（計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)論文）蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化研究.pdf

浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文一蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化研究 摘要 生物信息學(xué)將是2 1 世紀(jì)自然科學(xué)的核心領(lǐng)域之一，其研究重點(diǎn)主要體現(xiàn)在基 因組學(xué)( g e n o i i l i c s ) 和蛋白學(xué)( p m t e o m i c s ) 兩方面。蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，蛋 白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)可視化的目的在于借助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及相關(guān)技術(shù)，使得對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的 探測(cè)與分析過程達(dá)到可視化、精確化、可預(yù)澳4 化。 為了能夠更清晰地表達(dá)結(jié)構(gòu)信息以使觀察者更好地了解和分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，我 們提出將非真實(shí)感繪制的方法運(yùn)用于蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)可視化中。我們所提出的蛋白 質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化方法區(qū)別于現(xiàn)有方法之處在于，能為觀察者提供全新的觀察模式和視 覺效果，并且能提供更多的細(xì)節(jié)信息。針對(duì)常用的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)圖形表示，我們分別 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于圖像的球棍模型( v d w 模型) 繪制方法、帶狀模型和分子表面 模型的輪廓邊緣繪制方法以及彩色插圖和基于筆劃風(fēng)格的插圖繪制方法，并初步實(shí) 現(xiàn)了蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，我們所提出的蛋白質(zhì) 分子結(jié)構(gòu)非真實(shí)感可視化方法在中端硬件配置上可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)繪制，所繪制出的蛋 白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)由于具有傳統(tǒng)的技術(shù)插圖風(fēng)格且能夠更清晰地表達(dá)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，因此更 符合專業(yè)研究者的觀察認(rèn)知習(xí)慣。 關(guān)鍵詞：生物信息學(xué)，蛋白質(zhì)，非真實(shí)感圖形學(xué)，可視化 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文一蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化研究 b i o i n f o r m a t i c sw i l lb e c o m eo n eo ft 1 1 em o s ti i i 驢n a n ts c i e n t i f i cr e s e a r c ha r e 韶m t h e2 1 s tc e n t u r y w h j c hm a i l l l ys t u d i e so ng e n o m i c sa n dp r o t e o l l l i c s n 試e i ni s t 1 1 e f o u n d a t i o no f l i f e w i t ht 1 1 e h e l po fc o m p u t e r 鯽h i c sa l l dr e l a t e dt e c l l i l 0 1 0 百e s ， v i s u a l i z a t i o no fp r o t e i nm o l e c l l l e sa i m st om a k em eo b s e r v a t i o n 趾da n a l y s ep r o c e s so f m i c m s t m c t i l r e sv i s f b l e ，p r e d a n dp r e d i c 城b l e t bi l l u s 打a t es 仇l c t i l r ei i o 朋1 a t i o no fp r o t e i nm o l e c l l l e si nac l e a r e rw a y ，w ep r o p o s e 趾i l l u s 仃a t i o ns t y l en o n - p h o t o 蒯i s t i cv i s u m i 刎0 n 皿屺山o do fp m t e i ni n o l c c u l e s o m e r m a n 饑l d i t i o n a lp r o t e i nv i s 明1 i z 砒i o nm e 廿1 0 d s ，o l l rm e 出o dp r e s e n t saw h o l en e w v i s u a l i z a t i o ne a e c ta n dp r o v i d e sm o r ei n | b m l a d o nt o b i 出o g i c a lr e s e a r c h e r s w e i n l p l e m e n ta ne l e m e n t a r yv i s l i a l i z a t i o ns y s t 鋤f o rp r o t e mm o l e c l 】1 e s ( m n v ：m 0 l e c u l 盯 n o n p h o t o r e a l i s t i c s u a l i z a 廿o n ) 1 1 1 em n vs y s t c mc o m 岬s e sf o l l rr c n d e r i n gm o 咖e s f i o rs e v e r a lc o m m o np r o t e 主ns 協(xié)l c t i l r e 掣印枷c a lr e p r e s e n 蜥o n s ，i n c l u d i i l gi m a g e - b a s e d 塒1 d e r i n gm o d u l ef o rb a l l - s t i c ka n dv d wm o d e l ，s i l h o u e t t er e i l d 甜n gm o d i l l ea n d i l l u s 仃a t i o “s k e t c hr e n d e 血gm o d u l e sf o r 曲b o n 卸ds l l r f a c em o d c l e x p e m l e m a lr e s u l t s s h o wm a to u rn o n _ p i l o t o r e a l i s 齔v i s u a l i z a t i o nt e c h n i q u e sc a na c h i e v er e 8 l t i m es p e e df o r c o m p l e xp r o t e i n so np l a i nh 捫w a r ep l a t f o m f m e m o r e ，a sm n vs y s t e ma d o p t s 仃a d i t i o n a li l l u s 扭l t i o n g 哆l et o r e v e a lm o r es p e c m cs m j c t i l r ei n f o 瑚a d o no fp r o t e i n m 0 1 e c u l e s 。