3D动画模拟化学反应的设计与实现

摘 要：本文讨论了3D动画模拟化学反应的设计与实现，通过OpenGL与3ds max软件的结合，将复杂的化学反应过程用3D动画的方式呈现出来。用户通过选择分子式或反应方程式进行3D动画的模拟，使化学反应过程更加生动、形象。

关键词：OpenGL；3ds Max；c++；3D动画；化学反应

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 12-0000-01

随着电脑软硬件的快速发展，计算机图形图像处理技术的应用得到了空前的发展，电脑美术作为一个独立学科走上了迅猛发展之路。目前，国内外越来越多的使用3D制作动画，三维建筑、室内效果图等，但是很少将其与化学实验结合起来，有的也只是用3D模拟出分子和原子结构，而对化学反应时的断键和成键情况没有具体的说明。对于比较复杂的断键、成键过程，学生理解起来会很困难，老师讲解也很抽象，所以对模拟实验会极度渴望。

本文讨论了通过3D动画来模拟化学反应的设计与实现，能够将化学反应过程生动、形象的展示出来。

一、系统的实现流程

系统基本流程为界面设计，建模，模型生成，动画生成，动画控制。

（一）界面设计

使用windows界面设计，实现与用户的交互，用户通过选择化学分子式或者反应方程式进行3D模拟动画的展示，同时，在动画播放过程中可对其进行基本的暂停等操作。

（二）建模

首先在3ds Max中对化学分子式进行建模，构建出每个分子的球棍模型，该模型能够清楚地反应原子间的相对位置和化学键的位置。利用插件，将模型导出为md2文件，用于模型生成。

（三）3D模型生成

本系统使用OpenGL这个专业的图形程序接口对构建的模型进行加载，使用纹理贴图技术将不同类型的原子渲染成不同颜色，从而绘制出分子的3D模型。

（四）3D动画生成

将渲染的3D模型，通过调整时间和坐标位置加载为动画，用于模拟化学反应过程。

（五）动画控制

在动画播放时，可对其进行暂停，停止，播放等操作，便于观察反应过程中的断键和成键情况。

二、系统的研究方法和关键技术

（一）3ds Max建模

本系统使用3ds Max 2011软件平台制作化学分子的3D模型，涉及到对该软件的了解和使用。

（二）深度缓冲区

本系统启动了深度缓冲区用于消除实心物体被其他物体所遮挡的情况，具体实现代码如下：

glEnable（GL_DEPTH_TEST）

glClear（GL_COLOR_BUFFER_BIT|GL_DEPTH_BUFFER_BIT）；

（三）纹理贴图

本系统使用纹理贴图技术为不同的原子绑定不同颜色，分为以下几步：

1.创建和绑定纹理对象

glEnable（GL_TEXTURE_2D）；

glBindTexture（GL_TEXTURE_2D，groundTex->texID）；

2.将保留在data中的像素值传给当前绑定的纹理对象

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

（四）光照

本系统使用OpenGL光照函数来绘制真实感图形，具体步骤如下：（1）定义每个物体的每个顶点的法向量（法向量决定了物体相对于光源的方向）；（2）创建和选择一个或多个光源，设置它们的位置；（3）创建光照模型。（4）定义场景中物体的材料属性。

（五）视图变换

视图变换实现了从不同角度观察分子模型的功能，能够清楚地观察反应过程中，各原子和化学键的变化。实现部分代码如下：

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

图1 默认的照相机位置

图2 使用gluLookAt（）后

（六）加载md2文件

加载md2文件，实现动画：（1）读取原始数据；（2）将数据转换成模型结构；（3）动画显示。

三、结束语

本文介绍了3D动画模拟化学反应系统，能够对化学反应中的断键成键过程进行模拟，系统使用简单，能够清楚地展示化学反应过程，对于实际教学活动具有重要的实际应用意义和推广价值。

参考文献：

[1]孙毅.SUN Yi 3DS MAX在虚拟现实设计中的运用[J].自动化与仪器仪表，2009（06）.

[2]程P.三维动画技术在有机化学教学中的应用[J].攀枝花学院学报，2002（04）.

[3]沐来龙，何红梅.三维动画技术在原子轨道图形表示MCAI中的应用[J].徐州师范大学学报（自然科学版），2002（02）.

[4]Dave Shreiner.OpenGL编程指南[M].李君，徐波，译.北京：机械工业出版社，2010.