在VMD里将cube文件瞬间绘制成效果极佳的等值面图的方法

在VMD里将cube文件瞬间绘制成效果极佳的等值面图的方法

文/Sobereva@北京科音  2019-May-21


1 前言

Multiwfn(http://sobereva.com/multiwfn)是产生量子化学研究和波函数分析中用到的各种格点数据最方便也最强大的工具,可以在自带的界面里直接显示出等值面,也可以把数据导出成cube文件从而在免费的VMD程序(http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/)里绘制出效果更好的图像。不了解cube文件者请参看《Gaussian型cube文件简介及读、写方法和简单应用》(http://sobereva.com/125)。笔者感到每次给初学者解释怎么在VMD里操作显示出等值面特别费劲、费事。笔者之前写过一篇文章《用VMD绘制艺术级轨道等值面图的方法》(http://sobereva.com/449),里面介绍了一种利用自编的VMD脚本超级方便地绘制出效果绝赞的轨道等值面图的做法。于是笔者想到,不如干脆写一个脚本,从而对于任意类型的cube文件都可以敲几下键盘就能瞬间在VMD里画出极好的等值面图。本文就介绍一下这个脚本,我深信这个脚本会有极高的实用价值(相比之下,大部分其它可视化程序的显示效果都丑爆了,操作步骤还更繁琐)。


2 脚本

本文介绍的VMD脚本是showcub.vmd,在Multiwfn程序包里的examples\scripts目录下(从2019-May-21发布的Multiwfn 3.6正式版开始才有这个文件)。将这个文件拷到VMD目录下,并且用文本编辑器编辑此目录下的vmd.rc文件(对于Windows版VMD而言),在末尾插入source showcub.vmd。这样每次VMD启动时就会自动执行此脚本是其中定义的命令生效。此脚本定义了四条命令,可以直接在VMD的控制台里输入,这里直接给出一些例子:

cub MIO:将VMD目录下的MIO.cub绘制成等值面图,正值和负值部分分别用绿色和蓝色显示,等值面数值分别为默认值0.05和-0.05
cub MIO 0.02:同上,但正值和负值部分等值面数值直接分别设为0.02和-0.02
cubiso 0.015:在使用cub命令后使用,把当前载入的格点数据的正值和负值部分分别设为0.015和-0.015

有的时候我们需要同时将两个cube文件显示在一起,此脚本里也定义了相应命令用于此目的,示例:
cub2 eri nozomi:将VMD目录下的eri.cub和nozomi.cub同时绘制成等值面,分别用绿色和蓝色表示,等值面数值都为默认的0.05(注:如果eri和nozomi格点数据里也有负值部分,负值部分不会被显示出来)
cub2 eri nozomi 0.02:同上,但是二者的等值面数值都直接设为0.02
cub2iso 0.015:在使用cub2命令后使用,代表把已载入的两套cube文件对应的等值面数值都设为0.015

每次使用cub或cub2命令之前都会自动将之前载入的格点数据从VMD中清掉,因此这俩命令可以反复用无数次。

和前述的《用VMD绘制艺术级轨道等值面图的方法》里的做法一样,用VMD绘制出来之后,可以借助Multiwfn程序包里的examples\scripts\VMDrender_full.bat将等值面通过Tachyon渲染器渲染成非常漂亮的图像。

下面给一些例子,VMD用的是1.9.3 Windows版。大家先按上述说明把vmd.rc设置好。


3 例子:用VMD显示自旋密度等值面

在《谈谈自旋密度、自旋布居以及在Multiwfn中的绘制和计算》(http://sobereva.com/353)一文中笔者举了丁烷双自由基的例子。我们用Multiwfn的主功能5计算完这个体系的自旋密度格点数据后,在后处理菜单选择导出cube文件,当前目录下就得到了spindensity.cub。将此文件挪到VMD目录下,启动VMD,直接输入cub spindensity 0.01,马上看到下图,绿色和蓝色分别对应自旋密度为正和为负的部分。

为了得到更好的效果,我们把Multiwfn的examples\scripts目录下的VMDrender_full.bat拷到VMD目录下。在VMD里选择File - Render,渲染器选Tachyon(别选后面带internal的那个),点击Start Rendering。然后双击VMDrender_full.bat执行这个批处理文件,过一会儿VMD目录下就出现了full.bmp,效果如下,可见非常理想,富有立体感而且有阴影效果。

