基于三維數字影像技術的分子動畫初探

華東理工大學 劉瀚璞 蔣正清

基于三維數字影像技術的分子動畫初探

華東理工大學 劉瀚璞 蔣正清

基于三維數字影像技術的分子動畫是科學與藝術碰撞的必然結果，也是學科交叉的完美展現。針對國內目前還沒有分子動畫方面的理論研究的情況下，給出了分子動畫的釋義、源起，并細致闡述了它的發展概況、制作技術及實際應用等領域，最后對分子動畫的科學研究的價值進行了探討，并做了進一步的展望。此研究意在表明分子動畫作為一種新的動畫表現形式所起到的重要作用和意義，也體現了不同學科之間合作的重要性。

三維數字影像；分子動畫；科學；藝術；學科交叉

在2006年度國際圖形學年會SIGGRAPH(Special Interest Group on Graphics and Interactive Techniques)上，一段三分鐘的分子動畫《細胞內部的生命》引起了極大的關注。該動畫是哈佛大學分子與細胞生物學系承擔的科學可視化項目BioVisions，科學動畫公司XVIVO參與共同制作。

制作三維分子動畫的構想最早是由哈佛大學細胞生物學教授羅伯特·魯（Robert A. Lue）①提出，即把先進的數字技術運用到生物學中去，將生命內部的奧秘用視覺的形式呈現出來。從那時起，三維分子動畫確立了其不可替代的地位。這一新的動畫形式的出現，使科學與藝術的融合成為了現實。在人們驚嘆于科學也能如此美麗的同時,它也解決了很多重大復雜的科學問題。從字面意義來看，分子動畫（Molecular animation）即從分子水平闡釋物體復雜的內部機制的動畫表現形式。從實際操作層面來看，它不僅局限于分子水平，可泛指在微觀層面上表現物體內部機制的動畫形式。

三維分子動畫的興起到目前只有十多年的時間，但動畫作為科學研究的手段已有很長的歷史。然而，分子動畫方面的理論研究目前仍處空白。本文試圖從分子動畫的發展、制作技術及應用領域等方面展開系統的討論。如若不做特殊說明，本文研究的分子動畫就是指三維分子動畫。

1.分子動畫的發展概況

1.1 分子動畫的出現是科學與藝術碰撞的必然結果

分子的概念最早是由意大利的阿莫迪歐·阿伏伽德羅提出，直到坎尼扎羅通過實驗證實了阿伏伽德羅的分子假說，而后，科學家們就試圖用各種方式來呈現分子形態。由于普通的光學顯微鏡無法看到分子級別的影像，因此，在電子顯微鏡出現以后，人們才逐漸看到更加微觀的影像。此外，還要借助X射線衍射②等方法獲得更為微觀的結構。

動畫的發展從十六世紀的手翻書，十七世紀的魔術燈到1888年雷諾創造的光學影戲機；從詹姆斯·斯圖爾特·布萊克頓制作的歷史上第一部動畫片到迪士尼的全彩卡通片。直到二十世紀八九十年代，隨著媒體技術的數字化，動畫制作的方式才開始全面轉型，逐漸演變成運用計算機制作二維Flash動畫和三維動畫的形式。正是由于動畫帶來的震撼人心的效果吸引了科學家們的目光，他們開始思考將影像的魅力帶入到科學界，數字形式的分子動畫就是在這樣的背景下誕生的（如表1）。

表1 二維、三維形式的分子動畫

分子動畫的出現是科學與藝術碰撞的必然結果，它體現了科研人員與藝術家對美的共同追求，通過合理的想象，加之數字影像技術手段的運用，使物質內部的微觀結構鮮活地展現出來。

1.2 分子動畫在國內外的發展情況

從推動分子動畫發展的動力來看，主要由高校的相關專業與動畫企業組成。國內代表性的高校有中國科學技術大學、華東理工大學等。代表性的企業有，水晶石數字科技有限公司等。

相比于國外，我們在這方面還有很大的差距。國外很多高校有分子動畫相關的課程和研究，如加拿大多倫多大學、美國哈佛大學，也不乏一些專業的科學動畫制作公司，如XVIVO、RANDOM42、Polygon。這些公司都致力于通過自己的專業技能為客戶提供數字解決方案（如表2）。

表2 分子動畫的國內外發展現狀對比

國內在分子動畫領域起步較晚，很多方面還不成熟，與國外的差距主要表現在三個方面：從制作水平（數字技術）上來看，差距正在逐步縮小；從藝術創意（前期的策劃能力和想象力）上來看，國內缺乏合作意識，前期劇本欠佳，也沒有充分發揮合理想象；從合作機制（學科交叉的意識）上來看，國內不同學科之間缺乏深入交流。

