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sobereva至尊木蟲 (著名寫手)
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用Multiwfn、Gaussview、Molekel、VMD觀看龍蝦、盆景、骨盆、大腦
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用Multiwfn、Gaussview、Molekel、VMD觀看龍蝦、盆景、骨盆、大腦 原本打算標(biāo)題定為《使用計算化學(xué)可視化軟件觀看與化學(xué)無關(guān)的體數(shù)據(jù)》，但感覺太刻板吸引不了眼球，就改成當(dāng)前這個標(biāo)題了。這篇帖子是《談?wù)勼w數(shù)據(jù)》系列文章之三，比較有趣味，將介紹如何用一些常見的計算化學(xué)可視化軟件，包括GaussView、VMD、molekel，以及Multiwfn，通過等值面的方式觀看亂七八糟的與化學(xué)毫無關(guān)系的體數(shù)據(jù)。這有助于了解顯示體數(shù)據(jù)的操作方法，也有助于了解體數(shù)據(jù)的意義和價值。此文將涉及到《談?wù)勼w數(shù)據(jù)》系列的前兩篇文章的知識，建議先看一看，第一篇是《介紹體數(shù)據(jù) 》，見http://hi.baidu.com/sobereva/blo ... 400231b938208e.html。第二篇是《體數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換工具vodaconv的使用及原理》 ，見http://hi.baidu.com/sobereva/blo ... 6efa087e3e6f25.html。 1 用Multiwfn觀看龍蝦 從Multiwfn2.3開始，Multiwfn可以讀入cube文件，可以直接用于顯示cube文件的等值面。這里用它來觀看盆景的體數(shù)據(jù)。 用Multiwfn觀看龍蝦就必須得到相應(yīng)的體數(shù)據(jù)文件。在Volrenapp的老版體數(shù)據(jù)庫http://www.gris.uni-tuebingen.de ... asets/datasets.html里面找到龍蝦圖案并點擊，得到lobster.raw.gz。此數(shù)據(jù)庫里的體數(shù)據(jù)都是8bit精度，這個是龍蝦的CT掃描得到的體數(shù)據(jù)，從旁邊的信息得知這個龍蝦的體數(shù)據(jù)的點數(shù)是301x324x56，格子比例是1:1:1.4。 在GsGrid的主頁http://gsgrid.codeplex.com中的Utilities欄目下載vodaconv程序。將lobster.raw.gz解壓為lobster.raw，并拷到vodaconv所在目錄下。啟動vodaconv.exe，依次輸入 lobster.raw //文件名 301,324,56 //各方向的點數(shù) 0.1,0.1,0.14 //各方向格子間距（bohr）。絕對數(shù)值無所謂，只要比例是1:1:1.4就行了。設(shè)為0.1數(shù)量級是因為這種情況下體數(shù)據(jù)的各方向總長度將會在一般的分子尺度內(nèi)，方便觀看 [直接敲回車] //raw格式體數(shù)據(jù)沒有定義原點，這一步直接敲回車的話將vodaconv將自動把原點設(shè)定在體數(shù)據(jù)中心 1 //表明這是8bit整數(shù)數(shù)據(jù) 2 //不對數(shù)據(jù)做scale，保持?jǐn)?shù)據(jù)原樣 lobster.cub //輸出的文件名，根據(jù)后綴名程序會知道要輸出為Gaussian型cube文件 lobster.raw僅有5.2MB，而轉(zhuǎn)換后卻有69.5MB。這是因為.raw是二進制文件，一個8bit數(shù)據(jù)點只占一個字節(jié)。而cube文件記錄的是字符數(shù)據(jù)（也有二進制型cube文件，但不被普遍支持），每個數(shù)據(jù)要用13個字符來表達，即13字節(jié)，因此轉(zhuǎn)換后大小約是之前的13倍。 將Multiwfn目錄下的settings.ini里的aug3D參數(shù)從默認(rèn)的6改成16并保存，這樣方可讓坐標(biāo)軸足夠長，而令龍蝦能顯示完整。 