（物理化学专业论文）计算机多媒体技术在结构化学中的应用.pdf

郑卅l 大学硕士论文 摘要 首先在深刻认识结构化学理论内容的基础上，认真选题和周密的 论证；然后将结构化学基本原理和方法准确的转变成数学模型：对多 媒体技术在结构化学中的应用进行了深入的研究与探讨。选用3 d m a x 4 0 制作三维立体图和三维动画，用p h o t o s h o p6 0 制作背景图、 按钮、图标，使用c o o le d i tp r o2 0 录制声音，用面向对象的可视化 多媒体开发工具v i s u a lb a s i c6 0 将制作的图片、图像、动画、文本、 声音进行合成，最后用i n n os e t u p3 对软件进行封装，制作安装程序。 并用方正奥斯尝试进行了网络软件的制作。介绍了软件的主要功能、 设计思想、制作工具、关键技术、使用方法、特点和功效。 该软件涉及结构化学中抽象概念和过程的动画演示，图形绘制， 仪器和实验模拟等方面。内容包括类氢原子角度分布图的绘制，分子 轨道对称性和反应机理的微机模拟，分子点群和对称元素显示。分子 振动运动的微机模拟，布拉维晶格和晶格转化，平面点阵抽取，立体 点阵抽取，等径圆球的密堆积和金属单质结构，不等径圆球密堆积和 典型离予晶体结构，x 射线多晶衍射的微机模拟十个子模块。 本软件充分应用计算机多媒体特别是三维动画制作技术以丰富 的图形界面、逼真的视频动画、生动的音响效果、引人入胜的表现手 法揭示了结构化学中包括的丰富内涵和科学原理，将原来枯燥的内容 和抽象的理论转变为形象、直观、生动的演示，使以前静态的，平面式 的教学变为动态的、三维立体的教学过程，具有吸引力和感染力，实 现了形象化、启发式教学。软件具有直观友好的图形化人机交互界面， 风格统一，提供教学内容动态导航机制，交互性和灵活性强，操作简 便。 关键词：结构化学，多媒体技术，三维动画，程序设计，抽象概念和 过程，图形绘制，实验模拟 郑州大学硕士论文 a b s tr a c t f i r s t l y , c h o o s i n gt o p i ce a r n e s t l ya n da r g u i n gc a r e f u l l yo nt h eb a s eo fu n d e r - s t a n d i n gt h et h e o f i e so fs t r u c t u r a lc h e m i s t r y s e c o n d l y , t r a n s f o r m i n gt h et h e o r i e so f s t r u c t u r a l c h e m i s t r y i n t om a t h e m a t i c m o d e l r e s e a r c h i n g a n d d i s c u s s i n g t h e a p p l i c a t i o no f m u l t i m e d i a t e c h n o l o g yi ns t r u c t u r a lc h e m i s t r y u s i n g3 dm a x 4 0t od o s t e r e o g r a ma n dt h r e e d i m e n s i o n a la n i m a t i o n ，u s i n gp h o t o s h o p6 0t od ot h ep i c t u r eo f b a c k g r o u n d 、b u t t o n 、i c o n ，u s i n gc o o le d i tp r o2 0t or e c o r dc o m m e n t a r y u s i n g o b j e c t o r i e n t e dm u l t i m e d i ad e v e l o p m e n tt o o l v i s u a lb a s i c6 0t oc o m p o s ep i c t u r e 、 i m a g e 、a n i m m i o n 、t e x t 、s o u n d f i n a l l y , u s i n g i n n os e t u p3t oe n c a p s u l a t es o f t w a r e ， m a k i n gi n s t r a l l a t i o np r o c e d u r e u s i n gf o u n d e ra u t h o r1 b o l6 ot od os o m en e t w o r k s o f t w a r e i n t r o d u c i n gt h es o f t w a r e sp r i m a r yf u n c t i o n 、d e s i g ni d e a 、d e v e l o p m e n t t o o l 、k e yt e c h n i q u e 、m e t h o do fa p p l i c a t i o n 、f e a t u r ea n de f f