基于三維數(shù)字影像技術(shù)的分子動(dòng)畫初探

華東理工大學(xué) 劉瀚璞 蔣正清

基于三維數(shù)字影像技術(shù)的分子動(dòng)畫初探

華東理工大學(xué) 劉瀚璞 蔣正清

基于三維數(shù)字影像技術(shù)的分子動(dòng)畫是科學(xué)與藝術(shù)碰撞的必然結(jié)果，也是學(xué)科交叉的完美展現(xiàn)。針對國內(nèi)目前還沒有分子動(dòng)畫方面的理論研究的情況下，給出了分子動(dòng)畫的釋義、源起，并細(xì)致闡述了它的發(fā)展概況、制作技術(shù)及實(shí)際應(yīng)用等領(lǐng)域，最后對分子動(dòng)畫的科學(xué)研究的價(jià)值進(jìn)行了探討，并做了進(jìn)一步的展望。此研究意在表明分子動(dòng)畫作為一種新的動(dòng)畫表現(xiàn)形式所起到的重要作用和意義，也體現(xiàn)了不同學(xué)科之間合作的重要性。

三維數(shù)字影像；分子動(dòng)畫；科學(xué)；藝術(shù)；學(xué)科交叉

在2006年度國際圖形學(xué)年會(huì)SIGGRAPH(Special Interest Group on Graphics and Interactive Techniques)上，一段三分鐘的分子動(dòng)畫《細(xì)胞內(nèi)部的生命》引起了極大的關(guān)注。該動(dòng)畫是哈佛大學(xué)分子與細(xì)胞生物學(xué)系承擔(dān)的科學(xué)可視化項(xiàng)目BioVisions，科學(xué)動(dòng)畫公司XVIVO參與共同制作。

制作三維分子動(dòng)畫的構(gòu)想最早是由哈佛大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)教授羅伯特·魯（Robert A. Lue）①提出，即把先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)運(yùn)用到生物學(xué)中去，將生命內(nèi)部的奧秘用視覺的形式呈現(xiàn)出來。從那時(shí)起，三維分子動(dòng)畫確立了其不可替代的地位。這一新的動(dòng)畫形式的出現(xiàn)，使科學(xué)與藝術(shù)的融合成為了現(xiàn)實(shí)。在人們驚嘆于科學(xué)也能如此美麗的同時(shí),它也解決了很多重大復(fù)雜的科學(xué)問題。從字面意義來看，分子動(dòng)畫（Molecular animation）即從分子水平闡釋物體復(fù)雜的內(nèi)部機(jī)制的動(dòng)畫表現(xiàn)形式。從實(shí)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(xiàn)物體內(nèi)部機(jī)制的動(dòng)畫形式。

三維分子動(dòng)畫的興起到目前只有十多年的時(shí)間，但動(dòng)畫作為科學(xué)研究的手段已有很長的歷史。然而，分子動(dòng)畫方面的理論研究目前仍處空白。本文試圖從分子動(dòng)畫的發(fā)展、制作技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域等方面展開系統(tǒng)的討論。如若不做特殊說明，本文研究的分子動(dòng)畫就是指三維分子動(dòng)畫。

1.分子動(dòng)畫的發(fā)展概況

1.1 分子動(dòng)畫的出現(xiàn)是科學(xué)與藝術(shù)碰撞的必然結(jié)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(shí)驗(yàn)證實(shí)了阿伏伽德羅的分子假說，而后，科學(xué)家們就試圖用各種方式來呈現(xiàn)分子形態(tài)。由于普通的光學(xué)顯微鏡無法看到分子級別的影像，因此，在電子顯微鏡出現(xiàn)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(jié)構(gòu)。

動(dòng)畫的發(fā)展從十六世紀(jì)的手翻書，十七世紀(jì)的魔術(shù)燈到1888年雷諾創(chuàng)造的光學(xué)影戲機(jī)；從詹姆斯·斯圖爾特·布萊克頓制作的歷史上第一部動(dòng)畫片到迪士尼的全彩卡通片。直到二十世紀(jì)八九十年代，隨著媒體技術(shù)的數(shù)字化，動(dòng)畫制作的方式才開始全面轉(zhuǎn)型，逐漸演變成運(yùn)用計(jì)算機(jī)制作二維Flash動(dòng)畫和三維動(dòng)畫的形式。正是由于動(dòng)畫帶來的震撼人心的效果吸引了科學(xué)家們的目光，他們開始思考將影像的魅力帶入到科學(xué)界，數(shù)字形式的分子動(dòng)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(dòng)畫