i ti se a s i e rf o rr e s e a r c h e r st oa c c e p tb v i s u a l i z a t i o ne 仃b c t 1 沁y w o r d s ：b i o i n f 0 珊_ 6 囂，p m t e 咄n o - p h o t 0 瑚血6 c 啪d e r i g v i s u 量i i z a 6 0 n l i 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文一蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化研究 1 1 研究背景 第1 章緒論 分子生物學(xué)是從分子水平研究生命本質(zhì)的一門新興邊緣學(xué)科，它以核酸和蛋白 質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)及其在遺傳信息和細(xì)胞信息傳遞中的作用為研究對(duì)象，是當(dāng) 前生命科學(xué)中發(fā)展最快并正在與其它學(xué)科廣泛交叉與滲透的重要前沿領(lǐng)域【3 3 。 所謂在分子水平上研究生命的本質(zhì)主要是指對(duì)遺傳、生殖、生長(zhǎng)和發(fā)育等生命 基本特征的分子機(jī)理的闡明，從而為利用和改造生物奠定理論基礎(chǔ)和提供新的手 段。這里的分子水平指的是那些攜帶遺傳信息的核酸和在遺傳信息傳遞及細(xì)胞內(nèi)、 細(xì)胞間通訊過程中發(fā)揮著重要作用的蛋白質(zhì)等生物大分子。這些生物大分子均具有 較大的分子量，由簡(jiǎn)單的小分子核苷酸或氨基酸排列組合以蘊(yùn)藏各種信息，并且具 有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)以形成精確的相互作用系統(tǒng)，由此構(gòu)成生物的多樣化和生物個(gè)體 精確的生長(zhǎng)發(fā)育和代謝調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。闡明這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系是 分子生物學(xué)的主要任務(wù)。 蛋白質(zhì)的分子生物學(xué)研究執(zhí)行各種生命功能的主要大分子一蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與 功能。盡管人類對(duì)蛋白質(zhì)的研究比對(duì)核酸研究的歷史要長(zhǎng)得多，但由于其研究難度 較大，與核酸分子生物學(xué)相比發(fā)展較慢。近年來雖然在認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其與功 能關(guān)系方面取得了一些進(jìn)展，但是對(duì)其基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)尚缺乏突破性的進(jìn)展。因此， 蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)可視化對(duì)研究和進(jìn)一步認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)起著重要的作用。蛋白質(zhì)分子結(jié) 構(gòu)可視化的目的在于借助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及相關(guān)技術(shù)，結(jié)合計(jì)算化學(xué)、分子生物學(xué)的 最新進(jìn)展，使得對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的探測(cè)與分析過程達(dá)到可視化、精確化、可預(yù)測(cè)化。 在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)3 0 余年的發(fā)展歷史中，真實(shí)感繪制一直是貫穿其中的主旋律。 當(dāng)人們可以用計(jì)算機(jī)生成越來越逼真的照片級(jí)真實(shí)感效果時(shí)，一些研究者從人類千 年古老而文明的繪畫發(fā)展中發(fā)現(xiàn)了當(dāng)今對(duì)另一類繪制效果的需求，從而在2 0 世紀(jì) 9 0 年代中期提出了非真實(shí)感圖形學(xué)這一新興的研究領(lǐng)域。非真實(shí)感圖形學(xué)在近年 來引起了人們極大的興趣，產(chǎn)生了大量的具有多樣性、精確性和創(chuàng)新性的論文和技 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文一蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化研究 術(shù)。 非真實(shí)感圖形學(xué)中利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制科學(xué)和醫(yī)學(xué)插圖這一重要研究分支已 經(jīng)引起了人們的重視。本章首先闡述了非真實(shí)感圖形學(xué)的發(fā)展過程，接著介紹了分 子生物學(xué)中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究工作及成果，并概括了前人在科學(xué)和醫(yī)學(xué)插圖繪制以 及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化方面的相關(guān)工作，最后介紹了本文的主要工作與組織結(jié)構(gòu)。 1 1 1 非真實(shí)薯圈形學(xué)的發(fā)展 自2 0 世紀(jì)6 0 年代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)誕生以來，其主要目標(biāo)是生成能仿效傳統(tǒng)照相 機(jī)效果的圖像，即富有“真實(shí)感”的圖像?！罢鎸?shí)感”( p h o t o 豫l l i 鋤) 一詞就是當(dāng)時(shí) 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的開拓者們從一類流行于北美的畫風(fēng)中引入的。從心理學(xué)的觀點(diǎn)來 看，真實(shí)感圖形暗示著準(zhǔn)確性和完美性，強(qiáng)調(diào)模擬場(chǎng)景對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界的保真度【3 8 】。 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究者使用“真實(shí)感計(jì)算機(jī)圖形”0 h o t o r e a l i s t i cc o m p u t e rg r a p l l i c s ) 這 一術(shù)語用來表示一系列算法技術(shù)，這些算法技術(shù)是利用攝影過程中所設(shè)計(jì)的物理定 則來仿效照相機(jī)輸出。隨著計(jì)算機(jī)圖形硬件和算法的不斷發(fā)展和改進(jìn)，到2 0 世紀(jì) 9 0 年代中期，計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以逼真地模擬出各種自然界的客觀現(xiàn)象以及想象中的 特殊效果了。特別是在近些年來好萊塢所創(chuàng)作的電影大片中，真實(shí)感圖形與電影膠 片攝制出的圖像得到了完美的結(jié)合，諸如冰河世紀(jì)、海底總動(dòng)員、怪物史萊 克等著名的c g 電影均借助于真實(shí)感圖形技術(shù)達(dá)到了“像照片一樣真實(shí)”的完美 效果。 照相機(jī)是近代才有的用于捕獲現(xiàn)實(shí)世界影像的工具，而在此之前的素描、繪畫、 卡通等藝術(shù)形式才是人們用來刻畫豐富多彩的現(xiàn)實(shí)和虛幻的世界的主要手段。自 2 0 世紀(jì)9 0 年代中期開始，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究者們開始意識(shí)到，在許多應(yīng)用場(chǎng)合， 人們還需要由計(jì)算機(jī)來生成一些不同于照片的圖形效果。因此，非真實(shí)感繪制 ( n o n p h o t e a l i s t i cr e n d e r i n g ，n p r ) 逐漸成為了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究的另個(gè)熱 點(diǎn)。 顧名思義，非真實(shí)感繪制指的是利用計(jì)算機(jī)生成不具有照片級(jí)真實(shí)感，而具有 手繪風(fēng)格的圖形的技術(shù)。