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beefly

專家顧問 (職業(yè)作家)

[資源] 用Asymptote產(chǎn)生3D PDF格式的分子結(jié)構(gòu)圖

很多年前接觸過一點(diǎn)Asymptote矢量圖語言，但是不如現(xiàn)成的分子結(jié)構(gòu)程序方便，于是就壓箱子底下了。最近突然把Asymptote又拿出來，主要有以下幾個(gè)原因：

1，顯示分子的振動(dòng)模式。雖然不少程序都可以做，但是如果遇到高對(duì)稱分子，振動(dòng)矢量的箭頭往往和分子鍵重合在一起。稍微好點(diǎn)的程序，允許把分子鍵設(shè)定得非常細(xì)，雖然振動(dòng)箭頭突出了，但是卻很難看。而且箭頭的控制參數(shù)太少。例如下面這個(gè)圖，已經(jīng)是能得到的最好結(jié)果了

2，能夠顯示振動(dòng)模式的程序一般都是針對(duì)特定數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)的（例如Gaussian的輸出，fchk文件），在其他程序里照抄這些格式是不可能的。比較簡(jiǎn)單，又被廣泛接受的振動(dòng)模式數(shù)據(jù)格式，大概只有MOLDEN頻率文件了。但是能夠讀MOLDEN文件的程序很少，更何況振動(dòng)模式的顯示效果不好。
3，需要用腳本批量產(chǎn)生一堆結(jié)構(gòu)圖（可能幾十個(gè)甚至上百個(gè)），比如做動(dòng)畫。如果用鼠標(biāo)逐個(gè)去操作，會(huì)累死人的。
4，產(chǎn)生真3D的PDF文件。用免費(fèi)程序Jamberoo/VMD/Pymol也可以做。

經(jīng)過幾天的學(xué)習(xí)，以及參考別人的例子，上面的問題用Asymptote很快就得到解決。

（一）Asymptote的安裝

在Windows下安裝

Asymptote需要大量的Latex編譯工具和宏包支持。如果你對(duì)此不太了解，比較省事的一種辦法，是去下載最新的CTeX
http://www.ctex.org/CTeXDownload
然后安裝CTeX。

由于CTeX已經(jīng)兩年多沒有升級(jí)，有些宏包和最新的Asymptote有沖突，需要升級(jí)到最新版（在下一個(gè)CTeX發(fā)布版可能就不需要這一步了）：打開CTeX中的WinEdt程序，在TeX菜單中找到MiKTeX/Update Wizard，找到以下幾個(gè)宏包，把它們升級(jí)到最新：babel，media9，l3experimental（第一個(gè)字符是字母，不是數(shù)字�。琹3kernel，l3packages。注意：第一次升級(jí)可能會(huì)安裝一些重要的宏包，用戶指定的那些宏包會(huì)被忽略，因此可能要多次進(jìn)行升級(jí)操作。

接下來到Asymptote主頁http://asymptote.sourceforge.net/
下載并安裝最新版Asymptote，然后就可以用了。

在Linux下安裝

最好在版本比較新的主流Linux系統(tǒng)，并且自己有管理員權(quán)限的計(jì)算機(jī)上安裝。大型服務(wù)器不是庫函數(shù)版本低就是缺東西，盡量別在上面裝。我用的是Ubuntu，運(yùn)行以下命令
sudo apt-get install asymptote
然后輸入密碼，接下來等著系統(tǒng)自動(dòng)下載和安裝Asymptote。

在MacOSX下安裝

目前不提供二進(jìn)制的可執(zhí)行程序。需要編譯源代碼，很簡(jiǎn)單。

（二）Asymptote學(xué)習(xí)資料

除了Asymptote主頁上的使用手冊(cè)外，有以下中文資料可以參考：

三個(gè)比較早的教程
https://code.google.com/p/asy4cn/

莫圖寫的Asymptote 作圖指南，時(shí)間也比較早了
http://bbs.ctex.org/forum.php?mod=viewthread&tid=44559&extra=page%3D1

asymptote 經(jīng)驗(yàn)筆記
http://bbs.ctex.org/forum.php?mod=viewthread&tid=76552&extra=page%3D1