e c t t h es o f t w a r ed e a lw i t ht h ea n i m a t ed e m o n s t r a t i o no fa b s t r a c t c o n c e p ta n dp r o c e s s p r o t r a c t i n gi m a g e ，s i m u l a t i n go fa p p a r a t u sm a de x p e r i m e n t ，a n ds oo n c o n s i s t i n g o ft h e p r o t r a c t i n gg r a p ho fh y d r o g e n l i k e a t o m s a n g l ed i s t r i b u t i n g ，c o m p u t e r s i m u l a t i o no ft h es y m m e t r yo fm o l e c u l a ro r b i t a la n dc h e m i c a lr e a c t i o n m e c h a n i s m ，s h o w i n gt h em o l e c u l a rp o i n tg r o u pa n ds y m m e t r ye l e m e n t ， c o m p u t e rs i m u l a t i o no fm o l e c u l a t v i b r a t i o n b r a v i a s sc r y s t a l1 a t t i c ea n dt h e i r t r a n s f o r m i n g ，e x t r a c t i n go fp l a n ep e r i o d i cl a t t i c e ，e x t r a c t i n g o fs o l i d p e r i o d i c 1 a t t i c e c 1 0 s e p a c k i n go fi s o m e t r i c a lp e l l e t a n dt h es t r u c t u r eo fs i m p l e m e n t a ls u b s t a n c e ，c l o s ep a c k i n go fu n e q u a lp e l l e ta n dc r y s t a ls t r u c t u r eo f r e p r e s e n t a t i v e i o n i c c r y s t a l ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n o fp h a s ea n a l y s i s b y x r a yd i f i r a c t i o n t h i s s o f t w a r et a k ef u l l a d v a n t a g eo ft h em u l t i m e d i at e c h n i q l i e e s p e c i a l l yt h et h r e e d i m e n s i o n a ia n i m a t i o n 。t oo p e no u tt h e a b u n d a n t m e a n i n g sa n ds c i e n t i f i ct h e o r i e si ns t r u c t u r a lc h e m i s t r yb yu s i n gl u s h g r a p h i c a li n t e r f a c e s 、1 i f c l i k ea n i m a t i o n 、l i f e s o m es o u n de f f e c t s 、a l l u r i n g e x h i b i t i v et e c h n i q u e ，t r a n s l a t eb a l dc o n t e n t sa n dn o n o b j e c t i v et h e o r i e s i n t ov i s u a l 、d i r e c t - v i e w i n g 、l i v e l yd e m o n s t r a t i o n ，c h a n g es t a t i ca n dp l a n e t e a c h i n gm e t h o di n t od y n a m i ca n dt h r e e - d i m e n s i o n a lt e a c h i n gp r o c e s s w i t ha t t r a c t i o na n di n f e c t i o n ，r e a l i z ev i s u a la n de n l i g h t e n e dt e a c h i n g s o f t w a r eh a v e d i r e c t - v i e w i n g a n d f r i e n d l yg r a p h i c i n t e r a c t i v e i n t e r f a c e ， u n i f o r m s t y l e i t o f f e r d y n a m i cn a v i g a t i o n o f t e a c h i n gc o n t e n t ，h a v es t r o n g i n t e r a c t i v i t ya n da d a p t a b i l i t y , m a n i p u l a t es i m p l y k e y w o r d s ：s t r u c t u r a lc h e m i s t r y ，m u l t i m e d i at e c h n o l o g y , p r o g r a md e v e l o p m e n t a b s t r a c tc o n c e p ta n dp r o c e s s ，i m a g ep r o t r a c t i n g ，s i m u l a t i o no f e x p e r i m e n t 4 郑卅l 大学硕士论文 第一章绪论 1 1 计算机技术在化学中的应用 半个世纪以来，计算机与化学结合产生了许多新的学科【“，如：化学计量学、 量子化学计算等。这些计算机在化学中的早期应用主要体现在化学计算上，它们 主要根据化学中处理某类问题的原理和已知规律，应用适当的数学模型和科学计 算方法1 2 jj ，通过存储、分析、总结，利用数值计算【4 】和人工智能等方法来解决处 理化学问题。 随着计算机的不断发展，特别是计算技术和声像技术的不断提高 5 , 6 1 ，这种 高科技逐渐的在化学教育中得到使用。通过计算机辅助教师执行部分教学任务， 传授课程内容，训练技能，模拟实验及传递教学信息等，从而直接为学生服务 7 1 ，同 时也可帮助管理人员进行测验、评分、统计等工作f 8 ，9 j 。计算机多媒体技术使得 抽象的化学教学更加图文并茂、形象生动1 1 0 4 3 】，大量教育软件的研制成功h 一刀， 更加提高了化学教学的效果和质量 i s , 1 9 。 计算机在化学中的应用有以下方面： ( 1 ) 知识教学 化学中微观和抽象的内容较多，像原子核外电子运动状态，电子云的概念，轨 道杂化理论，晶体结构等都比较抽象，单凭教师在课堂上口头讲述乃至加上幻灯 和投影，想象力较差的学生理解起来还是比较困难，若我们在计算机软件中，用二 维、三维动画模拟显示1 2 0 】，将抽象的内容具体化、微观的内容宏观化，就可把 一个复杂抽象的理解知识和概念直观的表达出来，帮助学生去理解，使学生感到 易学、易懂、易掌握j 。 ( 2 ) 实验模拟教学 有些化学实验反应速度过快，难于控制，有些是相当缓慢，难于等待和观察； 有些实验会放出毒气，严重污染环境；有些易燃易爆的药品实验，因有一定的危险 性，一般条件的实验无法进行；还有些实验设备价格昂贵，一般学校难以配备。若借 助于计算机，则可用鲜明的色彩模拟真实的实验，以克服上述不利因素【2 | j ：用二维 和三维图像及动画进行模拟，可局部放大一般实验中不易观察但很重要的现象，引 起学生的注意；模拟原子、原予团、分子等的结构和变化机理，使化学反应过程 生动形象，帮助学生理解和掌握基本原理；对有毒害物质出现的实验进行模拟，可 以避免毒害物质对师生身体的损害，减少实验消耗；对实验仪器仿真和剖视及实验 过程的仿真，使学生了解实验机理和仪器操作原理，提高实验作用，尤其对大型精 密仪器的仿真，扩大了实验范围，减少了仪器损坏p - 2 1 ；而且旦制成软件，则可反复 使用，比起实际实验在经济上也要节省很多。 1 2 本课题的提出及意义 结构化学是研究原子、分子和晶体的微观结构，研究原子和分子的运动规 律，研究物质的结构和性能关系的科学，课程本身理论性强且又十分抽象，数学 推理及公式较多，这就要求学生应具有较强的空间想象能力和抽象思维能力。在 教学中仅凭老师在黑板上写、口头传授，或一些球棍模型图片的展示等，学生对 郑卅l 大学硕士论文 各种空间结构等仍然难以理解。另外结构化学实验仪器如x 射线衍射仪等价格 昂贵，学校有也多用于研究，同学们接触的机会较少。由此看出，在结构化学教 学中急需计算机来辅助教学，针对这些情况我们通过对学生的调查和对结构 化学课本m 1 畔1 的分析肛5 1 胆印脚】，将其中径向、角度、等电子几率密度图等运磊i 的难点和学生难以接触的大型仪器的实验进行了总结，制作 2 8 1 z g l 多媒体结构 化学软件，软件分为实验模拟、图形绘制、抽象概念三部分，包含了多个可独立 运行的程序。 现在随着计算机和多媒体技术的发展，模拟微观粒子动态变化计算机动画模 型的实现成为可能，计算机动画技术提供了一种新型教学辅助手段【3 0 j ，它能帮助 学生理解复杂的化学概念，帮助学生解决可视化、理解和记忆动态化过程中所遇 到的困难。我们利用已有的动画软件【3 “，通过程序控制，在计算机屏幕上动画 模拟，构造分子、晶体结构的计算机模型，该动画将画面按一定的顺序快速、连续 地在计算机的荧屏上面演播出来，展示运动的变化过程，在原子和分子水平上生动 形象地演出。