分子動(dòng)畫的出現(xiàn)是科學(xué)與藝術(shù)碰撞的必然結(jié)果，它體現(xiàn)了科研人員與藝術(shù)家對美的共同追求，通過合理的想象，加之?dāng)?shù)字影像技術(shù)手段的運(yùn)用，使物質(zhì)內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)鮮活地展現(xiàn)出來。

1.2 分子動(dòng)畫在國內(nèi)外的發(fā)展情況

從推動(dòng)分子動(dòng)畫發(fā)展的動(dòng)力來看，主要由高校的相關(guān)專業(yè)與動(dòng)畫企業(yè)組成。國內(nèi)代表性的高校有中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、華東理工大學(xué)等。代表性的企業(yè)有，水晶石數(shù)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(dòng)畫相關(guān)的課程和研究，如加拿大多倫多大學(xué)、美國哈佛大學(xué)，也不乏一些專業(yè)的科學(xué)動(dòng)畫制作公司，如XVIVO、RANDOM42、Polygon。這些公司都致力于通過自己的專業(yè)技能為客戶提供數(shù)字解決方案（如表2）。

表2 分子動(dòng)畫的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀對比

國內(nèi)在分子動(dòng)畫領(lǐng)域起步較晚，很多方面還不成熟，與國外的差距主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：從制作水平（數(shù)字技術(shù)）上來看，差距正在逐步縮?。粡乃囆g(shù)創(chuàng)意（前期的策劃能力和想象力）上來看，國內(nèi)缺乏合作意識(shí)，前期劇本欠佳，也沒有充分發(fā)揮合理想象；從合作機(jī)制（學(xué)科交叉的意識(shí)）上來看，國內(nèi)不同學(xué)科之間缺乏深入交流。

2.分子動(dòng)畫的制作

一段優(yōu)秀的分子動(dòng)畫至少要兼具科學(xué)性和藝術(shù)性，制作精確，畫質(zhì)優(yōu)美。一般情況下，它是一個(gè)跨學(xué)科的團(tuán)隊(duì)合作的過程，需要有科研人員和藝術(shù)家的共同努力。

但從現(xiàn)實(shí)來看，科學(xué)界和藝術(shù)界各自為戰(zhàn)的情況較多，彼此沒有進(jìn)行深入的合作交流，科研人員致力于再現(xiàn)微觀世界的真實(shí)性，但由于缺少基本的藝術(shù)訓(xùn)練，其作品往往無法打動(dòng)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(dòng)畫并不具備美觀的特點(diǎn)，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(dòng)畫藝術(shù)家們不具備分子生物學(xué)的專業(yè)背景，使用的軟件并不是只針對分子動(dòng)畫的，因而制作耗時(shí)費(fèi)力，做出的分子動(dòng)畫也不科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。從設(shè)計(jì)的角度來看，分子動(dòng)畫的制作與普通動(dòng)畫的制作流程應(yīng)該是相同的，都要經(jīng)歷動(dòng)畫制作的前期、中期和后期的過程（如圖1）。

圖1 分子動(dòng)畫的制作流程

隨著交叉學(xué)科重要性的凸顯，分子動(dòng)畫越來越被各界人士所重視?？茖W(xué)界和藝術(shù)界各自為戰(zhàn)的狀況也逐漸好轉(zhuǎn)，出現(xiàn)了融合的趨勢，首先反映在一些軟件的開發(fā)上。研究人員已經(jīng)開發(fā)出了一些分子插件，比如分子插件ePMV、Molecular Maya（mMaya）、Bio-Blender，運(yùn)用這些工具，分子動(dòng)畫的制作更加精確便捷，動(dòng)畫師可以直接將準(zhǔn)確的蛋白質(zhì)等模型導(dǎo)入到主流軟件如Maya、3ds Max、Cinema4D、Blender中，實(shí)現(xiàn)它們之間的對接。獲取分子等模型，一般是需要通過各種數(shù)據(jù)庫下載的，像蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫UniProt、DNA數(shù)據(jù)庫GenBank、膜蛋白數(shù)據(jù)庫PDBTM、化合物數(shù)據(jù)庫PubChem等。在國內(nèi)外研究人員的共同努力下，分子動(dòng)畫制作的屏障將會(huì)越來越少。