遇到問題，除了在Asymptote的英文官方論壇求助外，也可以去ctex.org的TeX 圖形技術(shù)版去討論：
http://bbs.ctex.org/forum.php?mod=forumdisplay&fid=51&page=1

（三）一個(gè)Asymptote程序

Asymptote的語法和格式有點(diǎn)類似于c或c++程序。

以下是一些用到的命令：

CODE:

import three;

調(diào)用3D模塊

CODE:

import x11colors;

調(diào)用顏色庫模塊

CODE:

real Rbond=206;

定義一個(gè)實(shí)變量。 Rbond是自己起的名字，設(shè)定分子的鍵長(zhǎng)。注意Asymptote并不知道波爾、埃這些長(zhǎng)度單位，而是使用數(shù)據(jù)點(diǎn)單位。我們可以假定206代表了2.06埃。

CODE:

triple atom1=(0,0,0);

定義一個(gè)三元數(shù)組。atom1是自己起的名字，表示第一個(gè)原子的直角坐標(biāo)。

CODE:

triple atom2=atom1+scale_len*Rbond*Z;

定義第二個(gè)原子的坐標(biāo)，等于第一個(gè)原子在Z方向做位移。Z是系統(tǒng)變量。

CODE:

surface xe_atm=scale3(70*scale_atm)*unitsphere;

定義一個(gè)球面代表原子，這里是氙。unitsphere函數(shù)定義了系統(tǒng)內(nèi)置的單位球。scale3函數(shù)把球縮放。surface命令表示把這樣的一個(gè)曲面賦值給xe_atm，默認(rèn)有光照效果。

CODE:

draw(shift(atom1)*xe_atm,lightblue);

畫一個(gè)xe_atm變量所定義的原子，位置由atom1定義，顏色為淺藍(lán)。lightblue是x11colors模塊內(nèi)定的顏色變量。

CODE:

draw(atom1--atom2, mediumgray+opacity(c_bdtransp)+linewidth(scale_bnd*4mm),currentlight);

畫一條線，連接兩個(gè)點(diǎn)atom1和atom2，用來表示分子鍵。鍵的顏色是淺灰（mediumgray），linewidth定義鍵的粗細(xì)。為了更好地顯示振動(dòng)模式，這里把分子鍵設(shè)為半透明，用opacity定義。最后一個(gè)參數(shù)currentlight是可選的，用于打開光照效果，draw默認(rèn)沒有光照效果。在3D情況下，Asymptote可以自動(dòng)計(jì)算原子球和分子鍵相交位置的曲線，用戶不用操心。

CODE:

label("$Xe1$",atom1 ,c_align);

label命令用于給圖形添加符號(hào)。在引號(hào)中可以使用Latex語法，因此可以在圖中添加復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，這是大多數(shù)分子模型程序做不到的。符號(hào)的位置在atom1。c_align是我們自定義的一個(gè)位移變量，把符號(hào)從atom1移動(dòng)一點(diǎn)，否則符號(hào)會(huì)被原子球包住，什么也看不到。

CODE:

draw(atom1--atom1+lmod1,red+size_shaft,Arrow3(size_arrow,size_arrow*1.2),currentlight);

畫一條線（在這里表示箭桿），起始點(diǎn)的位置分別是atom1和atom1+lmod1。red定義了顏色，是可選的。size_shaft是我們自己定義的箭桿粗細(xì)。Arrow3函數(shù)用來給箭桿的終點(diǎn)添加3D箭頭，所帶的兩個(gè)參數(shù)是可選的，分別定義箭頭的長(zhǎng)度和寬度。currentlight給箭頭、箭桿添加光照效果，是可選的。

