3D動(dòng)畫模擬化學(xué)反應(yīng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：本文討論了3D動(dòng)畫模擬化學(xué)反應(yīng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過(guò)OpenGL與3ds max軟件的結(jié)合，將復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程用3D動(dòng)畫的方式呈現(xiàn)出來(lái)。用戶通過(guò)選擇分子式或反應(yīng)方程式進(jìn)行3D動(dòng)畫的模擬，使化學(xué)反應(yīng)過(guò)程更加生動(dòng)、形象。

關(guān)鍵詞：OpenGL；3ds Max；c++；3D動(dòng)畫；化學(xué)反應(yīng)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2014） 12-0000-01

隨著電腦軟硬件的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)的應(yīng)用得到了空前的發(fā)展，電腦美術(shù)作為一個(gè)獨(dú)立學(xué)科走上了迅猛發(fā)展之路。目前，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的使用3D制作動(dòng)畫，三維建筑、室內(nèi)效果圖等，但是很少將其與化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，有的也只是用3D模擬出分子和原子結(jié)構(gòu)，而對(duì)化學(xué)反應(yīng)時(shí)的斷鍵和成鍵情況沒(méi)有具體的說(shuō)明。對(duì)于比較復(fù)雜的斷鍵、成鍵過(guò)程，學(xué)生理解起來(lái)會(huì)很困難，老師講解也很抽象，所以對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)會(huì)極度渴望。

本文討論了通過(guò)3D動(dòng)畫來(lái)模擬化學(xué)反應(yīng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)⒒瘜W(xué)反應(yīng)過(guò)程生動(dòng)、形象的展示出來(lái)。

一、系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程

系統(tǒng)基本流程為界面設(shè)計(jì)，建模，模型生成，動(dòng)畫生成，動(dòng)畫控制。

（一）界面設(shè)計(jì)

使用windows界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)與用戶的交互，用戶通過(guò)選擇化學(xué)分子式或者反應(yīng)方程式進(jìn)行3D模擬動(dòng)畫的展示，同時(shí)，在動(dòng)畫播放過(guò)程中可對(duì)其進(jìn)行基本的暫停等操作。

（二）建模

首先在3ds Max中對(duì)化學(xué)分子式進(jìn)行建模，構(gòu)建出每個(gè)分子的球棍模型，該模型能夠清楚地反應(yīng)原子間的相對(duì)位置和化學(xué)鍵的位置。利用插件，將模型導(dǎo)出為md2文件，用于模型生成。

（三）3D模型生成

本系統(tǒng)使用OpenGL這個(gè)專業(yè)的圖形程序接口對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行加載，使用紋理貼圖技術(shù)將不同類型的原子渲染成不同顏色，從而繪制出分子的3D模型。

（四）3D動(dòng)畫生成

將渲染的3D模型，通過(guò)調(diào)整時(shí)間和坐標(biāo)位置加載為動(dòng)畫，用于模擬化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。

（五）動(dòng)畫控制

在動(dòng)畫播放時(shí)，可對(duì)其進(jìn)行暫停，停止，播放等操作，便于觀察反應(yīng)過(guò)程中的斷鍵和成鍵情況。

二、系統(tǒng)的研究方法和關(guān)鍵技術(shù)

（一）3ds Max建模

本系統(tǒng)使用3ds Max 2011軟件平臺(tái)制作化學(xué)分子的3D模型，涉及到對(duì)該軟件的了解和使用。

（二）深度緩沖區(qū)

本系統(tǒng)啟動(dòng)了深度緩沖區(qū)用于消除實(shí)心物體被其他物體所遮擋的情況，具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

glEnable（GL_DEPTH_TEST）

glClear（GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT）；

（三）紋理貼圖

本系統(tǒng)使用紋理貼圖技術(shù)為不同的原子綁定不同顏色，分為以下幾步：

1.創(chuàng)建和綁定紋理對(duì)象

glEnable（GL_TEXTURE_2D）；

glBindTexture（GL_TEXTURE_2D，groundTex->texID）；

2.將保留在data中的像素值傳給當(dāng)前綁定的紋理對(duì)象

gluBuild2DMipmaps（GL_TEXTURE_2D，GL_RGB，groundTex->width，groundTex->height，GL_RGB，GL_UNSIGNED_BYTE，groundTex->data）；

（四）光照

本系統(tǒng)使用OpenGL光照函數(shù)來(lái)繪制真實(shí)感圖形，具體步驟如下：（1）定義每個(gè)物體的每個(gè)頂點(diǎn)的法向量（法向量決定了物體相對(duì)于光源的方向）；（2）創(chuàng)建和選擇一個(gè)或多個(gè)光源，設(shè)置它們的位置；（3）創(chuàng)建光照模型。（4）定義場(chǎng)景中物體的材料屬性。

（五）視圖變換

視圖變換實(shí)現(xiàn)了從不同角度觀察分子模型的功能，能夠清楚地觀察反應(yīng)過(guò)程中，各原子和化學(xué)鍵的變化。實(shí)現(xiàn)部分代碼如下：

gluLookAt（cameraX，cameraY，cameraZ，lookX，lookY，lookZ，0.0，1.0，0.0）；

圖1 默認(rèn)的照相機(jī)位置

圖2 使用gluLookAt（）后

（六）加載md2文件

加載md2文件，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫：（1）讀取原始數(shù)據(jù)；（2）將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模型結(jié)構(gòu)；（3）動(dòng)畫顯示。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了3D動(dòng)畫模擬化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，能夠?qū)瘜W(xué)反應(yīng)中的斷鍵成鍵過(guò)程進(jìn)行模擬，系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單，能夠清楚地展示化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，對(duì)于實(shí)際教學(xué)活動(dòng)具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義和推廣價(jià)值。

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