基于三维数字影像技术的分子动画初探

华东理工大学 刘瀚璞 蒋正清

基于三维数字影像技术的分子动画初探

华东理工大学 刘瀚璞 蒋正清

基于三维数字影像技术的分子动画是科学与艺术碰撞的必然结果，也是学科交叉的完美展现。针对国内目前还没有分子动画方面的理论研究的情况下，给出了分子动画的释义、源起，并细致阐述了它的发展概况、制作技术及实际应用等领域，最后对分子动画的科学研究的价值进行了探讨，并做了进一步的展望。此研究意在表明分子动画作为一种新的动画表现形式所起到的重要作用和意义，也体现了不同学科之间合作的重要性。

三维数字影像；分子动画；科学；艺术；学科交叉

在2006年度国际图形学年会SIGGRAPH(Special Interest Group on Graphics and Interactive Techniques)上，一段三分钟的分子动画《细胞内部的生命》引起了极大的关注。该动画是哈佛大学分子与细胞生物学系承担的科学可视化项目BioVisions，科学动画公司XVIVO参与共同制作。

制作三维分子动画的构想最早是由哈佛大学细胞生物学教授罗伯特·鲁（Robert A. Lue）①提出，即把先进的数字技术运用到生物学中去，将生命内部的奥秘用视觉的形式呈现出来。从那时起，三维分子动画确立了其不可替代的地位。这一新的动画形式的出现，使科学与艺术的融合成为了现实。在人们惊叹于科学也能如此美丽的同时,它也解决了很多重大复杂的科学问题。从字面意义来看，分子动画（Molecular animation）即从分子水平阐释物体复杂的内部机制的动画表现形式。从实际操作层面来看，它不仅局限于分子水平，可泛指在微观层面上表现物体内部机制的动画形式。

三维分子动画的兴起到目前只有十多年的时间，但动画作为科学研究的手段已有很长的历史。然而，分子动画方面的理论研究目前仍处空白。本文试图从分子动画的发展、制作技术及应用领域等方面展开系统的讨论。如若不做特殊说明，本文研究的分子动画就是指三维分子动画。

1.分子动画的发展概况

1.1 分子动画的出现是科学与艺术碰撞的必然结果

分子的概念最早是由意大利的阿莫迪欧·阿伏伽德罗提出，直到坎尼扎罗通过实验证实了阿伏伽德罗的分子假说，而后，科学家们就试图用各种方式来呈现分子形态。由于普通的光学显微镜无法看到分子级别的影像，因此，在电子显微镜出现以后，人们才逐渐看到更加微观的影像。此外，还要借助X射线衍射②等方法获得更为微观的结构。

动画的发展从十六世纪的手翻书，十七世纪的魔术灯到1888年雷诺创造的光学影戏机；从詹姆斯·斯图尔特·布莱克顿制作的历史上第一部动画片到迪士尼的全彩卡通片。直到二十世纪八九十年代，随着媒体技术的数字化，动画制作的方式才开始全面转型，逐渐演变成运用计算机制作二维Flash动画和三维动画的形式。正是由于动画带来的震撼人心的效果吸引了科学家们的目光，他们开始思考将影像的魅力带入到科学界，数字形式的分子动画就是在这样的背景下诞生的（如表1）。

表1 二维、三维形式的分子动画

分子动画的出现是科学与艺术碰撞的必然结果，它体现了科研人员与艺术家对美的共同追求，通过合理的想象，加之数字影像技术手段的运用，使物质内部的微观结构鲜活地展现出来。

1.2 分子动画在国内外的发展情况

从推动分子动画发展的动力来看，主要由高校的相关专业与动画企业组成。国内代表性的高校有中国科学技术大学、华东理工大学等。代表性的企业有，水晶石数字科技有限公司等。

相比于国外，我们在这方面还有很大的差距。国外很多高校有分子动画相关的课程和研究，如加拿大多伦多大学、美国哈佛大学，也不乏一些专业的科学动画制作公司，如XVIVO、RANDOM42、Polygon。这些公司都致力于通过自己的专业技能为客户提供数字解决方案（如表2）。

表2 分子动画的国内外发展现状对比

国内在分子动画领域起步较晚，很多方面还不成熟，与国外的差距主要表现在三个方面：从制作水平（数字技术）上来看，差距正在逐步缩小；从艺术创意（前期的策划能力和想象力）上来看，国内缺乏合作意识，前期剧本欠佳，也没有充分发挥合理想象；从合作机制（学科交叉的意识）上来看，国内不同学科之间缺乏深入交流。