2.分子動畫的制作

一段優秀的分子動畫至少要兼具科學性和藝術性，制作精確，畫質優美。一般情況下，它是一個跨學科的團隊合作的過程，需要有科研人員和藝術家的共同努力。

但從現實來看，科學界和藝術界各自為戰的情況較多，彼此沒有進行深入的合作交流，科研人員致力于再現微觀世界的真實性，但由于缺少基本的藝術訓練，其作品往往無法打動人心。他們使用的軟件有：Molecular Flipbook、SketchBio、Chimera、PyMOL等。這些軟件在一定程度上能夠幫助科研人員解決研究過程中遇到的問題，但是，僅僅通過這些軟件制作出來的分子動畫并不具備美觀的特點，無論是從造型色彩上還是從空間把控上都給人以冰冷枯燥的感覺。

同樣，動畫藝術家們不具備分子生物學的專業背景，使用的軟件并不是只針對分子動畫的，因而制作耗時費力，做出的分子動畫也不科學嚴謹。從設計的角度來看，分子動畫的制作與普通動畫的制作流程應該是相同的，都要經歷動畫制作的前期、中期和后期的過程（如圖1）。

圖1 分子動畫的制作流程

隨著交叉學科重要性的凸顯，分子動畫越來越被各界人士所重視。科學界和藝術界各自為戰的狀況也逐漸好轉，出現了融合的趨勢，首先反映在一些軟件的開發上。研究人員已經開發出了一些分子插件，比如分子插件ePMV、Molecular Maya（mMaya）、Bio-Blender，運用這些工具，分子動畫的制作更加精確便捷，動畫師可以直接將準確的蛋白質等模型導入到主流軟件如Maya、3ds Max、Cinema4D、Blender中，實現它們之間的對接。獲取分子等模型，一般是需要通過各種數據庫下載的，像蛋白質數據庫UniProt、DNA數據庫GenBank、膜蛋白數據庫PDBTM、化合物數據庫PubChem等。在國內外研究人員的共同努力下，分子動畫制作的屏障將會越來越少。

另外，針對國內科學界與藝術界合作壁壘較大的問題，國家應該提出一些獎勵措施加大對雙方開展深入合作的支持，高校也應該起到帶頭作用，鼓勵并積極促成各學科之間的交流合作，各相關公司和企業也要不斷優化和調整自身結構，加強學科間的通力合作，已達成更高的標準。

3.分子動畫的應用

分子動畫的應用領域主要集中在教育、科研和廣告宣傳上。

3.1 分子動畫在教育領域的應用

分子動畫運用在課堂上的優勢是方便學生理解知識，從而加深記憶。

在生化課堂上，老師為了讓學生理解一些微觀的知識，會采用一系列的方法，比如，在黑板上給學生畫二維圖；在講臺上給學生做演示；讓學生集體到實驗室自己做實驗等等。但是由于實驗的隨機性，可能需要來來回回做很多次才能成功，耽誤了大量的時間，而且很多實驗還具有危險性，稍不留神可能造成無法挽回的損失。

如今，我們完全有能力實現教學的多媒體化。基于分子動畫課件具有的可操作性，在課堂上，如果需要對本課程的某個概念的解說動畫或演示實驗進行反復觀看，老師可以自由靈活的控制播放過程，這樣既避免了老師親自演示所帶來的時間的浪費，也能幫助老師靈活控制教學進度，最重要的是學生也因此提高了學習效率，降低了接下來實驗錯誤的概率，大大提高實驗的安全性。

我們知道，圖、文、聲、像并茂的視頻能夠刺激人們的感官，激發大腦記憶，調起學生的學習熱情，促使學生主動地進行觀察、分析和思考。有了這一得力助手，老師可以充分調動課堂氛圍，達到一種雙贏的局面。

3.2 分子動畫在科研領域的應用

分子動畫運用在科研上，能夠輔助研究，方便科研人員進行溝通交流。

比如，細胞生物學家珍妮特·埃瓦薩（Janet Iwasa）③近幾年在進行的研究，她目前是哈佛醫學院的分子動畫師，在研究艾滋病病毒如何感染人體的細胞，以及如何對感染進行治療。當然，還有許許多多的研究者都在試圖通過分子動畫的形式破解世界性的醫學難題。制作這樣的微觀動畫，有時候需要整合上千名科學家數十年的研究數據，難度之大可想而知，但動畫一旦制作完畢并進行公開，就能被世界各地的科研人員看到。這種可視化的形式更加便于他們進行思想的交流，也在無形中推動著科學家們的研究進度，讓他們從全新的視角重新審視科學的變化過程。

去年，華東理工大學上海市新藥設計重點實驗室推出了國內首個基于分子三維相似性的藥物設計圖形用戶界面系統，是一個名為eSHAFTS的軟件包。它涵蓋了靶標發現及識別、先導化合物發現及優化等功能，可滿足目前國內外藥物發現的計算和研究需要，便于藥物設計專業及化學、生物學等非藥物設計專業的科研人員使用。

3.3 分子動畫在廣告宣傳領域的應用

分子動畫具有廣告宣傳的先天優勢，它在醫藥行業被廣泛運用。尤其在國外，分子動畫讓人們從宏觀到微觀整體把握用藥機理和手術過程，幫助人們擺脫心理上的恐懼感，以平和的心態接受治療。

比如，國外的一家生物制藥公司Galena Biopharma為了防止乳腺癌的二次復發所制作的動畫不僅深入細致的闡述了預防癌癥復發的重要性和用藥機理，同時起到了很好的宣傳推廣的作用（如圖2），充分發揮了分子動畫的商業價值。

