POV-Ray軟件在分子對稱性中的應用*

張海艷 沙兆林 崔世海 朱銀燕 李曉東

(南京師范大學化學與材料科學學院 江蘇南京210023)

分子對稱性是化學專業本科生結構化學［1-2］課程以及研究生量子化學［3］課程中的重要教學內容，通過相關內容的學習，使學生能夠快速、準確地找到分子中存在的對稱元素，確定其所屬點群，進而從對稱性的角度去分析其結構特點及可能具有的相關性質。在教學中，由于該部分內容涉及較多原子位置的變換，需要有比較好的空間想象能力，這使一些學生在學習時感到吃力，有時即使采用實物模型也難以達到好的教學效果。本文介紹的POV-Ray軟件及視頻連接工具Bandicam能制作出逐步顯示分子對稱元素的精美動畫，可以幫助學生直觀形象地分析分子結構和尋找對稱元素，很好地掌握分子對稱性的相關教學內容。

1 POV-Ray軟件簡介

POV-Ray是由David Kirk Buck和Aaron A.Collins研發的一個使用光線跟蹤繪制三維圖像的開放源代碼免費軟件。它可以在Windows、Linux以及其他平臺使用。它使用場景描述語言來定義場景中的各種景物、背景、光照和視角等構成要素，頭文件、光源、背景、相機、帶三維坐標的物體是其最基本的組成。通過設置背景、相機視角、材質，以及添加一些景物等方法，可以創建模型并將其放入特定的場景中，以達到可視化的效果［4-5］。

2 視頻動畫制作——以交錯式乙烷為例

在初學分子對稱性時，Dnd點群是許多學生感覺難于確定的分子點群之一，主要困難來源于垂直于主軸的C2副軸的尋找與判斷。本文以常見的D3d點群分子為例，具體介紹視頻動畫制作的全過程。

2.1 交錯式乙烷的構建與導入

首先利用GaussView5.0構建了交錯式乙烷的幾何結構(圖1)，并通過Edit-Point Group確認其為D3d點群，其特征對稱元素有一條C3軸(主軸)，3條C2軸(副軸)，還有3個包含主軸且平分垂直于主軸的相鄰兩個C2軸夾角的鏡面σd。圖片保存為c2h6_d3d.mol，然后用ViewerLite5.0軟件打開該文件，將分子調整到合適位置，存為c2h6_d3d.pov。

圖1 交錯式乙烷

2.2 POV-Ray3.6渲染的系列靜態圖片

2.2.1 添加頭文件

首先用POV-Ray軟件打開c2h6_d3d.pov文件，并在代碼頁上添加頭文件:

#version 3.6;

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

global_settings{charset utf8} ∥文本編輯時使utf8編碼

2.2.2 對稱元素的添加

C3主軸的添加:使用cylinder作為旋轉軸的模型，將圓柱半徑設成非常小的值(如0.015)，以使主軸顯得細長美觀。C3主軸所在的直線經過兩個碳原子的球心，由于之前GaussView5.0的對稱化，兩個碳原子的球心都在z軸上且關于原點對稱，所以C3主軸正好在z軸上，在z軸上適當截取兩點坐標為上下底圓心的坐標。設置rgb值為＜0，0，1＞，將主軸顏色變為藍色。在finish中將ambient設為0.4，以增大物體與環境的差別。圖2(a)展示了交錯式乙烷的C3主軸。

具體場景語言為:

C2副軸的添加:同樣使用cylinder模型，并計算C2副軸所在直線方程。找到兩組關于C2副軸對稱的原子坐標(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副軸必是穿過這兩組坐標中點的直線。計算出兩組坐標的中點，分別是＜-1.513/2，0.8736/2，0＞、＜0，0，0＞，根據兩中點坐標算出直線方程，然后在直線上取適當的兩點坐標為上下底圓心的坐標。設置color為rgb＜1，0，0＞，將主軸顏色變為紅色。其他兩個副軸依此類推。

具體場景語言為:

為了便于學生觀察C2副軸，特將關于C2副軸對稱的兩組原子改變了顏色，并用“虛線”連接，在原子的中點坐標添加了輔助小球。圖2(b)展示了交錯式乙烷的C2副軸以及輔助線和輔助中點。

σd面的添加:使用disc模型，令內圓半徑為0，可得整個圓面。令圓心坐標為原點，法向量為y軸，半徑為1.9，將平面繞z軸旋轉60度，使平面剛好在鏡面的位置上。顏色使用“rgbt”模型，分別代表紅、綠、藍及透明度，添加無陰影設置。由于鏡面是半透明的，且沒有邊界線，所以加一個圓環面作為鏡面的邊界，以增加美觀度。使用torus模型，它類似于輪胎。將圓環厚度設成非常小的值(如0.005)，看到的效果就是一個圓圈。將大圓半徑設為與disc同樣的值，調整位置使之恰好“套”在σd面的邊上，形成的效果就是有邊界線的鏡面。圖2(c)展示了交錯式乙烷的σd面。