啟動Multiwfn，輸入lobster.cub文件的路徑，然后選功能0，等一會兒就會出現(xiàn)圖像。由于這個體數(shù)據(jù)的格點數(shù)遠比一般的分子的體數(shù)據(jù)要多，因此會顯示得頗慢。圖像第一次出現(xiàn)時是在默認(rèn)的0.05的isovalue下做的圖，并沒顯現(xiàn)出龍蝦。在isosurface value文本框里輸入50，敲回車，等一會兒就會看到龍蝦了： 從raw轉(zhuǎn)換為cube文件時為了兼容性考慮，會自動在原點加入一個氫原子，因此會有一個氫原子標(biāo)簽，可以點一下Show label復(fù)選框來關(guān)掉之。 之所以將isovalue設(shè)為50，是因為將它設(shè)為這個值的時候?qū)τ谶@個體數(shù)據(jù)來說圖像效果較好。8bit整數(shù)范圍在0~255，需要在這個范圍內(nèi)反復(fù)設(shè)定isovalue并作圖才能找出一個最合適的isovalue值。一開始作圖時由于默認(rèn)的0.05的isovalue過小，龍蝦被CT掃描時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)噪音或者周圍空氣產(chǎn)生的信號所掩蓋了所以看不出來。 Multiwfn提供顯示等值面的功能只是為了提供一個方便，對于這樣格點數(shù)很多的情況顯示等值面的速度比Molekel、VMD低得多。 2 用Gaussview觀看盆景 還是在剛才的數(shù)據(jù)庫中，點擊盆景圖案下載盆景的CT掃描的體數(shù)據(jù)文件bonsai.raw.gz，用和上一節(jié)完全一樣的步驟，通過vodaconv將之轉(zhuǎn)化成bonsai.cub。注意各方向點數(shù)應(yīng)輸入256,256,256，輸入間距的時候直接敲回車就行了，代表用默認(rèn)的0.1,0.1,0.1，因為這個體數(shù)據(jù)文件是1:1:1的格點間距。 啟動Gaussview，進入打開文件界面，文件類型選Cube files，選擇bonsai.cub。選Results-Surfaces/Contours，此時會看到已經(jīng)有一個cube文件被載入了。將Density設(shè)為50（這也即isovalue的值），然后點Surface Actions-New surface，耐心等一陣子，然后將視角拉遠，就會看到盆景了（為了清楚，背景改為了白色。通過在圖上點右鍵-View-Hydrogens可以將額外加入的氫屏蔽掉）： Gaussview在顯示大型體數(shù)據(jù)的等值面的時候也很慢，因此沒什么實際應(yīng)用價值。顯示幾百萬個點的體數(shù)據(jù)的等值面的速度尚可，而當(dāng)前體數(shù)據(jù)則有256^3=1600萬個點。對于精度更高的體數(shù)據(jù)，比如512^3=1.34億個點的情況，用Gaussview顯示等值面就別想了。 3 用Molekel顯示骨盆和腹部動脈支架 本節(jié)用Molekel顯示骨盆和腹部動脈支架。在Volrenapp的新版數(shù)據(jù)庫http://www.gris.uni-tuebingen.de ... n/datasets/new.html里面下載Stented Abdominal Aorta 16Bits對應(yīng)的stent16.raw.zip，解壓成stent16.raw。 這個數(shù)據(jù)庫中的16bit整數(shù)記錄的體數(shù)據(jù)都是Little Endian順序，因此應(yīng)當(dāng)使用vodaconv壓縮包里的vodaconv_LE.exe來做轉(zhuǎn)換，而不是使用用Big Endian順序的vodaconv.exe做轉(zhuǎn)換。關(guān)于這一點我在《體數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換工具vodaconv的使用及原理》里已經(jīng)詳細說明了。 啟動vodaconv_LE.exe，依次輸入 stent16.raw 512,512,174 0.8398,0.8398,3.2 [回車] 2 //讀入的raw文件的數(shù)據(jù)類型是16bit整數(shù) 2 //不scale數(shù)據(jù) stent16.cube //后綴名這回寫成.cube而非.cub，實際上里面的格式都一樣，只是Molekel在讀入cube文件時必須要求后綴是.cube 啟動Molekel，這里用的是5.4.0.8版。