另外，針對國內(nèi)科學(xué)界與藝術(shù)界合作壁壘較大的問題，國家應(yīng)該提出一些獎(jiǎng)勵(lì)措施加大對雙方開展深入合作的支持，高校也應(yīng)該起到帶頭作用，鼓勵(lì)并積極促成各學(xué)科之間的交流合作，各相關(guān)公司和企業(yè)也要不斷優(yōu)化和調(diào)整自身結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)學(xué)科間的通力合作，已達(dá)成更高的標(biāo)準(zhǔn)。

3.分子動(dòng)畫的應(yīng)用

分子動(dòng)畫的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在教育、科研和廣告宣傳上。

3.1 分子動(dòng)畫在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

分子動(dòng)畫運(yùn)用在課堂上的優(yōu)勢是方便學(xué)生理解知識(shí)，從而加深記憶。

在生化課堂上，老師為了讓學(xué)生理解一些微觀的知識(shí)，會(huì)采用一系列的方法，比如，在黑板上給學(xué)生畫二維圖；在講臺(tái)上給學(xué)生做演示；讓學(xué)生集體到實(shí)驗(yàn)室自己做實(shí)驗(yàn)等等。但是由于實(shí)驗(yàn)的隨機(jī)性，可能需要來來回回做很多次才能成功，耽誤了大量的時(shí)間，而且很多實(shí)驗(yàn)還具有危險(xiǎn)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(shí)現(xiàn)教學(xué)的多媒體化?；诜肿觿?dòng)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(gè)概念的解說動(dòng)畫或演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)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(shí)間的浪費(fèi)，也能幫助老師靈活控制教學(xué)進(jìn)度，最重要的是學(xué)生也因此提高了學(xué)習(xí)效率，降低了接下來實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤的概率，大大提高實(shí)驗(yàn)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(fā)大腦記憶，調(diào)起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，促使學(xué)生主動(dòng)地進(jìn)行觀察、分析和思考。有了這一得力助手，老師可以充分調(diào)動(dòng)課堂氛圍，達(dá)到一種雙贏的局面。

3.2 分子動(dòng)畫在科研領(lǐng)域的應(yīng)用

分子動(dòng)畫運(yùn)用在科研上，能夠輔助研究，方便科研人員進(jìn)行溝通交流。

比如，細(xì)胞生物學(xué)家珍妮特·埃瓦薩（Janet Iwasa）③近幾年在進(jìn)行的研究，她目前是哈佛醫(yī)學(xué)院的分子動(dòng)畫師，在研究艾滋病病毒如何感染人體的細(xì)胞，以及如何對感染進(jìn)行治療。當(dāng)然，還有許許多多的研究者都在試圖通過分子動(dòng)畫的形式破解世界性的醫(yī)學(xué)難題。制作這樣的微觀動(dòng)畫，有時(shí)候需要整合上千名科學(xué)家數(shù)十年的研究數(shù)據(jù)，難度之大可想而知，但動(dòng)畫一旦制作完畢并進(jìn)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(jìn)行思想的交流，也在無形中推動(dòng)著科學(xué)家們的研究進(jìn)度，讓他們從全新的視角重新審視科學(xué)的變化過程。

去年，華東理工大學(xué)上海市新藥設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室推出了國內(nèi)首個(gè)基于分子三維相似性的藥物設(shè)計(jì)圖形用戶界面系統(tǒng)，是一個(gè)名為eSHAFTS的軟件包。它涵蓋了靶標(biāo)發(fā)現(xiàn)及識(shí)別、先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)及優(yōu)化等功能，可滿足目前國內(nèi)外藥物發(fā)現(xiàn)的計(jì)算和研究需要，便于藥物設(shè)計(jì)專業(yè)及化學(xué)、生物學(xué)等非藥物設(shè)計(jì)專業(yè)的科研人員使用。