其目標(biāo)不在于圖形的真實(shí)性，而主要追求表現(xiàn)圖形的藝術(shù) 特質(zhì)、模擬各種風(fēng)格的藝術(shù)作品，以及生成類似建筑、工業(yè)、科學(xué)等行業(yè)中所使用 2 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文一蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化研究 的插圖的效果等。 真實(shí)感圖形學(xué)是以物理學(xué)為主要依據(jù)來獲得高度真實(shí)的圖像，而非真實(shí)感圖形 學(xué)則以認(rèn)知科學(xué)、藝術(shù)設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)插圖領(lǐng)域?yàn)橐劳校谕_(dá)到模擬智能、傳達(dá)意圖、 澄清語言與圖片之間的關(guān)系和展示新產(chǎn)品等目的。近年來在非真實(shí)感圖形學(xué)領(lǐng)域已 經(jīng)產(chǎn)生了大量的理論和研究成果，從運(yùn)用藝術(shù)網(wǎng)印( a r t i s t i cs c r e e n i n g ) 的方法來打印 圖像，到模擬鋼筆、水彩或木舨銅版等自然介質(zhì)和藝術(shù)手法的繪制，以及基于筆劃 的插圖、特殊的光照明模型等技術(shù)，無不顯示出多樣性、精巧性和大膽的創(chuàng)新性。 可以預(yù)見，非真實(shí)感圖形學(xué)注重認(rèn)知性、藝術(shù)創(chuàng)造性等特點(diǎn)將在未來吸引更多研究 者的目光和精力。 1 1 0 計(jì)算機(jī)生成科學(xué)和醫(yī)學(xué)插圖 科學(xué)和醫(yī)學(xué)插圖在相關(guān)的專業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。醫(yī)學(xué)書中充滿了 精美細(xì)致的各種插圖樣本，在數(shù)十年來的醫(yī)學(xué)書中一直被沿用，代代相傳。 如今，科學(xué)和醫(yī)學(xué)插圖已經(jīng)從藝術(shù)領(lǐng)域中分離出來，成為專門的科學(xué)研究領(lǐng)域。 第一幅醫(yī)學(xué)插圖用于1 5 4 3 年出版于v c 鵝a l i u s 的d e h 啪a l l i c o r p u s f a b r i c a ，一書中， 該書是我們所知的第一本解剖學(xué)教科書。這本書中的圖像由t i z i a i l 的弟子之一準(zhǔn)確 且費(fèi)力地一一畫出并翻版為木刻印版。在那時(shí)，醫(yī)學(xué)插圖仍是一種藝術(shù)形式。今天， 許多大學(xué)都提供了科學(xué)插圖或醫(yī)學(xué)插圖方面的學(xué)位課程【3 8 】。 科學(xué)和醫(yī)學(xué)插圖與照片真實(shí)感的圖片有顯著的不同，插圖的主要目的是向讀者 傳達(dá)專業(yè)相關(guān)有用的信息，因此往往不遵循視覺的真實(shí)性，但它的傳統(tǒng)性和適于人 類視覺特征的畫法卻為廣大科學(xué)研究者所普遍認(rèn)可和接受。 圖1 1 顯示了醫(yī)學(xué)中真實(shí)照片與手繪插圖的區(qū)別1 1 7 】。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文一蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化研究 ( a )( b ) 圖1 1 真實(shí)照片與醫(yī)學(xué)插圖的比較。圈( a ) 為照片，圖( b ) 為對(duì)應(yīng)的手繪醫(yī)學(xué)插圖舊 由此可見，傳統(tǒng)的科學(xué)和醫(yī)學(xué)插圖對(duì)學(xué)習(xí)研究都有著不可替代的重要地位，這 些非真實(shí)感的插圖在傳達(dá)特定信息方面比真實(shí)感的照片更為有效。但是到目前為 止，科學(xué)和醫(yī)學(xué)插圖均由經(jīng)過專門訓(xùn)練的、高度熟練的插圖畫家手工繪制而成，不 僅需要耗費(fèi)大量的精力，并且只能存在于紙版的圖書中。如果沒有非真實(shí)感繪制的 方法和工具來繪制插圖，大量的電子在線資料僅能包含手工繪制圖形的掃描版，這 將嚴(yán)重地限制讀者與這些圖像的交互，而且想要對(duì)手工繪制的圖形做出改動(dòng)也是相 當(dāng)困難的。因此，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)或者通過人工交互來繪制科學(xué)與醫(yī)學(xué)插圖是非常有 意義的一項(xiàng)工作。當(dāng)今計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)與圖形硬件的飛速發(fā)展也為自動(dòng)繪制科學(xué) 與醫(yī)學(xué)插圖提供了充分的條件。 1 1 3 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的可視化 1 1 - 3 1 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化的意義 蛋白質(zhì)扮演著構(gòu)筑生命大廈的主要角色，是生命活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，具有防御、 調(diào)節(jié)、催化、收縮、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、運(yùn)動(dòng)、緩沖等多種生命功能。如果蛋白質(zhì)不足、 結(jié)構(gòu)有誤或缺損，其功能就會(huì)失調(diào)，人體就會(huì)生病。同時(shí)在藥物研究設(shè)計(jì)中，近年 來新型功能蛋白的不斷發(fā)現(xiàn)，為人類征服癌癥、艾滋病、帕金森氏癥、老年癡呆癥、 糖尿病等帶來了光明前景。 研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)有助于了解蛋白質(zhì)的作用，了解蛋白質(zhì)如何行使其生物功能， 4 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文一蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化研究 認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)( 或其它分子) 之間的相互作用，這無論是對(duì)于生物學(xué)還是對(duì) 于醫(yī)學(xué)和藥學(xué)，都是非常重要的。對(duì)于未知功能或者新發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)分子，通過結(jié) 構(gòu)分析，可以進(jìn)行功能注釋，指導(dǎo)設(shè)計(jì)進(jìn)行功能確認(rèn)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)。通過分析蛋白 質(zhì)的結(jié)構(gòu)，確認(rèn)功能單位或者結(jié)構(gòu)域，可以為遺傳操作提供目標(biāo)，為設(shè)計(jì)新的蛋白 質(zhì)或改造已有蛋白質(zhì)提供可靠的依據(jù)，同時(shí)為新的藥物分子設(shè)計(jì)提供合理的靶分子 結(jié)構(gòu)。 一種生物體的基因組規(guī)定了所有構(gòu)成該生物體的蛋白質(zhì)，基因規(guī)定了組成蛋白 質(zhì)的氨基酸序列。雖然蛋白質(zhì)由氨基酸的線性序列組成，但是，它們只有折疊成特 定的空間構(gòu)象才能具有相應(yīng)的活性和相應(yīng)的生物學(xué)功能。了解蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)不 僅有利于認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)的功能，也有利于認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)是如何執(zhí)行其功能的。確定蛋白 質(zhì)的結(jié)構(gòu)對(duì)于生物學(xué)研究是非常重要的。 