使学生对物质微观结构上理论概念有更好的理解。 第二章软件系统总体设计 2 1 软件环境的选择 本软件的制作需要的主要工具有两种，一种是三维建模工具，用以制作大量 的三维图形和动画。另一种是编程工具，用以将三维图形、动画、配音、文本等 要素合成。 2 1 1 三维建模工具的选择 模拟各种微观结构运动离不开三维造型软件，市面上流行的三维设计软件 有很多”，可粗略分为大型、中型、小型三种。小型三维设计软件：小型三维 设计软件数量最多，女f l t u r e s p a c e 、r a y d r e a m 、e x t r e a m e3 0 、c o r e l d r e a m3 0 、 a n i m a t i o nm a s t e r 、b a y c e3 0 、f o r mz 、c o o l3 d 、p o s e r 等等。这些软件最 大的特点是价格便宜、体积小、简便易学，但缺点是往往只注意某一个方面的功 能而忽略了其他特性。当然，小型设计软件也有优点，如t u r e s p a c e 有繁体汉化 版、a n i m a t i o nm a s t e r 擅长卡通制作、b a y c e3 d 长于山水自然景观的制作、f o r m z 支持的文件格式非常多、c o o l3 d 在制作三维文字和网页设计中表现出色、p o s e r 则侧重人物造型等等。中型三维设计软件：中型设计软件包括l i g h t s c a p e 和 l i g h t w a v e 。前者专长于渲染的三维设计软件，不能制作，只能输入其他三维软 件的作品赋予材质、灯光、进行渲染，是一流的渲染器，能产生出真彩色照片般 的效果，缺点是只能完成摄像机视图动画，多用于建筑内外渲染。现以被k i n e t i x 公司买入，估计会融入3 0s t u d i 0m a x 的下一个版本。1 9 9 9 年5 月，在达拉斯的a i a ( 美国建筑师协会) 大会和展览会上，a u t o d e s k 公司展示了其最新版本的 l i g h t s c a p er 3 2 软件，这是一款世界领先的、面向可视化设计和数字化创作 ( d c c ) 人员的、具有照片级光照真实感模拟效果的应用软件。l i g h t s e a p er 3 2 极大地提高了该软件的易用性并加强了该软件与a u t o c a d2 0 0 0 、3 0s t u d i 0v l z 郑卅i 大学硕士论文 和3 ds t u d i om a x 软件数据的交互共享能力。l i g h t s c a p er 3 2 9 门面向建筑师、 设计师和数字化工作创作者，供他们探索并创建极其卓越的真实感图形渲染。对 于那些使用a u t o c a d2 0 0 0 、3 ds t u d i ov i z 和其他的行业标准应用软件的专业设 计人员来说，l i g h t s c a p er 3 2 软件用真实世界的光照模拟来创建可视环境下的 照片真实感觉。设计者用l i g h t s c a p e 软件制作场景的原型，用指定的材质和光照 条件渲染自己的设计模型，展示给客户看，并与之沟通交流。l i g h t w a v e 的特点 是操作界面简明扼要。虽然比较容易掌握、擅长渲染，但在造型的柔韧性上较欠 缺，功能的全面性稍显不足，而且国内参考书太少，交流起来不方便。大型 三维设计软件：大型三维设计软件包括s o f t i m a g e 、m a y a 和3 ds t u d i om a x 。 s o f t i m a g e 是由sgi 工作站移植到个人电脑上的重量级软件，只能运行w i n d o w s n t 上，功能十分强大，长于造型和渲染，电影侏罗纪公园中的恐龙就是由它 制作的，国内大广告公司及中央电视台片头动画也用它制作。但s o f t l m a g e 较难 掌握且对pc 硬件要求偏高，不适合初学者学习。m a y a 是由a l i a s w a v e f r o n t 在工 作站软件的基础上开发的新一代产品，只能运行于w i n d o w sn t 上，造型和渲染具 佳，甚至超过s o f t l m a g e ，特别是其造型功能可谓出神入化，在命令面板、操作、 工作方式上与3 ds t u d i om a x 有很多相近之处。面对如此多的选择，很多人不知 从何下手。其实仔细分析，a u t o d e s k 公司的王牌产品3 ds t u d i om a x 当然是人们 的首选p ”，相对于小型三维软件，3 ds t u d i om a x 有功能全面、造型渲染平均的 优点；对于大型三维软件，3 ds t u d i om a x 在易学易用、教材较多上显出优势； 3 ds t u d i om a x 能稳定运行于w i n d o w s9 5 、w i n d o w s9 8 、w i n d o w sn t 平台；3 ds t u d i o m a x 最大的特长是外部插件特别多【3 4 1 ，开放性好，加上d0s 版本的3 ds t u d i o 在 国内的广泛流行，已被大多数人接受【3 5 1 。