圖2 乳腺癌的治療

4.小結與展望

盡管分子動畫的優勢有很多，但難免還有很多的科學家對這些動畫作品作為科學研究的價值提出了質疑，他們認為有些作品太過藝術化，而忽略了它本身的科學性。

在筆者看來，微觀世界的探索，必然存在盲點，沒有想象的成分很難創作出一段完整的分子動畫。我們應該對制作人員在必要的時候大膽設計一些顏色、造型甚至是空間的做法加以肯定，因為正是有了這些想象的成分，科學才能被賦予藝術的翅膀。當然，想象應該被掌握在一個合理的范圍內，合理想象的標準是需要各學科人員一同制定的。

作為一名藝術學院的學生，筆者能深切體會到分子動畫制作的門檻很高，再加上如今復合型人才的匱乏，要想做出高水準的分子動畫往往需要不同領域專業人士的參與。為了更好地填補國家在這方面人才的空缺，筆者認為，有必要在設計學院開設一門新興學科，招收生化專業且美感較強的學生，入學后，加強和拓展他們的專業知識等技能并對他們進行數字媒體設計培訓，或者在原有學科課程中穿插進其他專業的課程，來達到多學科交叉學習的目的。未來是個高度融合的時代，科學與藝術理應攜起手來共創未知世界。

注釋：

①羅伯特·魯（Robert A. Lue）是哈佛大學Derek Bok 教學中心分子與細胞生物學系和Richard L. Menschel 的系主任，在那里他負責藝術和科學學院的創新教學（FAS）和提升校園形象。在他獲得哈佛大學生物學博士學位之后，自1988年就開始教授本科課程，也成為哈佛本科教育公認的最重要的領導人之一。

②1912年勞埃等人根據理論預見，并用實驗證實了X射線與晶體相遇時能發生衍射現象，證明了X射線具有電磁波的性質，成為X射線衍射學的第一個里程碑。衍射線在空間分布的方位和強度，與晶體結構密切相關，每種晶體所產生的衍射花樣都反映出該晶體內部的原子分配規律。

③珍妮特·埃瓦薩（Janet Iwasa）是猶他大學生物化學系的研究助理教授，并擁有一個科學可視化的工作室。她致力于研究分子和細胞的可視化。珍妮特獲獎的插圖和動畫出現在科學期刊包括 Nature、Science和Cell中，以及《紐約時報》。她的作品也出現在電視和博物館的展覽中。

[1]蔣正清,張德鎮.3D影像基礎[M].長沙:湖南大學出版社,2012:1-20.

[2]J Sharpe,CJ Lumsden,N Woolridge.In Silico:3D Animation and Simulation of Cell Biology with Maya and MEL[M].San Francisco:Margan Kaufmann,2008.

[3]Erik Olsen,馮雪.Where Cinema And Biology Meet[J].English Digest,2011(2):34-37.

[4]SM Waldon,PM Thompson,PJ Hahn,TR Nd.SketchBio: a scientist’s 3D interface for molecular modeling and animation[J].Bmc Bioinformatics,2014,15(1):1-17.

[5]G Johnson,L Autin,D Goodsell,M Sanner,A Olson.ePMV Embeds Molecular Modeling into Professional Animation Software Environments[J].Structure,2011, 19(3):293-303.

[6]P Mcclean,C Johnson,R Rogers,et al.Molecular and Cellular Biology Animations: Development and Impact on Student Learning[J]. Cell Biology Education,2004, 4(2):169-179.

[7]Bromberg S,Chiu W,Ferrin TE.Workshop on molecular animation[J].Structure,2010(10):1261-5.

[8]J Iwasa.Crafting a career in molecular animation.[J].Molecular Biology of the Cell,2014, 25(19):2891-3.

[9]仝艷,李曉曉,李曉飛.介紹一款優秀的分子圖形軟件Chimera[J].化工時刊,2011,25(10):47-48.

[10]藥學院.華理推出國內首個基于分子三維相似性的藥物設計圖形軟件[DB/OL]. http://news.ecust.edu.cn/news/38583?important=1&category_ id=,2016-7-19/2016-7-25.

[11]M Zoppè,Y Porozov,R Andrei,et al.Using Blender for molecular animation and scientific representation[DB/OL].http://www.scivis.it/wpcontent/uploads/2013/11/blender_zoppe.pdf,2008/2016-7-25.

本文系上海市浦江人才計劃資助項目（項目編號：C-6203-12-007），華東理工大學數字媒體藝術新專業建設項目（項目編號YZ0129106），企業委托課題（項目編號Z100-41615）研究成果之一。

劉瀚璞，女，河南人，華東理工大學藝術設計與傳媒學院碩士在讀，研究生。主要研究方向：數字媒體。

蔣正清（1978－）男，江蘇常州人，華東理工大學藝術設計與傳媒學院數字媒體藝術系副教授、碩士生導師，設計學博士。主要研究方向：科學可視化設計與傳統文化數字化傳播。