隨著2 0 世紀(jì)以來高科技尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，生物信息學(xué)逐漸成為 當(dāng)今生命科學(xué)和自然科學(xué)的重大前沿領(lǐng)域之，同時(shí)也將是2 1 世紀(jì)自然科學(xué)的核 心領(lǐng)域之一。 生物信息學(xué)是在生命科學(xué)的研究中，以計(jì)算機(jī)為工具對(duì)生物信息進(jìn)行儲(chǔ)存、檢 索和分析的科學(xué)。目前的生物信息學(xué)基本上只是分子生物學(xué)與信息技術(shù)( 尤其是因 特網(wǎng)技術(shù)) 的結(jié)合體。生物信息學(xué)的研究材料和結(jié)果就是各種各樣的生物學(xué)數(shù)據(jù)， 其研究工具是計(jì)算機(jī)，研究方法包括對(duì)生物學(xué)數(shù)據(jù)的搜索( 收集和篩選) 、處理( 編 輯、整理、管理和顯示) 及利用( 計(jì)算、模擬) 【3 5 1 。 生物信息學(xué)的研究重點(diǎn)主要體現(xiàn)在基因組學(xué)( g e n o m i c s ) 和蛋白學(xué)( p r o t e o l i c s ) 兩 方面，具體說就是從核酸和蛋白質(zhì)序列出發(fā)，分析序列中表達(dá)的結(jié)構(gòu)功能的生物信 息。生物信息可視化是生物信息學(xué)幾個(gè)主要研究方向之一。 科學(xué)計(jì)算可視化( 簡(jiǎn)稱可視化) ，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)重要研究方向，科學(xué) 計(jì)算可視化的基本含義是運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)或一般圖形學(xué)的原理和方法，將科學(xué)與 工程計(jì)算等產(chǎn)生的大規(guī)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形、圖像，以直觀的形式表示出來。它涉及 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及圖形用戶界面等多個(gè)研 究領(lǐng)域。 在對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究中，通過可視化工具進(jìn)行結(jié)構(gòu)觀察是最為直觀的也是最 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文一蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化研究 常用的研究手段之一。因此，如何將分子生物學(xué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相結(jié)合，更加精確、 清晰地對(duì)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化成為人們一直在探索的問題。 1 1 3 2 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介【3 4 】 蛋白質(zhì)是由多種氨基酸按特定的排列順序通過肽鍵連接成有一定結(jié)構(gòu)的高分 子化合物，是生物體的主要組成成分之一。蛋白質(zhì)廣泛存在于各種生物組織細(xì)胞， 是生物細(xì)胞最重要的組成物質(zhì)。如具有催化作用的酶、具有免疫功能的抗體、有運(yùn) 輸作用的血紅蛋白、有運(yùn)動(dòng)功能的肌肉收縮蛋白、生物膜的結(jié)構(gòu)蛋白，某些激素和 毒索也是蛋白質(zhì)。各種蛋白質(zhì)中氨基酸的組成、排列順序和肽鏈的立體結(jié)構(gòu)都不同。 蛋白質(zhì)是一種生物大分子，基本上是由2 0 種氨基酸以肽鍵連接成肽鏈。肽鍵 連接成肽鏈稱為蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。不同蛋白質(zhì)其肽鏈的長(zhǎng)度不同，肽鏈中不同氨 基酸的組成和排列順序也各不相同。肽鏈在空間卷曲折疊成為特定的三維空間結(jié) 構(gòu)，包括二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)二個(gè)主要層次。有的蛋白質(zhì)由多條肽鏈組成，每條肽 鏈稱為亞基，亞基之間又有特定的空間關(guān)系，稱為蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)。所以蛋白質(zhì) 分子有非常特定的復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。一般認(rèn)為，蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定二級(jí)結(jié)構(gòu)， 二級(jí)結(jié)構(gòu)決定三級(jí)結(jié)構(gòu)。 蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能在很大程度上取決于其空間結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)象多樣性 導(dǎo)致了不同的生物學(xué)功能。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系研究是進(jìn)行蛋白質(zhì)功能預(yù)測(cè)及蛋 白質(zhì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)分子只有處于它自己特定的三維空間結(jié)構(gòu)情況下，才能獲 得它特定的生物活性；三維空間結(jié)構(gòu)稍有破壞，就很可能會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)生物活性的 降低甚至喪失。因?yàn)樗鼈兊奶囟ǖ慕Y(jié)構(gòu)允許它們結(jié)合特定的配體分子，例如，血紅 蛋白和肌紅蛋白與氧的結(jié)合、酶和它的底物分子、激素與受體、以及抗體與抗原等。 知道了基因密碼，科學(xué)家們可以推演出組成某種蛋白質(zhì)的氨基酸序列，卻無法繪制 蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)。因而，對(duì)于蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的了解，將有助于對(duì)蛋白質(zhì)功能的確 定。同時(shí)，蛋白質(zhì)是藥物作用的靶標(biāo)，聯(lián)合運(yùn)用基因密碼知識(shí)和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)信息， 藥物設(shè)計(jì)者可以設(shè)計(jì)出小分子化合物，抑制與疾病相關(guān)的蛋白質(zhì)，進(jìn)而達(dá)到治療疾 病的目的。 線性多肽鏈在空間折疊成特定的三維空間結(jié)構(gòu)，稱為蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)或構(gòu) 象。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)具體包括：一級(jí)結(jié)構(gòu)、二級(jí)結(jié)構(gòu)、三級(jí)結(jié)構(gòu)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。 6 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文一蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化研究 ( 1 ) 蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)( 皿m a r y 啦眥t u r e ) ： 一級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈的氨基酸堿基的排列順序，也是蛋白質(zhì)最基本的結(jié)構(gòu)。它 是由基因上遺傳密碼的排列順序所決定的，各種氨基酸按遺傳密碼的順序通過肽鍵 連接起來。 每一種蛋白質(zhì)分子都有自己特有的氨基酸的組成和排列順序即一級(jí)結(jié)構(gòu)，由這 種氨基酸排列順序決定它的特定的空間結(jié)構(gòu)，也就是蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定了蛋白 質(zhì)的二級(jí)三級(jí)等高級(jí)結(jié)構(gòu)。 ( 2 ) 蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)( s e c o n d a r ys 觚l c t u r e ) 二級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈借助于氫鍵沿一維方向排列成具有周期性的結(jié)構(gòu)的構(gòu)象， 是多肽鏈局部的空間結(jié)構(gòu)( 構(gòu)象) ，主要有a 一螺旋、p 一折疊、d 一轉(zhuǎn)角等幾種形 式，它們是構(gòu)成蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的基本要素。 ( 3 ) 蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)( t c n i a r ) rs 缸1 l c t u r e ) 三級(jí)結(jié)構(gòu)主要針對(duì)球狀蛋白質(zhì)而言的是指整條多肽鏈由二級(jí)結(jié)構(gòu)元件構(gòu)建成 的總?cè)S結(jié)構(gòu)，包括一級(jí)結(jié)構(gòu)中相距遠(yuǎn)的肽段之間的幾何相互關(guān)系，骨架和側(cè)鏈在 內(nèi)的所有原予的空間排列。如果蛋白質(zhì)分子僅由一條多肽鏈組成，三級(jí)結(jié)構(gòu)就是它 的最高結(jié)構(gòu)層次。 ( 4 ) 蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)( q u a t e m a r y 咖陡l r c ) 四級(jí)結(jié)構(gòu)是指在亞基和亞基之間通過疏水作用等次級(jí)鍵結(jié)合成為有序排列的特 定的空間結(jié)構(gòu)。 圖1 2 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)從左往右依次為一級(jí)結(jié)構(gòu)、二級(jí)結(jié)構(gòu)、三級(jí)結(jié)構(gòu)和四級(jí)結(jié)構(gòu) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文一蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化研究 1 1 3 3 蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫 近年來大量生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)積累，形成了當(dāng)前數(shù)以百計(jì)的生物信息數(shù)據(jù)庫。 它們各自按一定的目標(biāo)收集和整理生物學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并提供相關(guān)的數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù) 處理的服務(wù)。隨著因特網(wǎng)的普及，這些數(shù)據(jù)庫大多可以通過網(wǎng)絡(luò)來訪問，或者通過 網(wǎng)絡(luò)下載。 一般而言，這些生物信息數(shù)據(jù)庫可以分為一級(jí)數(shù)據(jù)庫和二級(jí)數(shù)據(jù)庫。一級(jí)數(shù)據(jù) 庫的數(shù)據(jù)都直接來源于實(shí)驗(yàn)獲得的原始數(shù)據(jù)，只經(jīng)過簡(jiǎn)單的歸類整理和注釋；二級(jí) 數(shù)據(jù)庫是在一級(jí)數(shù)據(jù)庫、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析的基礎(chǔ)上針對(duì)特定目標(biāo)衍生而來，是 對(duì)生物學(xué)知識(shí)和信息的進(jìn)一步整理。國(guó)際上著名蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫有 s w i s s p r o t 、p i r 等；蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)庫有p d b 等。下面簡(jiǎn)要介紹與本文密切相關(guān)的 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫p d b 【3 5 1 。 蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)倉庫( p d b ) 是國(guó)際上唯一的生物大分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)檔案庫，由美國(guó) b r o o l ( 1 l a v e n 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建立。p d b 收集的數(shù)據(jù)來源于x 光晶體衍射和核磁共振 ( n m r ) 的數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理和確認(rèn)后存檔而成。目前p d b 數(shù)據(jù)庫的維護(hù)由結(jié)構(gòu)生物 信息學(xué)研究合作組織( r c s b ) 負(fù)責(zé)。r c s b 的主服務(wù)器和世界各地的鏡像服務(wù)器提 供數(shù)據(jù)庫的檢索和下載服務(wù)，以及關(guān)于p d b 數(shù)據(jù)文件格式和其它文檔的說明，p d b 數(shù)據(jù)還可以從發(fā)行的光盤獲得。 本文工作中所用到的蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)均由p d b 蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫獲得的p d b 標(biāo)準(zhǔn) 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)描述文件轉(zhuǎn)換而來，p d b 格式也是現(xiàn)有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化軟件所通用 的文件格式。 1 1 3 4 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化 為了能夠更清晰地表達(dá)結(jié)構(gòu)信息以使觀察者更好地了解和分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，我 們提出將非真實(shí)感繪制的方法運(yùn)用于蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)可視化中。我們所提出的蛋白 質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化方法區(qū)別于現(xiàn)有方法之處在于，能為觀察者提供全新的觀察模式和視 覺效果，并且能提供更多的細(xì)節(jié)信息。蛋白質(zhì)分子雖然是真實(shí)世界實(shí)際存在的物質(zhì)， 但它的物理外觀卻很難給研究者提供清晰的分析途徑，因此生物學(xué)者提出了各種圖 形模型觀察研究它的組織結(jié)構(gòu)，這些模型并非嚴(yán)格依照物理外觀來定義，而是對(duì)蛋 8 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文一蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化研究 白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的一種抽象表達(dá)。我們認(rèn)為非真實(shí)感繪制的方法很適合于表現(xiàn)蛋白質(zhì) 分子結(jié)構(gòu)，尤其是技術(shù)示意圖的風(fēng)格繪制方法，完全符合生物學(xué)書本中被人們廣為 接受認(rèn)可的手繪插圖效果( 圖1 1 3 ) 。本文分別針對(duì)蛋白質(zhì)分子模型中最常用的球棍 模型、帶狀模型和分子表面模型提出非真實(shí)感技術(shù)插圖的繪制方法，并和傳統(tǒng)的真 實(shí)感繪制效果進(jìn)行比較分析。 ( a ) ( b ) 圈1 - 3 生物學(xué)教科書中的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖( a ) 球棍模型( b ) 帶狀模型 1 2 相關(guān)工作簡(jiǎn)介 1 2 1 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的圈形描述 隨著生物信息學(xué)的蓬勃發(fā)展和生物分子信息數(shù)據(jù)庫的不斷擴(kuò)大，生物分子的三 維結(jié)構(gòu)顯示對(duì)于生物結(jié)構(gòu)的分析起著越來越重要的作用。生物分子的三維立體結(jié)構(gòu) 可以給人以直觀的印象，尤其是對(duì)有經(jīng)驗(yàn)的生物化學(xué)家，他們往往能從這些圖形中 發(fā)現(xiàn)重要規(guī)律。 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)有多種圖形表示方式，最常見的有線框模型( 、i r e 脅m e ) 、棍模型 ( b o n d s ) ，球棍模型( c p k ) 、v d w 模型、帶狀模型( r i b b o n ) 和分子表面模型( 如c o n o l l v 表面、s a s 表面) 等( 見圖1 4 ) 。 9 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文一蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化研究 圖1 4 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的多種圖形描述。( a ) 線框模型( b ) 棍模型( c ) 球棍模型( d ) 范德華模型( c ) 帶狀模型( f ) 分子表面模型【3 i 】 這些蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)圖形描述方式的具體含義如下： 線框模型( w n 舭i i i l e ) ：原子之間的化學(xué)鍵用一根直線表示。 棍模型( b o n d ) ：原子之闊的化學(xué)鍵用一個(gè)圓柱體表示。 球棍模型( c p k ) ：原子用一個(gè)球體表示，化學(xué)鍵用一個(gè)圓柱體表示。 范德華模型( v d w ) ：原予用一個(gè)球體表示，球的半徑為范德華半徑乘以 一個(gè)縮放系數(shù)( 同一個(gè)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)中使用相同的系數(shù)) 。 帶狀模型( 甜b b o n ) ：由經(jīng)過所有核心c a 原子的b 樣條曲線為中心向兩側(cè) 均勻采樣的帶狀表示。 分子表面模型( m o l e c u l a rs 刪f a c e ) ： 令= h ，口2 ，) 為蛋白質(zhì)分子中球形原予q = ( c ，) 的有限集合，其中q 和 分別為原子q 的圓心和范德華半徑。令一個(gè)探測(cè)球( p r o b e ) p = ( c ，) 為與分子爿相 作用的溶劑分子。探測(cè)球在一的表面滾過時(shí)可以定義系列分子表面。其中， s a s ( 勘z v p 腳一b 黜f 6 拓砌r 廟c p ) 為p 的球心在蛋白質(zhì)分子爿表面滾過所形成的分子 l o 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文一蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化研究 表面。c 0 1 l i l o l l y 表面為探測(cè)球p 在蛋白質(zhì)分子一表面滾過時(shí)最接近蛋白質(zhì)分子的一 組點(diǎn)集。如圖1 5 所示【1 5 】。 ( a )( b )“) 圖l5 原子聯(lián)合體的表面模型( a ) 4 個(gè)原子的聯(lián)合體( b ) s o l v t a c c c 船i b l cs l i r f h c e ( c ) c o n n o l l y 分子表面 本文對(duì)蛋白質(zhì)圖形描述形式中的球棍模型、v d w 模型、帶狀模型和c o r m o l l y 分子表面模型進(jìn)行了非真實(shí)感的插圖繪制。 1 2 2 科學(xué)、醫(yī)學(xué)與技術(shù)插圖的繪翻 隨著人們逐漸意識(shí)到非真實(shí)感圖形學(xué)中科學(xué)、醫(yī)學(xué)與技術(shù)插圖在相關(guān)領(lǐng)域的重 要性，用計(jì)算機(jī)繪制插圖成為圖形學(xué)研究的一個(gè)新方向，并取得了一定的進(jìn)展。 非真實(shí)感繪制插圖一般采用人工交互或者完全由計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制兩種方法。 d o o l e y 和c o h e n 嗍，s e l i 鯽鋤和f e i n e 一以及s a i t o 等【3 0 1 分別于1 9 9 0 年前后繪制出 了靜態(tài)的插圖圖像。s c h o f i e l d 【2 8 】于1 9 9 4 年在他的博士論文中提出的p i m e s i 系統(tǒng) 較好地結(jié)合了二維手繪方式與三維圖形繪制。s o u s a f 殳嘲等入于2 0 0 3 ，2 0 0 4 年提出 了精確筆墨繪畫系統(tǒng)，該系統(tǒng)的輸入為三維模型，繪制過程中筆劃的風(fēng)格、方向等 特征由用戶交互完成，得到了逼真的手繪素描效果。s v a k l i n e 等人于2 0 0 5 年實(shí)現(xiàn) 了基于體繪制的插圖繪制系統(tǒng)，主要用于繪制醫(yī)學(xué)圖像的插圖。g 0 0 c h 【1 】等人于1 9 9 8 年提出了用于自動(dòng)繪制技術(shù)插圖的光照模型，并對(duì)其加以改進(jìn)于1 9 9 9 年提出了基 于交互的技術(shù)插圖繪制方法【4 】。 計(jì)算機(jī)繪制非真實(shí)感科學(xué)技術(shù)插圖在醫(yī)學(xué)、機(jī)械等領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)了一些研究成 果，并將為專家學(xué)者的科學(xué)研究提供巨大的幫助。在分子生物學(xué)領(lǐng)域，目前尚未見 基于非真實(shí)感插圖繪制的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化的相關(guān)研究工作，我們認(rèn)為這將是一個(gè) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文一蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化研究 很有意義的研究方向。 1 2 3 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)計(jì)算及可視化軟件 1 ，咖( v i s u a lm o l e c l l l a rd y n a r n i c s ) 與n 舭( s c a l a b l em o l e c u l a rd y n 鋤i c s ) v m d 是美國(guó)伊利諾斯大學(xué)研究開發(fā)的分子可視化軟件，用于顯示、動(dòng)畫演示 和分析大的生物分子體系。它具有廣泛的通用性，可以讀入標(biāo)準(zhǔn)p d b 格式文件對(duì) 其中的結(jié)構(gòu)作可視化。v m d 提供了多種圖形表達(dá)可視化方式，包括點(diǎn)線表示、c p k 球棍表示、帶狀表示等。 v m d 使用o p e n g l 提供分子結(jié)構(gòu)的三維圖形顯示，對(duì)顯示的原子、鍵的數(shù)量 基本上沒有限制，提供多種顯示和著色方式，以及t c l 語言編寫的圖形和字符用戶 界面，用戶可以自己編寫程序用于分子的分析。v m d 還整合了n a m d 程序，快速 穩(wěn)定地進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)并行計(jì)算，并顯示計(jì)算結(jié)果。 n a m d 是美國(guó)伊利諾斯大學(xué)研究開發(fā)的用于在大規(guī)模并行計(jì)算桃上快速模擬 大分子體系的并行分子動(dòng)力學(xué)軟件。n a m d 采用c h a r m 經(jīng)驗(yàn)力場(chǎng)，通過數(shù)值求 解運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算原子軌跡。