3 ds t u d i om a x 唯一的缺点是在渲染 方面，但3 ds t u d i om a x3 重新设计了渲染器。a u t o d e s k 公司收购l i g h t s c a p e 公司肯定对3 ds t u d i om a x 有很大收获。最重要的是个人电脑硬件及w i n d o w sn t 平台的长足进展，使人们能够在工作站之外的空间进行严肃的三维设计，如果把 新的o p e ng l 视频显卡、双处理器及强大网络协作功能结合起来，人们很容易接 受运行在w i n d o w sn t 平台上的3 ds t u d i om a x 是当今世界最高级的动画设计方式 【3 6 】 2 1 2 编程工具的选择 对于制作c a i 课件的集成工具，大家使用的最多的是m a c r o m e d i a 公司的产 品a u t h o r w a r e 【3 7 】，因为该软件有以下优点【3 8 1 ： 支持的媒体种类非常丰富。几乎现行的所有的多媒体的形式，该软件 都给予强大的支持j 。 该软件具有高度的并行性，可以让多种媒体同步演示。同时，他还具 有强大的交互功能，可以实现使用者和计算机真正对话。 融合了编辑系统和编程语言的特点。本软件即可以采用集成化的国标， 轻松实现多种特效，也可以自己设计变量、参数，控制演示进程。可以根 据设计者的要求，产生复杂程度不一的交互。 产品创造和维护后可实现模块化，便于以后升级和更新。 总的来说，a u t h o r w a r e 对于界面的构建、图形图像的处理、操作过程的控 制和解说伴音的引入等多媒体方面异常强大，不涉及编程，制作过程简单1 4 ， 非常适合本结构化学软件的立体图形展示部分。但结构化学软件中还包括了模拟 实验和抽象概念部分，这些部分的实现需要大量的计算和程序建模，而这方面正 郑卅l 大学硕士论文 是a u t h o r w a r e 的缺点，无法满足程序设计的要求。因此，我们没有使用 a u t h o r w a r e ，而是选用了m i c r o s o f t 公司的v i s u mb a s i c 。v i s u a lb a s i c 不是 专门的多媒体制作软件，相对于a u t h o r w a r e ，其在引用图形动画和声音等方面 复杂，工作量也大得多，但v i s u a lb a s i c 有如下优点i4 1 1 ： v i s u a lb a s i c 采用面向对象的编程方法( o p p ) 1 4 2 1 。因此，用v i s u a l b a s i c 编程，在维护和升级方面都是比较容易的。 图形界面方式：以往的b a s i c 程序呈现在用户面前的往往是一些枯燥 的英文句子，用户必须在读懂句子后，才能做出决定：v i s u a lb a s i c 程序 呈现在用户面前的是一个个窗体，用户可以根据需要，直接在窗体上操作， 这样，人机对话更加友好。适合c a i 要求交互性强的特点。 可视化的用户界面设计功能 4 3 1 ，把程序设计人员从烦琐复杂的界面设 计中解脱出来。真正作到“所见即所得”。 v i s u a lb a s i c 增强了多媒体功能j 删。程序设计人员可以更好的采用外 来的多媒体素材，虽然引用过程需要编程，稍嫌复杂，但其功能强大不次 于a u t h o r w a r e ，完全能满足制作c a i 课件的要求。 在计算建模方面功能强大，适合软件包中的模拟实验和抽象概念部分 的制作需要。 综合以上原因，我们选用了v i s u a lb a s i c 来搭建结构化学软件的程序框 架。 2 2 三维动画技术的研究 本软件主要研究内容是各种微观结构的三维动画和编程的实现，当然对决 定设计质量的多媒体工具与编程工具进行全面了解和分析是必不可少的，以便 在分析的基础上采用比较合理，先进的计算机动画和编程技术。 2 2 13 d sm a x 软件的主要功能 2 、 3 ) 4 、 2 2 。2 1 、 2 、 3 1 4 、 5 、 创建二维和三维的物体模型，对模型和所在的场景进行设计及调整。调 整包括对物体施加的修改器和进行的各种运算【4 5 j ，放置在场景中的光源 和观察场景使用的摄像机。 编辑制作模型所需要的各种表面材质、纹理质感和表面贴图。 对动画过程的关键帧进行编辑，计算机根据关键帧的自动计算出过渡帧 4 6 1 ，从而完成动画制作。精确的动画可以通过轨迹窗、功能曲线和动画 控制器来设置和调整。 利用v i d e op o s t 编辑视频后期合成，设置场景的背景，添加各种渲染效 果【4 7 1 ( 例如运动模糊效果、自动阴影效果、各种透镜效果等) ，最终输出 图象和动画等文件。 