完整的代碼如下：

CODE:

import three;

import x11colors;

// initialization

currentprojection=perspective(200,350,100);

//currentprojection=orthographic(200,350,100);

//currentlight.background=palecyan;

real scale_atm=3/10;

real scale_bnd=0.7;

real scale_len=0.7;

real scale_nmd=200;

real c_bdtransp=0.4;

real size_arrow=12;

real size_shaft=3;

triple c_align=(0,8,8);

// Atom balls

surface xe_atm=scale3(70*scale_atm)*unitsphere;

surface f_atm=scale3(45*scale_atm)*unitsphere;

// Cartesian coordinates

real Rbond=206; // 2.06 Angstrom

triple atom1=(0,0,0);

triple atom2=atom1+scale_len*Rbond*Z;

triple atom3=atom1+scale_len*Rbond*X;

triple atom4=atom1+scale_len*Rbond*Y;

triple atom5=atom1-scale_len*Rbond*X;

triple atom6=atom1-scale_len*Rbond*Y;

triple atom7=atom1-scale_len*Rbond*Z;

// Normal modes (Oh/eg)

triple lmod1=( 0.000, 0.000, 0.000)*scale_nmd;

triple lmod2=( 0.000, 0.000, 0.577)*scale_nmd;

triple lmod3=(-0.289, 0.000, 0.000)*scale_nmd;

triple lmod4=( 0.000,-0.289, 0.000)*scale_nmd;

triple lmod5=( 0.289, 0.000, 0.000)*scale_nmd;

triple lmod6=( 0.000, 0.289, 0.000)*scale_nmd;

triple lmod7=( 0.000, 0.000,-0.577)*scale_nmd;

defaultrender=render(compression=Zero,merge=true);

// draw atoms

draw(shift(atom1)*xe_atm,lightblue);

draw(shift(atom2)*f_atm,palecyan);

draw(shift(atom3)*f_atm,palecyan);

draw(shift(atom4)*f_atm,palecyan);

draw(shift(atom5)*f_atm,palecyan);

draw(shift(atom6)*f_atm,palecyan);

draw(shift(atom7)*f_atm,palecyan);

// draw bonds

draw(atom1--atom2, mediumgray+opacity(c_bdtransp)+linewidth(scale_bnd*4mm),currentlight);

draw(atom1--atom3, mediumgray+opacity(c_bdtransp)+linewidth(scale_bnd*4mm),currentlight);

draw(atom1--atom4, mediumgray+opacity(c_bdtransp)+linewidth(scale_bnd*4mm),currentlight);

draw(atom1--atom5, mediumgray+opacity(c_bdtransp)+linewidth(scale_bnd*4mm),currentlight);

draw(atom1--atom6, mediumgray+opacity(c_bdtransp)+linewidth(scale_bnd*4mm),currentlight);

draw(atom1--atom7, mediumgray+opacity(c_bdtransp)+linewidth(scale_bnd*4mm),currentlight);

// labels

label("$Xe1$",atom1 ,c_align);

label("$F2 $",atom2 ,c_align);

label("$F3 $",atom3 ,c_align);

label("$F4 $",atom4 ,c_align);

label("$F5 $",atom5 ,c_align);

label("$F6 $",atom6 ,c_align);

label("$F7 $",atom7 ,c_align);

// draw arrows

draw(atom1--atom1+lmod1,red+size_shaft,Arrow3(size_arrow,size_arrow*1.2),currentlight);

draw(atom2--atom2+lmod2,red+size_shaft,Arrow3(size_arrow,size_arrow*1.2),currentlight);

draw(atom3--atom3+lmod3,red+size_shaft,Arrow3(size_arrow,size_arrow*1.2),currentlight);

draw(atom4--atom4+lmod4,red+size_shaft,Arrow3(size_arrow,size_arrow*1.2),currentlight);

draw(atom5--atom5+lmod5,red+size_shaft,Arrow3(size_arrow,size_arrow*1.2),currentlight);

draw(atom6--atom6+lmod6,red+size_shaft,Arrow3(size_arrow,size_arrow*1.2),currentlight);

draw(atom7--atom7+lmod7,red+size_shaft,Arrow3(size_arrow,size_arrow*1.2),currentlight);

