分子图形软件MOL4D（1）总体介绍

分子图形软件MOL4D总体介绍

（链接未加）

　 MOL4D是一系列分子图形软件的总称，包括 MOL4D、MOL4DE、MOL4DP、MOL4DF、RIBBONS、IMGSHOW、ANIGEN、ANIMATE、CONVERT，及其它模块，现分别介绍如下：



一.MOL4D 和 MOL4DE:

　　MOL4D 是分子图形软件最基本的一个模块，MOL4DE 是 MOL4D的增强，它们一起用来研究大小分子（如药物分子、蛋白质分子）的几何、拓扑结构和物理属性。为此，模块提供了多种造型工具，用来生成分子的各种几何模型和物理模型；提供了各种分析和检测手段，用于分子的几何与物理参数的检测和统计；此外，作为一个图形软件，还包含各种必需的辅助功能，如输入和输出、图形的放大或缩小，转动角度和移动位置，改变透视率，编辑、帮助等，现分别一一介绍如下。
1. 分子的几何模型:

　　MOL4D -- 提供杆状，球状，球棒状，点球状等模型。

　　[1] MOL4D的杆状模型（Stick model）有二种，一种是单线模型( STICK-1模型 )，原子间的价键连接用一单色或彩色细线段表示，也叫骨架模型（skeleton
model）。因画线很简单，这种模型能快速实时转动或放大缩小，故可用来作分子的结构分析，进行参数检测，或为产生分子的高级模型选取合适视角与尺寸；为了识别原子，原子位置上自动添加了小色点，也可加注原子名和编号。

　　[2] 另一种是双杆模型（STICK-2模型），一个价键被分成二段，且用圆柱体来表示各段；能根据所连原子种类使用不同颜色，从而根据线段颜色即可辨认原子类型。

　　本模型以及MOL4D以下所列的其他模型， 都可在深度方向设定一亮度的相对变化范围，使处于不同深度的物体（原子或价键）具有不同的亮度，( 近的亮远的暗 )，这样整个分子就能产生明显的立体感。

　　[3] MOL4D的球状模型：用着色的 ( rendered ) 球体表示原子， 采用单光源 ( 平行白光 ) 光照模型，球的质地大体象木材或塑料，没有镜面反射。 本模型也有二种类型。 一种把球体作为不可嵌入的物体，所有原子用深度优先法处理消隐问题。 这种模型显示速度快，可用于用共价半径表示原子的分子模型中; 另一种则是有嵌入消隐功能的球状模型， 即所谓的CPK模型，
可用来产生用任意大半径表示原子的分子模型。

　　[4] MOL4D的球棒模型分别用涂色的球体和园柱体表示原子和键，这种模型类似于用塑料球塑料棒搭成的实物模型，但在MOL4D下，球棒颜色、球的大小、棒的粗细都可用Option命令随意设置、改变，因而要灵活和方便得多。

　　[5] MOL4D的点球模型用大小色彩不同而分布密度大体一致的点球来表示各种原子.处于球体背部或相互嵌入部分的点已被消隐，但在深度方向则未作消隐，因而一个分子前前后后的所有原子都是可见的。
　　MOL4DE - 提供杆状模型、CPK模型、点球模型、网格球模型以及它们的混合和叠加。

MOL4DE所有模型都以Z缓冲法来实现各种线、面的消隐，和MOL4D相比，完成同样的模型速度较慢，但质量较高，色彩丰富（见MOL4DE的CPK模型），隐藏线和隐藏面的消去可靠。用来逼近球面的平面块可以用三角形，也可以用由经纬线划分的四边形，以下仅对网格球模型作进一步说明，其余模型均与MOL4D产生的形状相同。
　　[6] 网格线球状模型在显示屏上看起来和大面积涂色的球状模型一样立体感，因为也经过光照处理，前者的一个明显优点是可用普通打印机方便地打印出来，成为一般刊物(无彩色)可发表的现成插图.
实际上，本模型就是根据用户提出的要求专门研制出来的.(顺便说一句：我们可以为用户添加任何需要的模型或其他功能，这也是使用自主开发软件的优点。)
2. 分子的物理模型:

　　物理模型包括表面电势模型、分子极性模型、电子密度模型三种。

　　[1] 表面电势模型:

　　表面电势模型有两种形式，一种是点球来代表原子，另一种是填色球来代表原子。

　　点球状表面电势模型用红兰二种色点分别代表分子表面某点的负正极性，用点的密度与亮度一起来表示电势的强度，MOL4D与MOL4DE都提供了这一功能，二者差别在于前者没有深度消隐，前面的球(原子)不会遮住后面的球(原子)，使前前后后的原子都能看见；后者带有深度消隐，前面的球(原子)能遮住后面的球(原子)。