3 d sm a x 软件的主要模块j ： 二维造型器( 2 d - - s h a p e r ) 三维放样器( 3 d l o f t e r ) 三维编辑器( 3 d e d i t o r ) 关键帧编辑器( k e y f r a m e r e d i t o r ) 材质编辑器( m a t e r i a l e d i t o r ) 郑卅l 大学硕士论文 6 )物体修改器堆栈( m o d i f i e rs t a c k ) 7 ) 视频后期合成( v i d e op o s t ) 以上是3 d sm a x 的主要模块，此外，还有一些辅助的模块f 4 9 1 ： 1 ) 摄像机控制及远景调配模块( c a m e r ac o n t r o l & m a t c hp e r s p e c t i v e ) 2 ) 选择过滤器( s e l e c t i o nf i l t e r ) 3 ) 快速预览模块( f a s tp r e v i e w ) 4 )结构逆序运动模块( i n v e r s ek i n e m a t i c s ) 等等 2 2 33 d sm a x 动画设计的基本流程 2 - 2 13 d m a x 动画设计的基本流程 在3 ds t u d i om a x 中，三维动画设 计过程按照顺序一般分为5 个部分：实物 造型、材质编辑、运动控制、渲染着色 和合成系列t 5 0 】。在计算机三维动画中，首 先创造动画角色和景物的三维数据，生成 实物造型1 5 1 】1 5 2 1 ，再给造型体赋予材质和 贴图，并通过插值计算使角色在三维空间 运动起来。然后在场景中设计灯光、镜 头、并渲染氛围，并引入摄相机镜头，最后 通过渲染生成一个完整的动画。 1 ) 设置场景 当用户启动3 d sm a x 4 时，系统会自动创建一个新场景，用户可以根据需 要选择单位显示( 有通用、公制、美伟4 和自定义四种) ，设置系统单位( i n c h e s 、 f e e t 、m i l e s 、m i l l i m e t e r s 等) ，设置网格间距，设置视图显示等。 2 )创建物体模型 主要包括三项工作： 1 ) 在c r e a t 命令面板中单击7 个不同的按钮，分别创建不同的物体，如几何 模型、二维形状、灯光、摄像机、辅助物体等。 2 ) 使用移动、旋转、缩放或对齐工具，定位物体。 3 ) 从m o d i f y 面板中选择不同的修改器，对物体进行造型加工与编辑f 5 3 】。 3 ) 材质设计 造型体创建后，仅仅有复杂的外形是远远不够的。实际上，在动画制作中，还必 须对造型体的渲染，诸如包括赋予材质【洲和灯光、摄影、雾化等方面。为了给造 型体以更为真实的仿真感t 5 5 l 5 6 1 , 必须运用3 dm a x 中的材质编辑器来对造型体 进行深入的) j n - v ，当一组定义的参数，如颜色( c o l o r ) 、光亮程度( s h i n n e s s ) 、自发光 度( s e l f i l l u m i n a t i o n ) 、不透明度( c a p a c i t y ) 等等，被赋予造型体后，造型体将体现出 特有的质地、色彩、反光度、透明度等等。具体的处理可以将现有的材质赋予 造型体，生成理想的材质和贴图，同时也可以设计新的材质以供使用。在本软件包 中我们就根据环境的不同设计出多种材质，赋予不同的造型体，这将在下面介 绍个各程序的制作时进行详细介绍。 4 )放置灯光与摄像机 除了材质外，良好的灯光效果也是三维动画成败的重要方面，在3 d m a x 系 统内有默认的散射光照明，但这种灯光不能满足要求，需要重新设置灯光以达 到自己所需要的艺术效果。3 dm a x 可以提供6 种灯光：环境光( a m b i e n t ) 、散 射光( o m i n ) 、定向光( d i r e c t i o n a ll i g h t ) 、目标聚光灯( t a r g e ts p o t ) 、自由聚光灯 郑卅l 大学硕士论文 ( f r e es p o t ) , 太阳光( s l l l l l i g h t ) 5 。为使视图中的物体各部分和层次都能照亮， 导又瞿辟分明，需要对灯光进行多次组合和耐心的调整，才能获得较好的立体 效果”。 5 )动画的制作 完成材质的设计之后，就要创作动画效果59 1 。在3 dm a x 中不需要逐帧去绘 制动画，只需制作若干个关键帧，在关键帧中指出个动画体的起始态和终止态， 即给出运动路径、运动方式、变换方式和同步控制方式，由计算机自动生成中 问画面，依次着色进行录制。关键帧的制作是v a - - 维编辑( 3 de d i t o r ) j f 成的三维 场景为基础、模拟动画片生产的传统手工方法，通过网格体、摄像机和光源的 移动，旋转与变形，从而生成高质量的动画。在3 d m a x 中有两种方法来定义各 关键帧，一是使关键帧成为当前帧后，用编辑功能指定各动画体的位置、状态 刚1 ；二是在轨迹信，k 氯( t r a c kz n f o ) 对话框中用键点描述各动画体，包括灯光、摄 像机及其目标点的变化轨迹，同时兼用键信息( k e yz n f o ) 对话框来进行细微调 节，用调整曲线的张力、连续性和偏移；调整e a s e 设置，设定r e p e a t 或l o o d 钮，以及设定轴锁以限制物体的转变【6 1 】。当然，常用的方法是把两者结合起来 使用。 6 )渲染场景 在3 d sm a x4 中，通过渲染特性可定义环境并产生最终输出。通常情况下， 很少使用系统缺省的灰色背景来渲染场景，我们可以在e n v i r o n m e n t 对话框中为 场景定义渲染背景，或设置诸如雾之类的效果。