三维化学结构动画制作教程

 化学微观结构是化学研究的重点对象之一，是各级各类学校化学教学的主要内容之一，也是多媒体课堂三维动画教学的关键素材之一。理论化学科研人员已经编译了大量的量子化学软件为科学研究和化学教学服务［1］，可以作为专业级3D化学结构动画的工具。Flash是现在最常用的网络或课堂教学动画软件之一，swf格式的Flash动画文件小，兼容性强，是目前最流行的动画格式之一。目前科学性强的三维化学结构教学动画很多，然而文件小效果真的swf格式三维化学结构动画素材或课件还很少见到［2~5］。
　　根据电影动画制作的基本过程［2］，结合作者科研和教学实践，尝试将专业软件和多媒体工具整合使用，研究了一套制作avi和swf格式三维化学结构动画的实用路线。
　　
　　1 三维结构模型的建立
　　
　　Chemoffice是微机版化学办公常用套件，最新版本为Chemoffice2006，其程序的默认参数主要来自实验数据。其中，Chemdraw是化学专业期刊绘制有机分子结构的常用工具之一；Chem3D能将多种格式的文件转化为几种模式的3D结构，Chem3D ultra版具有较强的量化计算功能，可以作为常用量子化学专业软件（Gaussian98，Gamess和MOPAC程序包）的计算平台（Windows）。3种优化立体结构的理论方法中，MM2很简单；Gaussian（需调用程序包）计算量很大；而MOPAC比较实用。对于普通无机或有机小分子（尤其C、H、O元素组成的分子），用MOPAC程序包的半经验AM1或PM3方法优化的立体结构与实验单晶X-ray测定的结果基本一致，建立的模型符合学科教学要求。
　　具体操作：（1）用Chemdraw、Chemwin、Chemsketch或ISIS/Draw绘制分子结构，保存为mol格式；（2）在Chem3D窗口打开mol格式文件，程序自动将mol文件转化为3D模型；（3）由于Chem3D有建模功能，可以进一步修改，最后用程序菜单的分子动力学MM2或MOPAC组件中的计算方法优化为最低能量构象，并保存为mol格式文件。
　　
　　2 三维结构的动画演示与录制
　　
　　Weblab Viewerlite［6］是科学软件商业公司Accelry发行的一款功能强大的免费3D结构和动画演示软件。由于它支持多种格式（如mol等），程序文件小，效果好，课堂教学中使用很方便。程序面板中有很多命令，如模型更换、高低分辨率选择、灯光调节、晶体堆积等等，推荐Weblab Viewerlite 3.5版本（图1左）。
　　TechSmith Camtasia Studio是一款专门捕捉屏幕影像的多媒体工具软件（图1右）。它能在任何颜色模式下轻松地记录屏幕动作，包括影像、音效、鼠标移动的轨迹、解说声音等等。它输出的文件格式很多，如常用的AVI及GIF格式，还可输出为RM、WMV等格式，操作容易。
　　
　　具体操作：（1）在Weblab Viewerlite中打开Chem3D制作的模型（mol格式），可调整分辨率、颜色、角度、灯光、模型样式（线形、球棍、比例模型和多面体）等，选择菜单命令viewer/spin（旋转）。（2）打开Camtasia Studio录影机Recorder，选择录制的区域、时间的长短和文件大小，录制，结束保存为avi格式。晶体结构需要更高的计算机配置；计算机配置越高，录制速度越快。解说声音可以同步录制。结合轨道函数软件Orbital Viewer可以录制轨道函数三维动画。
　　
　　3 动画的剪辑
　　
　　录制完成后，需要对录制的电影进行剪辑，有2个剪辑工具供参考。（1）Zealot All Video Splitter，可以快速分割、修整较大的AVI、MPEG或WMV文件为一个个小的视频文件，可按照所选择的播放时间进行切割操作，简单易用。优点：能压缩文件且格式灵活；但只能准确到秒并且速度较慢。（2）AVI/MPEG/ASF/WMV Splitter是有类似功能的简易软件（图2），执行速度快，分割文件没有图像失真，而且准确到0.001秒，有利于片头片尾的无缝链接。
　　剪辑完成的avi格式动画，大小在5 MB以内，可以在Powerpoit课件中直接使用。作为网络课件，需要转化格式、缩小文件。
　　
　　
　　4 动画的格式转换和修饰
　　
　　用SWF Convert软件（图3）可以将剪辑完的视屏格式（avi）转换为十分流行的Flash动画swf格式，文件压缩60%~85%（仅200 KB大小），效果不失真，还能实现片头和片尾的无缝链接。格式转换前，文件的属性可以用程序菜单的选项加以限制。
　　如果对动画分辨率（远距离观看）要求不高，可以用Magic Swf2Gif和Ulead Gif Animator等实现swf与gif格式的相互转换和修改。用Ulead Gif Animator修改gif动画后可以再转换成swf格式。Magic Swf2Gif使用后动画失真，该程序还有待进一步升级。
　　简而言之，专业软件和多媒体工具的整合使用，能制作出大量科学性强的三维化学结构avi或swf格式的动画素材或课件。此易学易用技术的成功开发，对各大中学校化学多媒体教学、科普教育、科学研究和多媒体电子出版物三维结构动画的研制都有较积极的意义。