3.3 分子動(dòng)畫在廣告宣傳領(lǐng)域的應(yīng)用

分子動(dòng)畫具有廣告宣傳的先天優(yōu)勢，它在醫(yī)藥行業(yè)被廣泛運(yùn)用。尤其在國外，分子動(dòng)畫讓人們從宏觀到微觀整體把握用藥機(jī)理和手術(shù)過程，幫助人們擺脫心理上的恐懼感，以平和的心態(tài)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(fù)發(fā)所制作的動(dòng)畫不僅深入細(xì)致的闡述了預(yù)防癌癥復(fù)發(fā)的重要性和用藥機(jī)理，同時(shí)起到了很好的宣傳推廣的作用（如圖2），充分發(fā)揮了分子動(dòng)畫的商業(yè)價(jià)值。

圖2 乳腺癌的治療

4.小結(jié)與展望

盡管分子動(dòng)畫的優(yōu)勢有很多，但難免還有很多的科學(xué)家對這些動(dòng)畫作品作為科學(xué)研究的價(jià)值提出了質(zhì)疑，他們認(rèn)為有些作品太過藝術(shù)化，而忽略了它本身的科學(xué)性。

在筆者看來，微觀世界的探索，必然存在盲點(diǎn)，沒有想象的成分很難創(chuàng)作出一段完整的分子動(dòng)畫。我們應(yīng)該對制作人員在必要的時(shí)候大膽設(shè)計(jì)一些顏色、造型甚至是空間的做法加以肯定，因?yàn)檎怯辛诉@些想象的成分，科學(xué)才能被賦予藝術(shù)的翅膀。當(dāng)然，想象應(yīng)該被掌握在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，合理想象的標(biāo)準(zhǔn)是需要各學(xué)科人員一同制定的。

作為一名藝術(shù)學(xué)院的學(xué)生，筆者能深切體會(huì)到分子動(dòng)畫制作的門檻很高，再加上如今復(fù)合型人才的匱乏，要想做出高水準(zhǔn)的分子動(dòng)畫往往需要不同領(lǐng)域?qū)I(yè)人士的參與。為了更好地填補(bǔ)國家在這方面人才的空缺，筆者認(rèn)為，有必要在設(shè)計(jì)學(xué)院開設(shè)一門新興學(xué)科，招收生化專業(yè)且美感較強(qiáng)的學(xué)生，入學(xué)后，加強(qiáng)和拓展他們的專業(yè)知識(shí)等技能并對他們進(jìn)行數(shù)字媒體設(shè)計(jì)培訓(xùn)，或者在原有學(xué)科課程中穿插進(jìn)其他專業(yè)的課程，來達(dá)到多學(xué)科交叉學(xué)習(xí)的目的。未來是個(gè)高度融合的時(shí)代，科學(xué)與藝術(shù)理應(yīng)攜起手來共創(chuàng)未知世界。

注釋：

①羅伯特·魯（Robert A. Lue）是哈佛大學(xué)Derek Bok 教學(xué)中心分子與細(xì)胞生物學(xué)系和Richard L. Menschel 的系主任，在那里他負(fù)責(zé)藝術(shù)和科學(xué)學(xué)院的創(chuàng)新教學(xué)（FAS）和提升校園形象。在他獲得哈佛大學(xué)生物學(xué)博士學(xué)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(rèn)的最重要的領(lǐng)導(dǎo)人之一。

②1912年勞埃等人根據(jù)理論預(yù)見，并用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了X射線與晶體相遇時(shí)能發(fā)生衍射現(xiàn)象，證明了X射線具有電磁波的性質(zhì)，成為X射線衍射學(xué)的第一個(gè)里程碑。衍射線在空間分布的方位和強(qiáng)度，與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，每種晶體所產(chǎn)生的衍射花樣都反映出該晶體內(nèi)部的原子分配規(guī)律。

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

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本文系上海市浦江人才計(jì)劃資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：C-6203-12-007），華東理工大學(xué)數(shù)字媒體藝術(shù)新專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)YZ0129106），企業(yè)委托課題（項(xiàng)目編號(hào)Z100-41615）研究成果之一。

劉瀚璞，女，河南人，華東理工大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院碩士在讀，研究生。主要研究方向：數(shù)字媒體。

蔣正清（1978－）男，江蘇常州人，華東理工大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)與傳媒學(xué)院數(shù)字媒體藝術(shù)系副教授、碩士生導(dǎo)師，設(shè)計(jì)學(xué)博士。主要研究方向：科學(xué)可視化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)文化數(shù)字化傳播。