Новые технологии трехмерной интерактивной графики в электронных публикациях по химии
В.В. Миняйлов, Б.И. Покровский, К.П. Бутин
Для публикаций по химии ключевую роль играет представление трехмерных объектов - молекулярных и кристаллических структур. Часто для того, чтобы прийти к какому-то выводу, человеку приходится напрягать свое трехмерное воображение. К сожалению, далеко не у всех оно развито в достаточной степени, чтобы легко представить себе, например, операции симметрии над кристаллической решеткой или сложной молекулой. Реализация публикаций в электронной форме позволяет преодолеть это неудобство. На помощь приходят инструменты трехмерного моделирования объектов, которые позволяют производить необходимые манипуляции с молекулярными структурами не "в голове", а прямо на экране. Появляется интерактивность взаимодействия читателя с материалом, чего не хватает "классической публикации". Неоценима роль технологий интерактивного трехмерного представления объектов в процессе обучения - для понимания учащимися ключевых понятий и наиболее трудных мест стереохимии, кристаллохимии и биохимии.
Размещение электронных публикаций в Интернете приобретает все большее распространение. Как же здесь обстоят дела с публикациями, содержащими интерактивные трехмерные объекты? На сегодняшний день самой распространенным способом трехмерного представления молекулярных структур в Интернете является использование встраиваемого в Интернет броузеры плюгина "Chime", бесплатно предлагаемого компанией MDL. Причина его популярности заключается не только в его функциональности, но и в том, что для публикации в Интернете молекулярных структур авторы могут использовать файлы стандартных форматов (*.mol, *.pdb ,*.xyz и т.п.) безо всякой дополнительной обработки, а читателям достаточно скачать и установить бесплатный плюгин "Chime", имеющийся под целый ряд компьютерных платформ (Windows, Macintosh, Irix). Возможностей этого плюгина достаточно для решения многих иллюстративных задач в химии, а использования скриптового языка делает его применение еще более гибким. Однако, если для увеличения ясности излагаемого материала в трехмерную сцену необходимо добавить немолекулярные объекты или нужна сложная анимация - возможностей Chime недостаточно. Необходимы другие решения. В качестве таких решений мы попробовали недавно появившиеся универсальные технологии интерактивного представления трехмерный объектов в Интернете: Metastream и Viewpoint компании Viewpoint (бывшая Metacreations) и
Cult3D компании Cycore.
Технология Metastream включает в себя свободно распространяемый плюгин, который позволяет просматривать размещенные в Интернете изображения в собственном формате Metastream. Подготовка изображений может производиться в программах трехмерного моделлирования, в частности в 3D Studio Max 2.5, из которых путем экспортирования получают файлы соответствующего формата. Формат файлов открыт, так что есть возможность написания собственных программ для подготовки файлов изображений. Мы в своей работе использовали версии 2 и 3 данной технологии. Третья версия Metastream'a, переименованная недавно во Viewpoint Experience Technology (VET) поддерживает анимацию и для описания сцены использует XML. Для использования в публикациях изображений в формате третьей версии Metastream'a, необходимо в компании получить ключ.
Технология Cult3D включает в себя свободно распространяемый плюгин, который позволяет просматривать размещенные в Интернете изображения в собственном формате Cult3D. Аналогично Metstream'у изображение подготавливается в пакете трехмерной графики и экспортируется в файл собственного формата. Затем этот файл загружается в собственную среду разработки Cult3D Designer, в котором производится подготовка конечного файла, подлежащего опубликованию в Интернете. Стоит отметить, что Cult3D Designer представляет собой очень понятную визуальную среду для изготовления интерактивной мультимедиа презентации со звуком и анимацией. Для опубликования результатов работы в Интернете необходимо от компании Cycore получить лицензию, которая может обойтись как бесплатно (для свободных художников), так и за деньги.
В настоящей работе мы применили интерактивную трехмерную графику для иллюстрирования задачи для опубликованной на сайте ChemNet учебника "Теоретическая стереохимия" профессора К.П.Бутина. Для просмотра ее нажмите
сюда. В данном случае читателю предлагается путем манипулирования трехмерной моделью молекулы проверить правильность высказываемого в условии задачи утверждения. В результате такого подхода читатель оперирует не плоским схематичным изображением, а моделью, отражающей пространственное строение молекулы. Однако высокий уровень детализации строения молекулы не всегда может играть положительную роль. Так понимание разницы D и L-форм глицеринового альдегида может быть затруднено из-за непростого пространственного строения молекулы. Наложение же тетраэдра на молекулу, как это сделано
здесь, позволяет легко сравнить две формы молекулы и понять разницу.
Некоторые задачи требуют анимации, например, демонстрация элементарного акта реакции. На этой
странице представлена визуализация элементарного акта миграции протона в катион радикале метанола. Визуализация основана на основе данных о реакционном пути реакции, полученных с помощью кванто-химических расчетов.
Здесь представлена модель нитроксильного радикала, привитого к поверхности активированного силикагеля. На иллюстрации сделана попытка продемонстировать вращательную подвижность фрагментов молекулы. Зритель может поочередно включать и выключать вращение фрагментов молекулы.
Как может видеть читатель, современнные 3D технологии позволяют размещать в Интернете объекты с очень высоким качеством изображения и предоставляют достаточно возможности анимации. Причем технологиям, которые были здесь использованы всего около двух лет и они быстро развиваются, предоставля все больше возможностей. Химическая публикация в Интернете уже сегодня
может быть оформлена в виде полноценной мультимедия презентации - с интерактивной трехмерной графикой, звуком и стерео эффектами.
Существенным моментом в изготовлении таких публкаций является привлечение современных программных средств, освоение и использование которых может стоить большого количества времени и денег, но результат стоит того.
Авторы выражают благодарность В.И. Пергушову и Д.А. Тюрину за любезно предоcтавленные даннные, которые были использованы при моделировании, а также профессорам А.И. Лебедеву и А.Х. Воробьеву за комментарии.