2.分子动画的制作

一段优秀的分子动画至少要兼具科学性和艺术性，制作精确，画质优美。一般情况下，它是一个跨学科的团队合作的过程，需要有科研人员和艺术家的共同努力。

但从现实来看，科学界和艺术界各自为战的情况较多，彼此没有进行深入的合作交流，科研人员致力于再现微观世界的真实性，但由于缺少基本的艺术训练，其作品往往无法打动人心。他们使用的软件有：Molecular Flipbook、SketchBio、Chimera、PyMOL等。这些软件在一定程度上能够帮助科研人员解决研究过程中遇到的问题，但是，仅仅通过这些软件制作出来的分子动画并不具备美观的特点，无论是从造型色彩上还是从空间把控上都给人以冰冷枯燥的感觉。

同样，动画艺术家们不具备分子生物学的专业背景，使用的软件并不是只针对分子动画的，因而制作耗时费力，做出的分子动画也不科学严谨。从设计的角度来看，分子动画的制作与普通动画的制作流程应该是相同的，都要经历动画制作的前期、中期和后期的过程（如图1）。

图1 分子动画的制作流程

随着交叉学科重要性的凸显，分子动画越来越被各界人士所重视。科学界和艺术界各自为战的状况也逐渐好转，出现了融合的趋势，首先反映在一些软件的开发上。研究人员已经开发出了一些分子插件，比如分子插件ePMV、Molecular Maya（mMaya）、Bio-Blender，运用这些工具，分子动画的制作更加精确便捷，动画师可以直接将准确的蛋白质等模型导入到主流软件如Maya、3ds Max、Cinema4D、Blender中，实现它们之间的对接。获取分子等模型，一般是需要通过各种数据库下载的，像蛋白质数据库UniProt、DNA数据库GenBank、膜蛋白数据库PDBTM、化合物数据库PubChem等。在国内外研究人员的共同努力下，分子动画制作的屏障将会越来越少。

另外，针对国内科学界与艺术界合作壁垒较大的问题，国家应该提出一些奖励措施加大对双方开展深入合作的支持，高校也应该起到带头作用，鼓励并积极促成各学科之间的交流合作，各相关公司和企业也要不断优化和调整自身结构，加强学科间的通力合作，已达成更高的标准。

3.分子动画的应用

分子动画的应用领域主要集中在教育、科研和广告宣传上。

3.1 分子动画在教育领域的应用

分子动画运用在课堂上的优势是方便学生理解知识，从而加深记忆。

在生化课堂上，老师为了让学生理解一些微观的知识，会采用一系列的方法，比如，在黑板上给学生画二维图；在讲台上给学生做演示；让学生集体到实验室自己做实验等等。但是由于实验的随机性，可能需要来来回回做很多次才能成功，耽误了大量的时间，而且很多实验还具有危险性，稍不留神可能造成无法挽回的损失。

如今，我们完全有能力实现教学的多媒体化。基于分子动画课件具有的可操作性，在课堂上，如果需要对本课程的某个概念的解说动画或演示实验进行反复观看，老师可以自由灵活的控制播放过程，这样既避免了老师亲自演示所带来的时间的浪费，也能帮助老师灵活控制教学进度，最重要的是学生也因此提高了学习效率，降低了接下来实验错误的概率，大大提高实验的安全性。

我们知道，图、文、声、像并茂的视频能够刺激人们的感官，激发大脑记忆，调起学生的学习热情，促使学生主动地进行观察、分析和思考。有了这一得力助手，老师可以充分调动课堂氛围，达到一种双赢的局面。

3.2 分子动画在科研领域的应用

分子动画运用在科研上，能够辅助研究，方便科研人员进行沟通交流。

比如，细胞生物学家珍妮特·埃瓦萨（Janet Iwasa）③近几年在进行的研究，她目前是哈佛医学院的分子动画师，在研究艾滋病病毒如何感染人体的细胞，以及如何对感染进行治疗。当然，还有许许多多的研究者都在试图通过分子动画的形式破解世界性的医学难题。制作这样的微观动画，有时候需要整合上千名科学家数十年的研究数据，难度之大可想而知，但动画一旦制作完毕并进行公开，就能被世界各地的科研人员看到。这种可视化的形式更加便于他们进行思想的交流，也在无形中推动着科学家们的研究进度，让他们从全新的视角重新审视科学的变化过程。

