用VMD的环境光遮蔽(AO)技术渲染电影级分子轨道和视频

ggdh

一、简介
环境光遮蔽（Ambient Occlusion），简称“AO”，是一种非常复杂的光照技术，通过计算光线在物体上的折射和吸收，在受影响的位置上渲染出适当的阴影，添加渲染深度，从而进一步丰富标准光照渲染器的效果，综合改善细节尤其是暗部阴影，增强空间的层次感、真实感，同时加强和改善画面明暗对比，增强画面的艺术性。集成了本帖中轨道风格的更方

集成了本帖中轨道风格的更方便的渲染手段见使用vmd批量渲染cube文件的tcl脚本vcube

二、使用vmd渲染带AO效果轨道图
首先参考sob的帖子
使用Multiwfn+VMD快速绘制高质量分子轨道等值面图
用VMD绘制艺术级轨道等值面图的方法
在VMD里使用环境光遮蔽改进渲染效果
在第二个博文中，先按sob教的方法操作，最后渲染图片之前按把分子和轨道按第三个帖子的方法操作，如下图所示


然后把分子和轨道的材质选成AO开头的比如AOShiny。这种材质是专为AO优化的，如果用别的材质，可能需要自己慢慢调试材质参数和AO参数。这里需要指出，AO渲染的一个问题就是没有所见所得，也就是在vmd窗口中观察到的和实际渲染的效果差别很大，所以调节参数后，必须要产生图片才能知道最终结果。
最后渲染的时候一定要用Tychon 或者Tychon Internal，只有这两个渲染器支持AO。
得到的轨道效果如下，和sob的艺术级轨道比，另有一番风味，就叫电影级好了

关于背景虚化的一点说明：
虚化时候，把aasamples 调大，比如到1000，而把aosamples调小，比如调到1，景深越小，虚化越强，而焦距需要自己慢慢试，网上好像有TCl脚本可以算的，但是就不在此文范围了。
另外可以参考yuanhe的VMD + POV-Ray 实现焦点虚化的辅助程序

三、使用vmd 的 GPU-accelerated TachyonL-OptiX制作AO渲染视频
带AO效果的图渲染起来比较慢，如果是对较大体系做渲染，并且视频需要很多帧，那么就要启动GPU加速的TachyonL-OptiX渲染方法了。
首先用vmd做视频的方法先参考sob的博文：
用VMD做太极拳动画
VMD制作体系旋转演示播放轨迹的gif动画的简单方法
通过键级曲线和ELF/LOL/RDG等值面动画研究化学反应过程
我们就以第三篇博文中“5.制作LOL等值面图变化的动画”为例，介绍如何制作带AO效果的视频
前提条件：
1.LINUX系统(不需要图形界面）（必须使用LINUX系统，因为windows版本的vmd没有这个功能）
2.安装了CUDA 8.0以上版本
3.安装了带OpitX的vmd版本，比如我用的版本是：vmd-1.9.3.bin.LINUXAMD64-CUDA8-OptiX4-OSPRay111p1.opengl.tar.gz（其中OptiX是使用CUDA加速渲染的技术，而OSPRay是Intel Phi加速渲染的技术）
4.安装图片处理工具Imagemagick或者视频处理工具ffmpeg。
正式开始：
前面一路按照sob的方法操作（详见通过键级曲线和ELF/LOL/RDG等值面动画研究化学反应过程），然后把vmd脚本isoall.tcl改一下，其中改动的地方我添加注释如下：
color Display Background white
set isoval 0.6
display depthcue off
display projection Orthographic
axes location Off
display shadows on                                                        #打开阴影                           
display ambientocclusion on                                            #打开ao
render aasamples TachyonLOptiXInternal 24                     #设置抗锯齿强度，越大越平滑，但是渲染就越慢
render aosamples TachyonLOptiXInternal 24                     #设置ao取样大小，这个参数和上面的抗锯齿强度相乘决定了渲染一个图片的速度
for {set i 1} {$i<=60} {incr i} {
set name [format %04d $i]
puts "Processing $name.cub..."
mol default style CPK
mol new $name.cub
scale to 0.4
rotate x by -45
translate by 0.000000 0.20000 0.000000
mol modstyle 0 top CPK 0.500000 0.300000 12.000000 10.000000
color change rgb 10 0.4500000 0.4500000 0.4510000
mol modmaterial 0 top AOChalky                                      #分子材料改为AOChalky
mol addrep top
mol modstyle 1 top Isosurface $isoval 0 0 0 1 1
mol modmaterial 1 top AOShiny                                        #表面材料改为AOShiny
mol modcolor 1 top ColorID 12
#render snapshot $name.bmp
render TachyonLOptiXInternal $name.tga                           #把直接截图改成使用 TachyonLOptiXInternal 渲染                           
mol delete top
}
使用命令：