　　大面积填充的表面电势模型同样用红兰二种颜色来分别代表分子表面某点的负正极性，表示电势的强度则用颜色的深浅来表示。只有MOL4DE提供了这一功能。

　　[2] 分子极性模型:

在彩色点球模型基础上迭加显示分子的电偶极矩.增强型模块MOL4DE提供了这一功能；利用这一模型可立即看出一个分子是否极性分子，当为极性分子时则可定量地确定极点的位置和极性的大小。

　　[3] 电子密度模型:

这是模拟电子密度投影图(参看[2])而得到的一种模型。增强型模块MOL4DE提供了这一功能。

3. 图形变换功能:

　　 基本模块MOL4D能实行放大、平移、旋转、透视、等图形的显示变换（显示变换利用了分子数据文件，但变换后数据或留内存或送新的磁盘文件，不会改变原来文件），也能实行对原始文件进行修改（覆盖）的数据变换，但仅限于将原子距离等比例拉长、缩短，这一功能在实现单位变换时用到。在MOL4D系列中，能对原始数据进行修改的还有MOL4DF及ORTHOGON（详后），未来要开发的能量优化软件也将对原始坐标数据进行很大的改动。至于MOL4DE，因它利用MOL4D的输出文件来造型，故不实行放大、平移、旋转、透视等操作。
4. 参数检测功能:

　　MOL4D能用交互方式检测分子每个组成部分的细节，包括每个原子的名称和空间坐标，两相邻原子之间的距离（链长），两个相关联的价键之间的夹角（键角），和两个相关联的面之间的夹角（两面角，详见使用说明），等参数。
5. 统计查询功能:

　　MOL4D能进行诸如分子大小，原子总数，键的总数，原子分类，每个原子相关联的键的数目等的统计和查询。
6. MOL4D的其他功能:

　　＊MPC 库的显示 -- 这是文献[3]提供的一组数据文件，MOL4D能用Stick模型或Ball-Stick显示它们， 详见以下系统运行环境中的说明。

　　＊坐标转换功能 -- 将晶体坐标系转换成直角坐标系; 详见以下软件清单有关Convert.exe功能的说明。

　　＊单位选择功能 -- 可用Bohr和Angstrom 两种长度单位。

　　＊文本编辑功能 -- 可直接用来编辑分子/晶体的数据文件。

　　＊错误检测功能 -- 能查出数据文件的某些错误，如原子相连接的键的数目太多或太少。

　　＊建库操作功能 -- 可把用户编好的数据文件集中在一个目录下，或打开已建立的目录，调用、插入、删除文件等。

　　＊辅助显示功能 -- 如选择模型前景或背景颜色，标注分子名称或原子类型和编号，等等。

　　＊HARDCOPY功能 -- 部分模型可以在黑白打印机上 HARD COPY。

　　＊联机帮助功能 -- 我们把汉字库平时放在显存中，使帮助文档资料的显示速度很快，同时又不占用其它内存。这在90年代初容量只有1-4M的内存时具有可观价值（DEMO一下就知道）。

　　＊其他辅助功能 。
二. MOL4DP:

　　MOL4DP是专门为研究蛋白质而设计的分子图形软件，它在MOL4D的基础之上，再加以下功能：

　　1. 为适应蛋白质分子的需要，最大可显示包含6000个原子的分子；

　　2. 能够从仅含几何参数(原子坐标)的分子数据文件中，提取出蛋白质的高级结构，包括提取主链，提取氨基酸序列和Alpha螺旋，等。

　　3. 为这些高级结构产生初步的显示模型。

　　4. 将这些高级结构用适当的数据结构表示，将它们输出为各种文件，让MOL4D系列中的蛋白质专用造型软件(Ribbons.exe，见下)为他们进行高级的造型。
三. MOL4DF（也称FULED,富勒烯编辑器）:

　　MOL4DF是专为编辑富勒烯分子设计的分子图形软件，它在MOL4D的基础之上，再加下列的功能：

　　1. 和MOL4DP一样，MOL4DF可显示的最大分子可包含6000个原子。

　　2. 能求富勒烯分子的对偶结构，并将对偶结构进行细分、再求细分的对偶，再作伸扩，就成新的富勒烯。用这样四步就可以从一种富勒烯分子出发，形成一批（无穷个）富勒烯分子。例如，从C60出发，可形成C240、C540、C960、C1500、C2160、C2440,等等，也就是包含60n2(n=2,3,4...)个碳原子的无穷个富勒烯分子。

　　[注] 我们编写了几个小程序，用来设计一些小富勒烯分子；再利用MOL4DF的上述方法，设计出更多的富勒烯分子。由此就创建成一个总数达200个以上分子的富勒烯数据库，其中最大的富勒烯分子是C6000（限制在6000，这仅仅是为了用MOL4D来观看，否则可以产生更多）。