在其中打開stent16.cube，耐心等待讀取完畢，然后選Surfaces-Grid data，在Value里填1300。這個體數(shù)據(jù)很大，如果想全精度地顯示出來，那么應(yīng)保證有1.5GB空余內(nèi)存；如果想損失一些精度，以節(jié)省內(nèi)存且讓顯示速度加快，那么可以將Step Multiplier設(shè)為2或者更大。 最后點Generate按鈕。此時會看到程序左下角生成等值面的進程，待生成完畢后，將視角拉遠，就會看到骨架了： 你會發(fā)現(xiàn)肚子中央有兩條網(wǎng)狀的物體，那個就是腹部動脈支架。 如果將Value值設(shè)小一些，比如設(shè)為700，將會使X射線更容易穿透的區(qū)域也被顯示出來，因此你將會看到身體表層的結(jié)構(gòu)，以及做掃描時后背貼著的背板的結(jié)構(gòu)： Molekel的bug略多，生成等值面的過程中可能會崩潰、或者顯示不出來等值面，不要覺得奇怪。整體來說，還是下面用的VMD在顯示大型體數(shù)據(jù)的等值面時最穩(wěn)健，速度也快，而且更為靈活。 4 使用VMD顯示大腦結(jié)構(gòu) 本例將使用VMD顯示DTI（彌散張量成像）方法產(chǎn)生的大腦結(jié)構(gòu)的體數(shù)據(jù)。DTI是通過外加磁場，根據(jù)測定的腦實質(zhì)中水彌散的各向異性對大腦進行定量成像的方法。 進入http://www9.informatik.uni-erlangen.de/External/vollib/，在網(wǎng)頁中搜索4977B2FE，點擊對應(yīng)的Downlaod按鈕得到DTI-B0.pvm。pvm格式是V3體數(shù)據(jù)可視化軟件專用的格式，必須通過pvm2raw轉(zhuǎn)換成raw格式，再用vodaconv將之轉(zhuǎn)換為cube格式才能用VMD顯示。 在這里下載我編譯好的V3程序附帶的pvm2raw程序：http://dl.dbank.com/c0mbbvrijq。其中還包含了raw2pvm，用于將raw轉(zhuǎn)成pvm格式，將在《談?wù)勼w數(shù)據(jù)》系列后續(xù)文章用到。 將DTI-B0.pvm放到pvm2raw.exe所在的目錄下。建立一個文本文件，內(nèi)容是pvm2raw DTI-B0.pvm DTI-B0.raw，然后將此文本文件擴展名改為.bat（即Windows下批處理文件）。再雙擊此bat文件執(zhí)行之，就得到了DTI-B0.raw。 將DTI-B0.raw拷到vodaconv目錄下。由于這個數(shù)據(jù)庫的體數(shù)據(jù)都是Big Endian順序，所以應(yīng)啟動的是vodaconv.exe而非vodaconv_LE.exe，然后依次執(zhí)行： DTI-B0.raw 128,128,58 [直接敲回車] [直接敲回車] 2 2 DTI-B0.cub 啟動VMD，將DTI-B0.cub拖進VMD main窗口。選Graphics-Representation，將第一個顯示方式的Drawing Method設(shè)成Isosurface，Draw從默認(rèn)的Points改為Solid surface，拖動Isovalue滑條到500左右，就能看到下面的大腦外層輪廓： 但是這種圖沒法同時看到大腦內(nèi)外層結(jié)構(gòu)。一種辦法是使用多個不同顏色的對應(yīng)不同isovalue的透明等值面。先將Display-Rendermode設(shè)成GLSL（一些機子上可能因為顯卡太老或驅(qū)動問題而選不了，這將導(dǎo)致無法產(chǎn)生透明效果）。在Graphics-Representation里建立三個Isosurface風(fēng)格的顯示方式，第一個的isovalue設(shè)為260，Material設(shè)為Transparent；第二個Isosurface也用Transparent，Isovalue設(shè)為720，Coloring Method設(shè)為ColorID，并選4（黃色）；第三個Isosurface用Opaque材質(zhì)，isovalue設(shè)1250，Coloring Method設(shè)為ColorID，并選1（紅色）。另外，將這三個顯示方式的Show都從Box+Isosurface改為Isosurface以免盒子邊緣礙眼，將看到如下效果： 也可以用免費的外部渲染器POVray渲染一下，效果會更好： 這下，大腦的結(jié)構(gòu)層次就看出來了。