主要功能有：幾何優(yōu)化( 能量最小) 和分子動(dòng)力學(xué)( 郎 之萬動(dòng)力學(xué)) ；有效共軛梯度最小化；周期和非周期m d 模擬；速率重新標(biāo)度，球 邊界條件，和諧振原子限制；化學(xué)和構(gòu)象自由能計(jì)算；基于t c l 的腳本。 v m d 可在m a co s ，u n i x ，w i n d o w s 平臺(tái)上運(yùn)行，n a m d 可在w i n d o w s ， u n i x l i n u x 上運(yùn)行【3 1 1 。 2 s w i 睜p d b 呻盯 s 誦s s p d b v i e 、v e r 是一個(gè)由n i c o l 鷦g u e x 開發(fā)的可同時(shí)觀察分析多個(gè)蛋白質(zhì)結(jié) 構(gòu)的工具軟件，可與s 、i s s - m o d e l 服務(wù)器( 蛋自立體結(jié)構(gòu)構(gòu)建服務(wù)器) 連接，進(jìn)行 理論蛋白質(zhì)立體結(jié)構(gòu)構(gòu)建。s 、v i s s p d b v i e w e r 的主要功能有：通過菜單操作與直觀 的圖形，可以很容易獲得氫鍵、免度、原子距離、氨基酸突變等數(shù)據(jù)；可以將幾個(gè) 蛋白疊加起來用來分析結(jié)構(gòu)類似性，比活性位點(diǎn)或其它有關(guān)位點(diǎn)；可以調(diào)用光線跟 蹤軟件p o v r a y 軟件，生成高質(zhì)量蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)圖像，等等。 3 p e ( p r o t e i e x p l o 仲r ) p r o t e i ne x p o l r e r 是美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)( u i l i v e r s i t yo fm a s s a c h u s e n s ) 開發(fā)的觀 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文一蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化研究 察生物大分子結(jié)構(gòu)的軟件，前身為簡(jiǎn)單、易用的r a s m o l 。r 懿m o l 是讀取p d b 格 式文件顯示生物大分子三維結(jié)構(gòu)圖像的軟件，應(yīng)用很廣，可由u m x ，w i l l d o w s 及 m a c i n t o s h 平臺(tái)支持運(yùn)行。 1 3 與現(xiàn)有的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化軟件采用真實(shí)感繪制方法不同，本文基于非真實(shí)感 圖形學(xué)領(lǐng)域中科學(xué)插圖的現(xiàn)有研究成果，提出針對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化方 法，以模擬生物教科書中一直沿用的插圖效果，給學(xué)習(xí)和研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的人員提 供更清晰的結(jié)構(gòu)表達(dá)。 文章的組織結(jié)構(gòu)如下：第二章分析和比較了多種非真實(shí)感的繪制方法，并針對(duì) 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)圖形描述模型提出了相應(yīng)的繪制算法：第三章具體介紹了運(yùn)用可 編程圖形流水線的著色器實(shí)現(xiàn)非真實(shí)感繪制算法，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前人工作進(jìn)行比 較：第四章是本文工作的總結(jié)和展望。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文一蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化研究 第2 章蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化算法 本章對(duì)幾種最常用的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)圖形描述方式進(jìn)行了非真實(shí)感可視化的研究 分析，在非真實(shí)感圖形學(xué)的一些已有算法基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，分別提出了基于圖像的 球棍模型繪制、輪廓邊緣繪制、彩色插圖繪制和基于筆劃風(fēng)格的插圖繪制四種繪制 算法。 2 1 基于圈像的繪制算法 在過去的十余年中，基于圖像的繪制( i m a g e b a s e dr e n 刪n g ，i b r ) 已經(jīng)自成一 派，發(fā)展成為一種繪制典范。用圖像表示物體的最大好處在于繪制量與所要繪制的 像素?cái)?shù)量( 而不是幾何模型中的頂點(diǎn)數(shù)) 成正比，因此使用i b r 是繪制模型的種有 效途徑。 2 1 1 基于瑚l b 帽r d 和m p 地叩r i t e 的繪制原理 根據(jù)觀察方向來確定多邊形方向的技術(shù)叫做布告板技術(shù)( b i l l b o a r d i n g ) ，精靈 ( s p f i t e ) 是一種最簡(jiǎn)單的i b r 單元，它是一幅可以在屏幕上運(yùn)動(dòng)的圖像【3 9 1 。如果對(duì) s p r i t e 紋理加一個(gè)深度分量，就會(huì)得到一個(gè)稱為深度精靈( d 印t hs 叫t e s ) 的相關(guān)繪制 圖元。這樣的紋理圖像就是對(duì)每個(gè)像素增加了一個(gè)4 參數(shù)的r g b 圖像，從而形成 一個(gè)r g b 4 的紋理，其中d 存儲(chǔ)著從d e p t l ls 州t c 多邊形到d e p t l ls 蛐t e 所表示的正 確幾何深度之間的偏差值。d e p t l ls 州t e 包含了局部化的深度信息，因此可以生成 具有正確的可見性的場(chǎng)景。 2 1 2 球棍l h 6 c k ) 模壁與w 模型繪箭 我們用一張對(duì)齊屏幕的二維b i l l b o a r d 來繪制每一個(gè)球形原子。我們從生物學(xué)教 科書上的手繪插圖中抽取表示原子的紋理圖像用于繪制b i l l b o a r d 四邊形，并把一幅 球的深度圖作為d 印t l ls p r i t e ，如圖2 1 。d e p t l ls 州t e 包含局部化的深度信息，可以 1 4 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文一蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化研究 用來避免可見性問題，并可以在可編程圖形流水線的像素著色器中改變每個(gè)像素的 z 深度值來實(shí)現(xiàn)，圖2 2 顯示了是否使用d e p t hs p r i 把和b i n b o a r d 相結(jié)合所繪制結(jié)果 的區(qū)別。 ( a )( b ) 圖2 1 ( a ) 從生物教科書中截取的紋理( b ) 作為深度精靈的深度圖 ( a )( b ) 圖2 2 ( a ) 僅用二維布告板繪制原子( b ) d e p 山州t e 和b i l l b o a r d 相結(jié)合繪制原子 可見，在原子的繪制中，運(yùn)用d 印t l ls p r i t e 得到了正確的遮擋可見性。 對(duì)于表示原子間化學(xué)鍵的圓柱體，我們同樣采用b i l l b o a r d 的形式，通過化學(xué)鍵 所連接的兩個(gè)原子的球心位置和半徑計(jì)算出表示圓柱的b i l l b o a r d 的四邊形頂點(diǎn)位 置( 如圖2 _ 3 所示) 。 y ， e 粥吖 ( a ) ( b ) 圖2 3 圓柱b i j l b o a r d 的位置計(jì)算( a ) 用圓柱體表示連接兩個(gè)原子的化學(xué)鍵( b ) 圓柱b j l l b o a r d 始終朝向視點(diǎn) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文一蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化研究 因?yàn)榛趫D像的繪制大大減少了模型頂點(diǎn)個(gè)數(shù)，我們?cè)趯?duì)于復(fù)雜蛋白質(zhì)大分子 的繪制時(shí)不僅獲得了類似插圖的效果，也達(dá)到了實(shí)時(shí)交互系統(tǒng)的速度要求( 如圖 2 4 ) 。 ( a ) 3 5 幣s( b ) 2 3 審s 圖2 4 基于圖像的繪制效果( a ) 蛋白質(zhì)l c m 的球棍模型表示( b ) 蛋白質(zhì)1r l l 2 n 的v d w 模型表示 2 2 輪廓邊緣繪制算法 2 2 1 基本原理 物體的輪廓邊緣繪制是非真實(shí)感圖形學(xué)，尤其是插圖繪制中非常重要的一個(gè)組 成部分。可以將相關(guān)的繪制算法大致分類為：基于表面角度的方法。基于過程幾何 的方法、基于圖像處理的方法、基于向量邊緣檢測(cè)的方法或者這些方法的混合。 在插圖繪制中，會(huì)用到多種不同類型的邊緣【3 9 】： 分界線( b o u i l d a r y ) 或者邊界線邊緣( b o r d e re d g e ) ：即不為任何兩個(gè)多邊形 所共享的邊緣。比如一張紙的邊緣。一個(gè)完全填充的物體通常不存在分界 線。 折縫邊緣( c r e 嬲e ) ：即為兩個(gè)多邊形所共享的邊緣，而且這兩個(gè)多邊形之間 的夾角( 稱為兩面角： d i h e d f a la n 出e ) 要大于某個(gè)預(yù)先定義的值。折縫 邊緣就是兩個(gè)鄰近頂點(diǎn)法線方向不一致的相鄰多邊形之交界。 當(dāng)兩個(gè)有公共邊的三角形具有不同材質(zhì)的時(shí)候，就會(huì)在著色效果上有一定 1 6 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文一蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化研究 的變化，從而出現(xiàn)材質(zhì)邊緣( m a t e r i a le d g e ) 。 輪廓邊緣( s i l h o u e t t ee d g e ) ：即與某個(gè)方向向量相比，相鄰的兩個(gè)三角形具 有不同的朝向。 對(duì)于非真實(shí)感中的插圖繪制，用來定義輪廓邊緣的方向是從眼睛到這條邊緣上 某個(gè)點(diǎn)之間的向量。 基于表面角輪廓的方法使用視點(diǎn)方向和表面法線之間的點(diǎn)乘來獲取輪廓邊緣。 令e ( “，v ) 為視線方向，p ( ”，v ) 表示模型上的點(diǎn)，( 地v ) 是頂點(diǎn)的法向。如果 e ( “，v ) ( “，v ) 的結(jié)果接近于零，那么點(diǎn)伊( “，v ) 很有可能接近輪廓邊緣。這種方法 相當(dāng)于用一個(gè)邊緣為黑色圓環(huán)的環(huán)境圖( e n v j r o i 蛐e n tm 印，e m ) 對(duì)物體表面進(jìn)行著 色處理。這種技術(shù)可以非常快地繪制出物體的輪廓，但隨著表面曲率的不同，繪制 出的輪廓線寬度也會(huì)有所不同。 過程幾何輪廓繪制的基本思想是首先繪制正向表面，然后繪制背向表面，使得 輪廓邊緣可見。有許多方法可以用來繪制背向表面，如僅僅繪制出背向表面的邊界 線，使用偏置或者其它技術(shù)使得這些線條恰好位于正向表面前面，或?qū)⒈诚虮砻姹?身繪制成黑色，再將這些背向表面沿屏幕z 方向向前移動(dòng)，這樣只有背向表面的 三角形邊緣是可見的。所有這些方法的一個(gè)共同問題是：使用它們創(chuàng)建的線條寬度 并不均勻。 s a i t o 和詘a l l a s h i 【3 0 】首先引入了通過圖像處理生成輪廓的概念，而d e c a u d i n 【2 習(xí) 對(duì)這種概念進(jìn)行了改進(jìn)。這種方法的基本思想是將圖像處理技術(shù)應(yīng)用于各種各樣的 緩沖器信息來生成輪廓。通過尋找相鄰z 緩沖器數(shù)值的不連續(xù)性和鄰接表面法線向 量的不連續(xù)性可以確定出輪廓線邊緣的位置。 c a r d 和m i t c b e l l 川以實(shí)時(shí)方式實(shí)現(xiàn)了這些圖像處理方法。首先使用頂點(diǎn)著色器 將世界空間的法線向量和場(chǎng)景的z 深度值繪制到紋理中，把法線向量寫入顏色通 道，z 深度值作為a i p h a 通道。然后在像素著色器中對(duì)同一個(gè)紋理采樣8 次，再使 用一個(gè)s o b e l 邊緣檢測(cè)濾波器進(jìn)行處理?，F(xiàn)有的功能強(qiáng)大的像素著色器硬件可以很 好的支持這種方法，繪制出寬度均勻的輪廓。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文一蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化研究 2 2 2 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的輪摩線繪嗣與反走樣技術(shù) 我們的蛋白質(zhì)分予結(jié)構(gòu)非真實(shí)感可視化系統(tǒng)采用基于圖像處理的算法實(shí)時(shí)繪 制蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)清晰的邊緣輪廓，有以下兩點(diǎn)原因： 1 表面角輪廓和基于過程幾何的方法繪制出的輪廓線條寬度都不均勻，而生 物學(xué)插圖中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的輪廓線是光滑且均勻的，基于圖像處理的算法可 以很好地生成均勻的輪廓線。 2 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)通常非常復(fù)雜，基于圖像處理的輪廓線繪制算法在第一遍繪制 法向圖之后的圖像處理過程只和最終顯示的像素?cái)?shù)量有關(guān)，與模型的頂點(diǎn) 數(shù)無關(guān)，在圖形硬件高速發(fā)展的今天，這一方法可以很好地利用可編程圖 形流水線中的著色器，高效地繪制復(fù)雜模型的邊緣輪廓線。 t ” ( b )( c ) 圖2 5 蛋白質(zhì)帶狀模型輪廓線繪制( a ) 頂點(diǎn)法向圖( ”直接輪廓線圖( c ) 處理后輪廓線圈 以帶狀b b o n ) 模型為例，首先我們繪制頂點(diǎn)法向圖，并將深度值寫入a 1 d h a 通 道，見圖2 5 ( a ) 。假設(shè)得到的紋理圖中p 點(diǎn)的深度值( a l p h a ) 為p 玩，則p 點(diǎn)周圍8 個(gè)鄰接點(diǎn)的深度值分別為、p d o ，、餓：、p d l 。、p d l ：、p d 2 。、p d 2 。、嘎：， 如圖2 6 所示。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文一蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的非真實(shí)感可視化研究 通過s o b e l 算子可以檢測(cè)出圖像中深度值發(fā)生突變的點(diǎn)，我們認(rèn)為這些點(diǎn)位于 物體的輪廓邊緣線上。令p 點(diǎn)處x 方向深度變化值為4 矗r ，y 方向深度變化值為 塒y ，則根據(jù)s o b c l 算子有式2 1 和2 2 ： 鍛= p d 孫+ 2 x p d 坤+ p d 2 0 p 毋弛一2 p d l 2 一尸d 2 2 硝】，= p 日叼+ 2 p 島+ p d 0 2 一p d h 一2 p d 2 1 一j 尸_ d 2 2 綜合z 方向和y 方向的深度值之差我們得到： d d = 4 正r 2 + 4 d y 2 則戶點(diǎn)處像素顏色圪。，。滿足下式： 協(xié)l k h 2 1 w 婦 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ! 篁：0 ( 2 4 ) 諺d d t h ，d 、： 式中三k 。為預(yù)先設(shè)定的闞值。 同樣我們對(duì)法向深度圖( 圖2 5 ( a ) ) 中的法向值也進(jìn)行濾波，獲得場(chǎng)景中法向 值突變的點(diǎn)，這些點(diǎn)位于折縫邊緣上。令p 點(diǎn)處的法向值為尸虬，則p i 、，、 p ，、p 。分別為p 點(diǎn)上、下、左、右四個(gè)鄰接像素點(diǎn)的法向值。我們由式2 5 ，2 。6 分別算出尸點(diǎn)周圍j 方向和y 方向的法向差值4 ，和出y ，再由式2 7 計(jì)算出j p 點(diǎn) 處