去年，华东理工大学上海市新药设计重点实验室推出了国内首个基于分子三维相似性的药物设计图形用户界面系统，是一个名为eSHAFTS的软件包。它涵盖了靶标发现及识别、先导化合物发现及优化等功能，可满足目前国内外药物发现的计算和研究需要，便于药物设计专业及化学、生物学等非药物设计专业的科研人员使用。

3.3 分子动画在广告宣传领域的应用

分子动画具有广告宣传的先天优势，它在医药行业被广泛运用。尤其在国外，分子动画让人们从宏观到微观整体把握用药机理和手术过程，帮助人们摆脱心理上的恐惧感，以平和的心态接受治疗。

比如，国外的一家生物制药公司Galena Biopharma为了防止乳腺癌的二次复发所制作的动画不仅深入细致的阐述了预防癌症复发的重要性和用药机理，同时起到了很好的宣传推广的作用（如图2），充分发挥了分子动画的商业价值。

图2 乳腺癌的治疗

4.小结与展望

尽管分子动画的优势有很多，但难免还有很多的科学家对这些动画作品作为科学研究的价值提出了质疑，他们认为有些作品太过艺术化，而忽略了它本身的科学性。

在笔者看来，微观世界的探索，必然存在盲点，没有想象的成分很难创作出一段完整的分子动画。我们应该对制作人员在必要的时候大胆设计一些颜色、造型甚至是空间的做法加以肯定，因为正是有了这些想象的成分，科学才能被赋予艺术的翅膀。当然，想象应该被掌握在一个合理的范围内，合理想象的标准是需要各学科人员一同制定的。

作为一名艺术学院的学生，笔者能深切体会到分子动画制作的门槛很高，再加上如今复合型人才的匮乏，要想做出高水准的分子动画往往需要不同领域专业人士的参与。为了更好地填补国家在这方面人才的空缺，笔者认为，有必要在设计学院开设一门新兴学科，招收生化专业且美感较强的学生，入学后，加强和拓展他们的专业知识等技能并对他们进行数字媒体设计培训，或者在原有学科课程中穿插进其他专业的课程，来达到多学科交叉学习的目的。未来是个高度融合的时代，科学与艺术理应携起手来共创未知世界。

注释：

①罗伯特·鲁（Robert A. Lue）是哈佛大学Derek Bok 教学中心分子与细胞生物学系和Richard L. Menschel 的系主任，在那里他负责艺术和科学学院的创新教学（FAS）和提升校园形象。在他获得哈佛大学生物学博士学位之后，自1988年就开始教授本科课程，也成为哈佛本科教育公认的最重要的领导人之一。

②1912年劳埃等人根据理论预见，并用实验证实了X射线与晶体相遇时能发生衍射现象，证明了X射线具有电磁波的性质，成为X射线衍射学的第一个里程碑。衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关，每种晶体所产生的衍射花样都反映出该晶体内部的原子分配规律。

③珍妮特·埃瓦萨（Janet Iwasa）是犹他大学生物化学系的研究助理教授，并拥有一个科学可视化的工作室。她致力于研究分子和细胞的可视化。珍妮特获奖的插图和动画出现在科学期刊包括 Nature、Science和Cell中，以及《纽约时报》。她的作品也出现在电视和博物馆的展览中。

[1]蒋正清,张德镇.3D影像基础[M].长沙:湖南大学出版社,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,冯雪.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]仝艳,李晓晓,李晓飞.介绍一款优秀的分子图形软件Chimera[J].化工时刊,2011,25(10):47-48.

[10]药学院.华理推出国内首个基于分子三维相似性的药物设计图形软件[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计划资助项目（项目编号：C-6203-12-007），华东理工大学数字媒体艺术新专业建设项目（项目编号YZ0129106），企业委托课题（项目编号Z100-41615）研究成果之一。

刘瀚璞，女，河南人，华东理工大学艺术设计与传媒学院硕士在读，研究生。主要研究方向：数字媒体。

蒋正清（1978－）男，江苏常州人，华东理工大学艺术设计与传媒学院数字媒体艺术系副教授、硕士生导师，设计学博士。主要研究方向：科学可视化设计与传统文化数字化传播。