在r e n d e rs c e n e 对话框中可以 设置输出【6 2 j 尺寸与质量，控制结果等级、视频属性，以及反射、消除图象失真、 阴影属性、运动模糊等效果。另外，如果选择渲染单帧，可以得到单幅某种格式 的图片；如果选择渲染多帧，可以得到多张图片或是一个动画【6 3 】。 2 3 对v i s u a lb a s i c 的分析 v i s u a lb a s i c 6 0 是微软公司于1 9 9 8 年推出的v i s u a ls t u d i o9 8 中的一个 组件，是一种可视化的、面向对象和采取事件驱动方式的结构化高级程序设计语 言。 v b 的一个很大的优点是可视化，它能迅速有效地编制程序界面。开发人员 不必为界面设计而编写大量的代码。 v b 使用面向对象的编程技术( o o p ) ，这种技术将对象的信息( 它的属性) 和 对象执行的处理( 它的方法) 都包含在对象的定义中封装，创建可重用组件一控件 旧l ，控件是具有属性和方法并且响应事件的对象，我们可通过属性控制控件的 外观和行为。例如，通过设置f o n t 和c o l o r 属性，可以指定文本框中的外观。 使用控件的方法，避免了许多乏味的编程任务。另外每个控件也可识别特殊的事 件，如鼠标移动或点击事件，对于大多数事件，可以通过编写代码在事件发生时 采取指定的行动。 w i n d o w s 的工作机制是一种事件驱动机制，w i n d o w s 操作系统给每一个窗口 指定一个唯一的标识号，并连续地监视每一个窗口的活动或事件的信号。事件可 以通过诸如单击鼠标或按下按键的操作而发生，也可以通过程序的控制而发生。 每发生次事件，将引发一条消息发送至操作系统。操作系统处理该消息经广播 给其它窗口。然后，每一个窗口才能根据自身处理该条消息的指令而采取适当的 操作【6 5 】。v b 作为w i n d o w s 开发语言，与w i n d o w s 环境保持了一定的相似性。在 郑卅l 大学硕士论文 v b 中代码不是按照预定的路径执行，而是在响应不同的事件时执行不同的代码 片段。事件可以由用户操作触发、也可以由来自操作系统或其它应用程序的消息 触发、甚至由应用程序本身的消息触发f c , 6 l 。这些事件的顺序，决定了代码执行 的顺序，因此应用程序每次运行时所经过的代码的路径都是不同的。在执行过程 中，代码也可以触发事件，例如，在程序中改变文本框中的文本将引发文本框的 c h a n g e 事件。如果c h a n g e 事件中包含有代码，则将导致该代码的执行。 传统的应用程序开发过程可以分为三个步骤：编码、编译和测试代码。但是 v b 与传统的语言不同，它使用交互式方法开发应用程序，三个步骤之间不再有 明显的界限。大多数语言里，代码编写的错误只有在编译应用程序时才能被编译 器捕获。此时必须查找并改正该错误，然后再次进行编译，对每一个发现的错误 都要重复这样的过程。 而v b 则能即时捕获，在编程者输入代码时便进行解释，并突出显示大多数语法 或拼写错误。另外v b 在输入代码时对代码进行部分地编译。如果编译器发现了 错误，则将错误突出显示于代码中1 6 ”。这时可以更正错误并继续编译，而不需 从头开始。由于这种交互特性，因此在开发应用程序时，应用程序被频繁地运行。 通过这种方式，代码运行的效果可以在开发时进行测试，而不必等到编译完成以 后。 2 4 软件的设计思想及总体结构 2 4 1 设计思想 根据软件工程学思想，采取模快化设计，将结构化学中的难点重点提炼出之后， 按照不同的功能和实现方式划分为几大模块分别设计，大的模块下又根据内容的 不同划分为小的模块。各模块之间即相互独立，体现了自身的特点，并便于维护和 升级，又联系密切，使模块之间能够自由的转换。 各模块在制作时尽量做到界面美观、统一、易于操作。 用三维工具建模时，通过多次试验，选取最佳的表达方式，找到最佳的展示 角度，力求使抽象的结构清晰明了。达到提高学习的效率，增强学习的效果的目 的。 采用灵活的方式，如人机对话等，输入参数等，提高程序的交互性，来激发 学生学习的积极性。 2 4 2 总体结构 软件由主控模块和抽象概念、图形绘制、实验模拟三个子系统组成。 抽象概念子系统包括立体点阵抽取、分子轨道对称性和反应机理、分子点群 的确定及对称元素显示、平面点阵抽取和分子振动五个模块。模块通过大量典型 例子的立体动画和图像对以上抽象概念进行了系统而详细的阐述，加深了学生对 这些重点难点的理解。 图形绘制子系统由点阵、晶格和晶格转化，径向、角度、等电子几率密度图， 典型晶体结构立体图，等径圆球的密堆积和金属结构四个模块组成。模块展示了 利用计算机绘制的结构模型彩色立体图【6 蚋，有助于学生培养空间想像能力，逐 步树立起空间的概念，更有利于学生对晶体结构的熟悉和理解。 郑卅l 大学硕士论文 。壅罄模拟子系统包括x 射线多晶衍射等三个实验模拟程序，这些程序可以 聋计量卡几士譬交三方式模拟实验条件选择、样品选择和制备、实验数据分析等操 1 乍。通过这些程序的使用，学生们可基本上掌握整个实验过程，加深对实验廉运 的认识。另方面，利用该软件预习仪器的正确使用方法和操作步骤，对减少仪 器损坏，降低差错率也是十分有益的。 