最外層等值面會顯示出兩個大橢球，那就是眼珠了。 接下來，我們在VMD里顯示大腦切片圖。實際上，這也就是醫(yī)生經(jīng)�？吹拇竽X切片照片。首先將Display-depth cueing關(guān)掉，這樣切片圖會更鮮亮。然后建立一個VolumeSlice的顯示方式，拖動Slice Offset到不同位置，就能看到不同位置的截面圖了。下圖是X的offset值為0.5時的圖 如果想把截面圖弄成黑白的，更有醫(yī)院的感覺，可以在Graphics-color-Color scale里將Method設(shè)為BlkW，然后將截面圖顯示方式的Coloring Method設(shè)為Volume。直接得到的圖像效果不好，對比不明顯，可以在Trajectory標(biāo)簽頁里調(diào)節(jié)Color Scale Data Range，比如上下限設(shè)為0和1000，然后點Set，效果會好很多。也建議在Display里將所有光源都關(guān)掉。得到的Z的offset為0.44的截面圖如下所示： 另外，還可以同時建立多個截面顯示方式，同時顯示出大腦不同截面，請自行嘗試。 5 使用Sigmaplot顯示大腦截面圖 VMD雖然能直接顯示截面圖，但是圖片不夠精細，也不很適合直接拿來作為插圖。一種得到更高質(zhì)量的截面圖的辦法是用GsGrid提取出指定平面的數(shù)據(jù)，然后用Sigmaplot等專業(yè)一些的繪圖軟件繪制平面圖。從Multiwfn2.3版開始GsGrid的全部功能已經(jīng)被納入Multiwfn的主功能13里了，并且同時修正了一些bug并擴充了功能，所以建議以后都用Multiwfn來處理格點數(shù)據(jù)。這里，就結(jié)合Multiwfn和Sigmaplot繪制上面那張Z的offset為0.44的大腦截面圖。 啟動Multiwfn，輸入DTI-B0.cub的文件路徑，在載入數(shù)據(jù)結(jié)束后會出現(xiàn)格點數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信息。從中可看到這個體數(shù)據(jù)的z范圍是從-2.85到2.85bohr。VMD中的Z offset=0.44指的是這個XY平面的Z值為整個體數(shù)據(jù)Z值范圍的44%的位置。因此，我們要提取的是Z值為((2.85*2)*0.44-2.85)*0.5292=-0.181埃的XY平面上的數(shù)據(jù)。接下來在Multiwfn中輸入 13 //進入主功能13，即格點數(shù)據(jù)處理功能 2 //提取某個XY平面 -0.181 //Z值（埃） 此時，與Z=-0.181埃最接近的XY的平面上的數(shù)據(jù)都被輸出到了當(dāng)前目錄下的output.txt里了。 啟動sigmaplot（本文用的是11.1版），F(xiàn)ile-import file，選output.txt，然后點import按鈕。導(dǎo)入完畢后，在界面左側(cè)找到contour plot按鈕，點擊后再點擊彩色的Filled color按鈕，選XYZ Triplet，X,Y,Z分別設(shè)為第1、2、4列，點“完成”。在圖像上雙擊，在Plots-Scale里將上下限分別設(shè)為100和1100以改善顯示效果，點“確定”后就會看到下面的圖像，比起VMD顯示的精細很多： 6 總結(jié) 通過本文的實例，顯示了計算化學(xué)可視化軟件不光可以觀看化學(xué)相關(guān)的體數(shù)據(jù)，即分子軌道、電子定域化函數(shù)、電子密度等，還可以像通用的體數(shù)據(jù)可視化軟件一樣研究其它各種類型的體數(shù)據(jù)，這直接溝通了化學(xué)軟件與生活中的物件以及生命醫(yī)學(xué)間的橋梁。有興趣的話，不妨利用本文的方法自行從那些數(shù)據(jù)庫中下載感興趣的體系來觀看一下。不過，化學(xué)上的軟件在顯示體數(shù)據(jù)方面比起專業(yè)的軟件還顯得比較業(yè)余，功能、效率和畫面效果還有不小差距。在《談?wù)勼w數(shù)據(jù)》后面的文章中，將介紹利用一些更專業(yè)、強大的通用的體數(shù)據(jù)可視化軟件來繪制出很炫的化學(xué)相關(guān)的圖形。 |
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