。图片保存为c2h6_d3d.mol，然后用ViewerLite5.0软件打开该文件，将分子调整到合适位置，存为c2h6_d3d.pov。

图1 交错式乙烷

2.2 POV-Ray3.6渲染的系列静态图片

2.2.1 添加头文件

首先用POV-Ray软件打开c2h6_d3d.pov文件，并在代码页上添加头文件:

#version 3.6;

global_settings{assumed_gamma 1.0} ∥使用自然光模拟

global_settings{charset utf8} ∥文本编辑时使utf8编码

2.2.2 对称元素的添加

C3主轴的添加:使用cylinder作为旋转轴的模型，将圆柱半径设成非常小的值(如0.015)，以使主轴显得细长美观。C3主轴所在的直线经过两个碳原子的球心，由于之前GaussView5.0的对称化，两个碳原子的球心都在z轴上且关于原点对称，所以C3主轴正好在z轴上，在z轴上适当截取两点坐标为上下底圆心的坐标。设置rgb值为＜0，0，1＞，将主轴颜色变为蓝色。在finish中将ambient设为0.4，以增大物体与环境的差别。图2(a)展示了交错式乙烷的C3主轴。

具体场景语言为:

C2副轴的添加:同样使用cylinder模型，并计算C2副轴所在直线方程。找到两组关于C2副轴对称的原子坐标(如＜-0.5043，0.8736，1.1266＞、＜-1.0087，-0.0，-1.1266＞和＜-0.0，-0.0，0.77＞、＜-0.0，-0.0，-0.77＞)，C2副轴必是穿过这两组坐标中点的直线。计算出两组坐标的中点，分别是＜-1.513/2，0.8736/2，0＞、＜0，0，0＞，根据两中点坐标算出直线方程，然后在直线上取适当的两点坐标为上下底圆心的坐标。设置color为rgb＜1，0，0＞，将主轴颜色变为红色。其他两个副轴依此类推。

具体场景语言为:

为了便于学生观察C2副轴，特将关于C2副轴对称的两组原子改变了颜色，并用“虚线”连接，在原子的中点坐标添加了辅助小球。图2(b)展示了交错式乙烷的C2副轴以及辅助线和辅助中点。

σd面的添加:使用disc模型，令内圆半径为0，可得整个圆面。令圆心坐标为原点，法向量为y轴，半径为1.9，将平面绕z轴旋转60度，使平面刚好在镜面的位置上。颜色使用“rgbt”模型，分别代表红、绿、蓝及透明度，添加无阴影设置。由于镜面是半透明的，且没有边界线，所以加一个圆环面作为镜面的边界，以增加美观度。使用torus模型，它类似于轮胎。将圆环厚度设成非常小的值(如0.005)，看到的效果就是一个圆圈。将大圆半径设为与disc同样的值，调整位置使之恰好“套”在σd面的边上，形成的效果就是有边界线的镜面。图2(c)展示了交错式乙烷的σd面。

具体的场景语言为:

图2 交错式乙烷中的C3主轴(a)、C2副轴(b)和σd面(c)

文本的添加:POV-Ray3.6版本中的字库不多且比较过时，其Times New Roman字体不能显示希腊字体且不支持斜体，因而需要安装一些新的字库。将Times New Roman的新字库装到POV-Ray3.6安装目录下的include文件夹下。显示希腊字体时，需调用chr函数，如chr(963)表示将uft8中编码为963的用字符表示，也就是显示σ字符。使用scale函数可以放大或缩小字体倍数。

场景语言为:

2.2.3 系列静态图片的生成——Clock变量的使用

使用Clock变量可以渲染出分子绕某轴旋转的系列图片。例如:在交错式乙烷中绕C3轴的转动。首先，在c2h6_d3d.pov文件中输入代码，令其绕z轴旋转;然后创建c2h6_d3d.ini文件，保存在与其相同的目录下，渲染的一系列图片就会自动保存在该目录。

c2h6_d3d.pov中的场景语言为:

c2h6_d3d rotate＜0，0，360*clock＞

c2h6_d3d.ini文件的内容如下:

Input_File_Name="c2h6_d3d.pov" //输入文件名

Initial_Frame=1 //起始帧

Final_Frame=12 //结尾帧，共12帧

Initial_Clock=0 //变量初始值

Final_Clock=1 //变量终值

Cyclic_Animation=on //支持循环播放

Pause_when_Done=off //结束后就停止

点击“Run”即可渲染得出相应的系列图片，可以发现使用POV-Ray制作的分子对称元素可使显示的图片更加精美。

2.3 视频动画制作——Bandicam软件的使用

综合考虑清晰度、人性化以及视频大小等因素，本文选择了使用Bandicam软件完成视频动画的制作;同时考虑到实际教学过程中进行讲解的需要，选择制作了.avi格式的视频文件。具体制作过程如下:

(1)首先将用POV-Ray制作得到的系列图片按次序编好，全部选中;然后选择预览，此时可看到第一张图片。

(2)打开Bandicam软件，点击“目标”，选择屏幕区域，鼠标放在区域框的右下角，将录制的窗口拉到合适的大小，使之恰好能够将图片显示在录制框内。

(3)对话框中的“常规”窗口下有一个选择输出文件夹，选择合适的文件夹输出视频，按一下F12键就可以录制窗口，或单击对话框中的录制键录制视频。

(4)在录制过程中，录制区域框会隐藏，此时照片查看器下面会有向右的箭头，单击可以切换到下一张图片，一直切换图片并控制好每张图片的停留时间，桌面的图片就会不断改变，此时的动态视频都会被捕捉并录制。

(5)图片翻到最后一张图片时按F12键(或者单击对话框中的停止键)停止录制。然后在目标文件夹中即可看到录制的视频。

2.4 视频静态效果图

图3给出了用POV-Ray3.6制作得到的部分分子特征对称元素整体效果图。由图3可以看出，利用POV-Ray可随意地在三维空间中添加对称元素，并可通过使用辅助线或者改变颜色等方法，渲染出分子绕轴旋转以及关于镜面对称的一系列图片。接着使用视频连接工具制成的.avi视频文件，可在教学中随时暂停画面进行讲解。这样，可使得空间想象力较差的学生在学习对称性时不再有恐惧感，变抽象为直观，从而取得了较好的教学效果。