主控界面如图2 - 4 - i ： 图2 - 4 1 主控界面 通过以上程序的使用，不仅仅给学生 提供了一个方便、高效的学习环境，而且 还给老师提供了一个较好的教学环境，使 他们能在一定程度上摆脱高强度的工作状 态，从整体上提高教学质量。 第三章抽象概念子系统 大学化学教学中，学生们普遍反映结构化学是最难学的，为什么呢? 因为结 构化学中涉及到很多抽象概念和过程，这些抽象概念的理解需要学生有很强的空 间想像和抽象思维能力。传统的教学方法是通过使用一些球棍模型来帮助学生理 解，但对于一些动态过程这些教具就显得无能为力了。因此我们将这些涉及到动 郑卅l 大学硕士论文 态过程的内容用3 dm a x 制作出来，在v i s u a lb a s i c 中调用，制作了立体点阵抽 取、分子轨道对称性和反应机理、分子点群的确定及对称元素显示、平面点阵抽 取和分王掺动五个子程序，通过这些动画的展示使学生对这些抽象概念能有更深 的理解1 6 。 3 i 空间点阵抽取 在晶体内部，原子在三维空间按周期性规律重复h y i j ，每个重复单位的化学 组成相同、空间结构相同、排列取向相同、周围环境相同。这种组成晶体的重复 排列的基本单位，而且能够通过平移在空间重复排列的基本结构单位叫结构基元 1 7 0 1 。 本程序中，主要通过三维动画，显示石墨晶体、二氧化钛、六方硫化锌和 金属铜的晶体结构，阐释了“晶体结构= 点阵+ 结构基元”这一概念。 3 1 23 d sm a x 在空间点阵抽取制作中的技巧 1 ) 思路的设计 为了简化制作过程，另外这也是制作动画的习惯，对要制作的实物在制作之 前心中一定要有一个大概的轮廓。 首先，是分镜头，整个一部动画是不可 能在一个场景中一次制作成的，要把动画分 成几部分来分别制作。每个部分分别来做的 时候会简单许多，由于这个场景不需要的物 体可以先不显示，由此节省了电脑的资源， 加快了处理速度，另外，在一组物体在动画 的某一段做同样的运动时，如果不分镜头就 要分别设置它们的动画，如果分镜头的话就 可以群组之后再只设置个动画就可以了。 套裂尊点阵动画的时候般都使用了六个 图一lz 。s 的结构基元 刀t 兄犬。 然后，分别在几个场景中把需要的物体模型都制作出来，在使用到某一模型 时只需把做好的模型引入到需要的场景中就可以了，这样可以避免反复的制作同 一个模型。但这就要求在制作之前就要清楚的知道动画中要用到的物体模型有哪 些。例如，在制作立方硫化锌点阵的时候，先在一个场景中做好一个只有球棍的 基本单位( 如图3 - 1 1 ) 。在做第一个分镜头动画时，要用到整个点阵结构，只要 把做好的基本单位引入，复制后按照正确的空间几何关系，放置多个即可( 如图 3 - 1 - 2 ) 。而在第二个分镜头动画中，要表现的是用透明的面切割整个点阵结构， 把球棍模型更明确化，表现成一个一个正四面体。就需要先把剐才的球棍形式的 基本单位引入一个新的场景，然后制作一段透明的面把一个基本单位围成一个正 四面体的动画。然后再把这个带动画的点阵引入到第二个分镜头中，复制，按照 分镜头一的空间几何关系放置。这样，就省去了很多不必要的麻烦。 郑卅l 大学硕士论文 图3 - 1 2 硫化锌晶体结构 但是分镜头也带来了新的问题， 那就是最终输出后合成的整部动画 往往看着不连贯，有跳跃和闪烁。解 决方法是，尽量使摄像机保持静止， 然后统一各个分镜头场景的摄像机 位置和角度。另外，场景中设置的灯 光的参数( 颜色、强度、柔和度等) 、 角度和位置也要保持一致。还有就 是，如果一个物体在相连的两个分镜 头中都存在的话，它的位置在一个分 镜头的最后一帧和下个分镜头的 开始帧中是要完全一样的。 2 ) 材质、贴图的使用 材质是一些视觉性质的组合， 它包括材料、颜色、贴图、反光度、 表面粗糙度等，通过对这些特性的编辑，可以实现对真实材料的逼真模拟。在 3 d s 凇x4 中，材质的建立和编辑是通过材质编辑器来完成的。但是材质仅控制 了物体的部分光学特征，要使物体的表面更具有逼真的质感只给物体赋予单一的 材质是不够的，还要加上具有某种纹理和图案的贴图。 在结构化学课件制作过程中，我们要表现的都是抽象的概念，材质和贴图似 乎和这个课题关系不大。但事实上，在表现点阵这一概念的时候，由于在三维空 间中要表达清楚需要的结构基元远比二维空间中的多的多，球体与球体之间，圆 柱与圆柱之间，球体与圆柱之间，空间关系十分不易表达清楚。为了解决这一问 题，需要首先在物体模型的材质上下工夫，不同类型的物体模型赋予不同的材质， 通过控制它们的光学属性来增大模型之间的对比度，从而清晰的表达模型之间的 关系1 7 “。 例如，在金属铜的点阵动画制作过程中( 如图3 - 1 3 ) ，依靠给场景中不同的 物体模型赋予不同的材质来达到这一耳的。 图3 - 1 3 铜晶体的结构基元 在表示铜原子的球体时使用的材 质是黄色的金属材质( m e t a l r = 2 5 5 ，6 = 2 5 5 ，b = 1 0 0 ；s p e c u l a r l e v e l = 5 0 ，g 1 0 s s i n e s s = 6 0 ) ；连接铜 原子的圆柱体使用的是紫色的带有 少量光泽的平滑的材质( b 1 i n n r