四. RIBBONS:

　　RIBBONS是专为蛋白质高级结构进行造型的分子图形软件，它能提供十种模型：

　　[0] 折线卡通模型：主链用一条折线表示；能供黑白打印机上打印；

　　[1] 折纸式带状模型：主链用一条折纸代表；能供黑白打印机上打印；

　　[2] 双色带状模型：带的正反两面颜色不同，后画的部分总是复盖先画部分。速度快；

　　[3 ]面消隐双色带状模型：双色，有正确消隐，即离观察者近的段复盖离观察者远的段；

　　[4] 曲线卡通带状模型：主链（折线）已用Beizier法光滑成曲线；

　　[5] 坦克链式带状模型：在黑白打印机上打印出来时图形很漂亮；

　　[6] 光滑曲线带状模型：主链已光滑成曲线，且带用一束线来表示；

　　[7] 彩色卡通带状模型：主链未光滑，带为折纸式的带；

　　[8] 光滑单面带状模型：主链已光滑成曲线，带的边缘用了不同颜色；

　　[9] 光滑圆筒形带状模型：主链已光滑成曲线，且带由一圆球滚动形成；

　　[说明]

　　＊ RIBBONS造型所需的文件由MOL4DP产生，以CHN为后缀，代表是一个链（CHAIN）；

　　＊ RIBBONS所产生的各种不同造型都是带状的，但带的形状不同；

　　＊ 所谓卡通模型，就是主链中的alpha螺旋已用一圆柱来抽象表示的带状模型；

　　＊ 带状模型中有的用单色线条表示，如[0]，[11]，[5]，可用单色图形打印机打印，其余的都需要彩色喷墨打印机打印；

　　＊ 所有模型都可在屏幕上单个显示，也可组成 Sterio Pair（体视对）的形式成双输出。观察后者最好能用体视镜（Sterio
Scope），凭肉眼要费很大力气才能显现出立体感来。

五. IMGSHOW:

　　专门用来观察由MOL4D系列软件产生的分子图形，使你不进入MOL4D也能看分子图形；

六. ANIGEN:

　　一个可独立使用的生成动画文件的软件，它专门用来压缩由MOL4D产生的一组（如20个~40个）分子图形数据（图像文件），压缩后的文件用ANIMATE软件读入显示时就成为分子动画。压缩前每一个文件构成动画的一帧，但动画文件总的数据比几十个图像文件要少得多。

七. ANIMATE:

　　一个独立的专门用来观察由MOL4D和ANIGEN一起产生的分子动画（但MOL4D也能直接观看到分子动画）；

八. CONVERT:

　　用来将MOL4D产生的、以IMG为后缀的、专用的图像格式文件转换成BMP、JPG、GIF、WMF等广泛使用的图像格式文件，以便让其它软件也能观看或在Internet上传输。IMG文件实际就是从显示内存（Video ram）直接读出来的数据，所以又叫VRM文件，只是头上增加的图像的宽和高两个参数。另外，每个文件都配以一个文件名与IMG文件相同、后缀为PAL的调色板文件。我们所以把调色板数据与显示内存数据分开，而不像BMP文件那样合放在一起，是因为在MOL4D显示的分子图形都用一种公共的调色板，MOL4D本身读入自己所保存的图像文件时无需使用调色板文件，这样速度可以提高，特别是制作和观察动画文件时这更重要（调色板数据只写或读一次）。

九. 其他辅助应用软件及其功能:

　　GRFSHOW：MOL4D的输出造型不仅可以用图像格式文件来保存，也可用特殊的后缀为GRF的图形格式文件来保存，这样可使文件的的尺寸小得多得多（只有图像文件的几十到几百分之一）。在MOL4D系列软件中的GRFSHOW软件能直接打开这样的GRF文件而显示分子的图形。

　　ORTHOGON：有的分子数据文件不采用笛卡尔直角坐标系来表示原子的空间位置，而用晶体坐标（一种仿射坐标系）来表示，而MOL4D只能接收直角坐标，所以必须先用ORTHOGON进行坐标系统转换，将仿射坐标系改成笛卡尔直角坐标系，然后再用MOL4D造型。

　　ENT2DAT：用来从ENT格式或PDB格式文件（蛋白质数据库使用一种文件）提取出MOL4D能所需的坐标数据，而滤去其他数据，因MOL4D的DAT格式文件只需每个原子的x,y,z坐标就够了。