1. vmd -dispdev text -e isoall.tcl -eofexit  

复制代码

批量产生图片。注意这里不需要启动vmd的图形界面，因此可以远程登陆linux系统进行该操作。
然后使用命令：

1. convert *.tga -delay 20 -loop 0 movie.gif

复制代码

将所有的tga文件转成gif动画
或者使用命令：

1. ffmpeg -framerate 15 -pattern_type glob -i "*.png"  -c:v libx264 -pix_fmt yuv420p movie.mp4

复制代码

做成H.264视频，最后效果如下，这里受限于gif的256色，效果打了折扣


四、使用AO+TachyonL-OptiX制作动力学轨迹动画
下面附上一段把动力学轨迹中的每一帧使用ao+TachyonL-OptiX渲染成图片的tcl脚本。这个脚本不能直接用。关键地方我都写上注释，使用时需根据自己的实际情况修改。
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mol new {1.gro} type {gro}                                        #这里读入gromcs轨迹
mol addfile {1.trr} type {trr} waitfor all                        #读入轨迹时一定要加waitfor all 否则轨迹每读完就执行后面的命令会出错
###下面绿色的部分是分子样式的设置，根据自己的喜好修改
display resize 1280 720                                              #最后产生图片的尺寸，这里如果像第三部分中那样使用非gui模式的vmd，可以把display的尺寸设置的比实际屏幕大
color Display Background white
display projection Orthographic
display depthcue off
axes location Off
display resetview
rotate x by 90.000000
translate by 0.0 0.5 0.0
mol modselect 0 0 all not resname AAA
mol modmaterial 0 0 Transparent
material change opacity Transparent 0.100000
mol modstyle 0 0 DynamicBonds 1.6 0.200000 30.000000
mol modcolor 0 0 ResName
color Resname BBB silver
color Resname CCC silver
mol addrep 0
mol modselect 1 0 resname AAA
mol modcolor 1 0 Name
mol modstyle 1 0 VDW 0.900000 30.000000
mol modmaterial 1 0 AOShiny
color change rgb 10 0.4500000 0.4500000 0.4510000
###下面红色的部分是开启ao以及ao的参数设置，渲染的速度和需要渲染的分子数量，两个参数的乘积越，以及屏幕分辨率有关
display shadows on
display ambientocclusion on
render aasamples TachyonLOptiXInternal 12
render aosamples TachyonLOptiXInternal 2
###下面的蓝色部分是逐帧渲染的函数
proc make_movie {} {
    set num [molinfo top get numframes]
    # loop through the frames
    for {set i 1} {$i < $num} {incr i} {
        # go to the given frame
        set filename [format "%05d" $i].tga          #这里%05d 的意思就是输出图片的名称是00001.tga，00002tga。。。
        animate goto $i
        display update
        render TachyonLOptiXInternal $filename
        }
}
make_movie              #最后调用函数开始逐帧渲染
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渲染完成后，可以使用imagemagick中的mogrify 命令批量修改图片
使用ffmpeg 命令把图片合并成视频文件
使用premiere 后处理视频文件。。

smutao

蚕豆画的真好