如果經(jīng)常用Asymptote顯示分子，可以把一些常用的命令做成宏，使代碼更簡(jiǎn)短。

把上面的代碼存成一個(gè)文件，擴(kuò)展名為.asy，例如test.asy。用以下命令可以編譯test.asy：

asy test.asy

在Windows下，也可以用鼠標(biāo)直接雙擊test.asy文件。

之后會(huì)跳出一個(gè)圖形窗口，用鼠標(biāo)把分子轉(zhuǎn)動(dòng)到合適的角度，縮放到合適的大小，按一下鍵盤上的“e”，就會(huì)產(chǎn)生eps格式的圖形文件。效果圖如下：

用Asymptote產(chǎn)生3D PDF格式的分子結(jié)構(gòu)圖-1

但是這個(gè)文件僅僅是一個(gè)打印屏幕后的圖片，并不是3D圖。要產(chǎn)生3D PDF文件，可以用以下命令編譯：

asy -f pdf test.asy

用adobe acrobat打開產(chǎn)生的pdf文件，會(huì)發(fā)現(xiàn)里面的分子模型可以用鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)和縮放。見附件。

其他參數(shù)：
-noprc：跟-f pdf合用，在保存pdf文件的時(shí)候關(guān)閉3D功能。
-render=n（n=1,2,3,4,...,8）：調(diào)分辨率。n=0會(huì)得到2D的投影矢量圖，不過效果很差。
-noV：禁止Asymptote自動(dòng)打開圖形窗口和pdf文件。如果計(jì)算機(jī)太慢，或者用腳本做批量輸出的時(shí)候，可以加上這個(gè)選項(xiàng)。此時(shí)分子的視角是個(gè)問題，需要在程序中用perspective函數(shù)事先設(shè)定，參見上面的代碼。

除了顯示分子模型以外，Asymptote還可以繪制晶體結(jié)構(gòu)，輸出3D電子密度和分子軌道，等等。在Asymptote主頁和中文教程中可以找到這方面的例子。

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1樓 2015-01-24 17:17:42

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beefly又一個(gè)經(jīng)典，頂大神。

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2樓2015-01-24 19:30:49

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卡開發(fā)發(fā)

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3樓2015-01-25 06:42:39

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太帥了

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5樓2015-01-28 14:49:19

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neweroica

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支持樓主。我在很久以前也曾嘗試用Asymptote和MetaPost畫過分子結(jié)構(gòu)，寫了個(gè)叫NeatMol的宏包：http://bbs.ctex.org/forum.php?mod=viewthread&tid=46540

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8樓2016-06-07 21:26:20

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beefly

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引用回帖:

8樓: Originally posted by neweroica at 2016-06-07 21:26:20
支持樓主。我在很久以前也曾嘗試用Asymptote和MetaPost畫過分子結(jié)構(gòu)，寫了個(gè)叫NeatMol的宏包：http://bbs.ctex.org/forum.php?mod=viewthread&tid=46540

久仰大名！我把你的NeatMol略微做了修改，現(xiàn)在還經(jīng)常用，除了顯示分子模型還用來顯示振動(dòng)模式。成果展示：

用Asymptote產(chǎn)生3D PDF格式的分子結(jié)構(gòu)圖-2

999.png

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9樓2016-06-07 23:10:03

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fighting文

金蟲 (正式寫手)

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請(qǐng)問。原子位移圖用什么軟件畫能否告知一下，謝謝。

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10樓2018-01-03 10:37:29

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nilll4樓

2015-01-27 02:46 回復(fù)

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