　　CATCH256：一个TSR(内存驻留)程序，用来截获MOL4D系列屏幕上显示的图像。当按PrintScreen键时生成VRM(Video RAM)及PAL(Palette)为后缀的两个独立文件。MOL4D系列软件工作时，无法利用Windows的剪辑板来截取屏幕显示图像，Windows剪辑板对DOS软件，只能截取用标准VGA模式（16色）显示的屏幕图像。这一软件并非必要，MOL4D系列所有能自己形成图像的软件都带有屏幕图像的输出功能，但利用CATCH256输出速度快（手续简单）。
十.
MOL4D开发历史

1985：学校（复旦）化20多万美元为电子工程系从加拿大DIPIX公司转手买来美国DEC公司的VAX750小型机和配套的VMS虚拟存储操作系统（当时根据“巴统”规定，好像还不能从美国直接出口到中国此类高科技产品）。此机器有许多终端，且日夜工作。电子工程系在VAX/VMS上研制“LSI剖析系统”（或叫“大规模集成电路逆向设计系统”），不是很忙，所以机器也允许外系甚至外单位的人在一些终端上分时使用，当时有生物系的教师到VAX机房来搞抗癌增敏药物的研究，应他们的要求，我用FORTRAN语言，通过日夜奋战，很快开发出了一个分子图形显示软件，能产生分子的stick模型，Ball模型、Doted
Ball模型，以及Ball-Stick模型，起名MOL3D，这就是后来在微机上开发的MOL4D的前身。当时所用显示器是Jupiter-7，这是一个19英寸1024*768高分辨率、256色、内置6502微处理器、带有RAM和ROM的显示终端。它有100多条固化命令，8个色彩平面，它的CLUT中RGB是8位。在开发的MOL3D时，我充分利用了它的许多图形功能，得到到了很理想的图形质量，也有较高的绘制速度，显示的分子模型十分精美，我利用MOL3D的输出图形开发了一个
DEMO 程序让人们观摩，得到来我校参观的领导、外宾、同行们的一致好评。MOL3D在VAX机上一直保留到90年代初VAX机淘汰为止。
1989：我化了几年积蓄购买了BOY机（一种最低级的IBM微机，价3350元），从此晚上可以不去机房也能上机编程了！我在BOY机上熟悉微机DOS操作系统，及用GW-BASIC，TurboC,
Turbo Pascal等语言进行（单色）图形编程。当时的BOY机只有256k内存，没有硬盘，只有容量为365M的软盘，许多大一点的软件在其上都调度不过来，我虽买到Turbo C,
但几乎无法使用：编译一次软盘要从驱动器中插进拔出、插进拔出，...来回十多遍！而用TP3（Turbo
Pascal 3.0）编译，软盘插拔一次就能通过，且编译很快，我从此爱上了Pascal语言及后来的Delphi，而不是Turbo C或微软的 Quick C. BOY机内存太小，我后来利用赴北大开会机会，去中关村北方电脑公司（销售BOY机的总部）再买来了OKI公司产256k内存，竟不能存储信息十分钟以上！我也想购买一个硬盘，以提高工作速度，编写大一点的程序，但去五角场朝阳百货商店一看，40M硬盘竟要4000元，比一台BOY机还贵，没有买成。

1991-1993：在IBM386上，用Turbo C、Turbo Pascal语言开发TVGA8900 256色显卡的功能，完成TVGA256色底层软件的开发，及把MOL3D移植到386上，（因增加了分子动画的功能，故名MOL4D）。MOL4D在94年初参加全国高校
优秀软件评比，获一等奖。这一段时间也是不分日夜工作的，开始是在力学专业的386上工作的，因为学校里只有他们实验室有386，当时正值暑假，我与力学专业朱士灿不分昼夜一起在他们的实验室研究TVGA8900的底层功能。

1994-1996：用很快速度先后完成了MOL4D的各种增强型版本MOL4DE（一般性增强）、MOL4DP（为研究蛋白质专用）、MOL4DF（为研究富勒烯专用）的开发。开发RINNONS蛋白质专用造型软件。并开始熟悉IBM微机的VESA显示标准，将TVGA256色底层软件大部改成VESA标准。
2001-2005：Trident公司的TVGA系列显卡（8900、9750等）几近淘汰，为避免因显卡不能用的灾难，我将MOL4D基本型改用VESA标准，但各种增强型MOL4D都未改动。
2006-2010：将DOS版用BP7开发的MOL4D移植到Windows下用Delphi下。

十一.
获得荣誉：
本软件1994年在全国高校软件评比时获1等奖（最高级奖），评比未分名次，但分组讨论时均被排在第一。还获有其它全国奖状，并得到国外亲睐，并邀请我去英国剑桥参加国际生物图形中心（International
Biographical Center）的专业会议，并先后发来许多信要把我收集进剑桥世界名人录里面去。我都未加理睬，事实上，我没有任何经费，当时我的基本工资还不到200元。

附录：MOL4D使用说明书（1994年）
（在GGDN中）