具體的場景語言為:

圖2 交錯式乙烷中的C3主軸(a)、C2副軸(b)和σd面(c)

文本的添加:POV-Ray3.6版本中的字庫不多且比較過時，其Times New Roman字體不能顯示希臘字體且不支持斜體，因而需要安裝一些新的字庫。將Times New Roman的新字庫裝到POV-Ray3.6安裝目錄下的include文件夾下。顯示希臘字體時，需調用chr函數，如chr(963)表示將uft8中編碼為963的用字符表示，也就是顯示σ字符。使用scale函數可以放大或縮小字體倍數。

場景語言為:

2.2.3 系列靜態圖片的生成——Clock變量的使用

使用Clock變量可以渲染出分子繞某軸旋轉的系列圖片。例如:在交錯式乙烷中繞C3軸的轉動。首先，在c2h6_d3d.pov文件中輸入代碼，令其繞z軸旋轉;然后創建c2h6_d3d.ini文件，保存在與其相同的目錄下，渲染的一系列圖片就會自動保存在該目錄。

c2h6_d3d.pov中的場景語言為:

c2h6_d3d rotate＜0，0，360*clock＞

c2h6_d3d.ini文件的內容如下:

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

Initial_Frame=1 //起始幀

Final_Frame=12 //結尾幀，共12幀

Initial_Clock=0 //變量初始值

Final_Clock=1 //變量終值

Cyclic_Animation=on //支持循環播放

Pause_when_Done=off //結束后就停止

點擊“Run”即可渲染得出相應的系列圖片，可以發現使用POV-Ray制作的分子對稱元素可使顯示的圖片更加精美。

2.3 視頻動畫制作——Bandicam軟件的使用

綜合考慮清晰度、人性化以及視頻大小等因素，本文選擇了使用Bandicam軟件完成視頻動畫的制作;同時考慮到實際教學過程中進行講解的需要，選擇制作了.avi格式的視頻文件。具體制作過程如下:

(1)首先將用POV-Ray制作得到的系列圖片按次序編好，全部選中;然后選擇預覽，此時可看到第一張圖片。

(2)打開Bandicam軟件，點擊“目標”，選擇屏幕區域，鼠標放在區域框的右下角，將錄制的窗口拉到合適的大小，使之恰好能夠將圖片顯示在錄制框內。

(3)對話框中的“常規”窗口下有一個選擇輸出文件夾，選擇合適的文件夾輸出視頻，按一下F12鍵就可以錄制窗口，或單擊對話框中的錄制鍵錄制視頻。

(4)在錄制過程中，錄制區域框會隱藏，此時照片查看器下面會有向右的箭頭，單擊可以切換到下一張圖片，一直切換圖片并控制好每張圖片的停留時間，桌面的圖片就會不斷改變，此時的動態視頻都會被捕捉并錄制。

(5)圖片翻到最后一張圖片時按F12鍵(或者單擊對話框中的停止鍵)停止錄制。然后在目標文件夾中即可看到錄制的視頻。

2.4 視頻靜態效果圖

圖3給出了用POV-Ray3.6制作得到的部分分子特征對稱元素整體效果圖。由圖3可以看出，利用POV-Ray可隨意地在三維空間中添加對稱元素，并可通過使用輔助線或者改變顏色等方法，渲染出分子繞軸旋轉以及關于鏡面對稱的一系列圖片。接著使用視頻連接工具制成的.avi視頻文件，可在教學中隨時暫停畫面進行講解。這樣，可使得空間想象力較差的學生在學習對稱性時不再有恐懼感，變抽象為直觀，從而取得了較好的教學效果。

圖3 分子特征對稱元素整體效果圖

3 小結

本文將POV-Ray、Bandicam軟件與化學專業軟件GaussView、ViewerLite相結合，在三維分子結構中添加各對稱元素，渲染出一系列精美圖片，制作了直觀形象的教學動畫視頻。在分子對稱性內容的教學過程中獲得了良好的教學效果，豐富了結構化學的教學資源。

［1］李炳瑞.結構化學(多媒體版).第2版.北京:高等教育出版社，2011

［2］周公度，段連運.結構化學基礎.第4版.北京:北京大學出版社，2008

［3］Levine Ira N.Quantum Chemistry.5th ed.北京:世界圖書出版公司，2004

［4］劉文杰，于建娜.塔里木大學學報，2006，18(2):78

［5］王崢，楊新，李俊，等.微型電腦應用，2000，16(6):9