之前笔者录过一段视频《使用Multiwfn结合VMD绘制自旋密度等值面图》(https://www.bilibili.com/video/av26312131),由视频可见,如果不用脚本而手动在VMD里进行操作来显示出等值面,操作步骤多,而效果还明显不如本文的做法好。


4 例子:用VMD同时显示电子激发过程中空穴和电子的等值面

笔者之前在《使用Multiwfn做空穴-电子分析全面考察电子激发特征》(http://sobereva.com/434)中介绍了一种极为重要的考察电子激发特征的方法,此方法可以把空穴和电子分布都给出来。按照文中的做法将空穴和电子格点数据都算出来后,在后处理菜单里可以看到将二者导出为cube文件的选项,选了之后会得到electron.cub和hole.cub。我们现在用VMD将二者同时绘制成等值面。

将这两个cube文件都挪到VMD目录下,启动VMD,在文本窗口输入cub2 electron hole。此时图形窗口里只看到了结构,没看到等值面,这是因为默认的等值面数值太大。我们通过cub2iso命令不断尝试不同的等值面数值,发现当输入cub2iso 0.002命令的时候,空穴和电子的分布特征看起来都比较明显。和上一节一样通过VMDrender_full.bat进行渲染,得到下图:

这图虽然表面上效果看起来很不错,但对于空穴-电子分析来说并不算特别理想。因为我们希望能把空穴与电子分布的交叠特征比较清楚地展现出来,但是当前的图看不清楚这点。此时我们可以尝试其它材质。进入Graphics - Representation,把Material改为EdgyGlass,然后在Selected Molecule里切换成electron.cub,再次把Material改为EdgyGlass,此时空穴和电子就都是EdgyGlass材质了,二者的交叠在图形窗口中已经可以看得非常清楚了。如果你用VMDrender_full.bat来渲染,得到的图像如下

此时的图很不错,但可能会有人觉得有点偏亮。你可以编辑VMDrender_full.bat的内容,把里面的-trans_raster3d改为-trans_vmd,-fullshade改为-mediumshade,再次运行脚本,得到下图

可能又有人嫌这个图有点偏暗,你可以在图像编辑程序如ps里调调曝光度、饱和度之类直到最满意。在Photoshop里把上图的曝光度(Ctrl+Alt+E)增加0.6后得到下图,此时亮度正合适,而且空穴和电子的重叠看得非常清楚,完美!


5 例子:用VMD显示水四聚体的密度差图

在Multiwfn手册4.4.8节给出了绘制水四聚体的密度差图的步骤,也就是让整个水四聚体的密度减去构成它的每个单体的密度。我们将算出来的密度差格点数据导出成cube文件,然后用VMD来渲染。如果直接用VMDrender_full.bat渲染,虽然效果很好,但是阴影搞得图像略微复杂,反倒有点不便于分析,因此我们还是按照上一节,改成-trans_vmd和-mediumshade选项然后再渲染,之后在Photoshop里按Ctrl+Alt+E,把灰度系数校正(Gamma)改为0.7后得到下图,可见又漂亮,又把密度差特征展现得很清楚。

6 例子:苯甲酮的LOL-pi

在《在Multiwfn中单独考察pi电子结构特征》(http://sobereva.com/432)一文中介绍了怎么通过Multiwfn非常简单地绘制出平面和非平面体系的描述pi电子结构的函数的图像,其中对一个非平面体系苯甲酮绘制了LOL-pi等值面图。使用本文的脚本,直接用cub命令将LOL-pi的格点数据文件载入VMD,等值面设为0.5后,通过VMDrender_full.bat渲染直接就得到了下面这个效果非常理想的图像。


7 总结&其它

本文提供的脚本可以又快又好又方便地将一个或两个cube文件绘制成等值面,尤其是建议Multiwfn用户都掌握本文的做法。

用VMDrender_full.bat渲染出的效果并非对任何情况都总是理想,应根据实际情况调节,在http://sobereva.com/449文中对于作图设定还有更多讨论,本文不再累述。尤为值得一提的是如果在.bat里加入-shadow_filter_off,可以避免由于等值面产生大量阴影而使得图像较暗,用了-trans_vmd后若感觉图像偏暗,除了如上文用ps调节外也可以尝试这个选项。大家也可以在Graphics - Representation中对设置自行进行各种修改、在Graphics - Materials里对材质定义进行调整、在Display里调整光源来试图改进效果。等值面是否光滑和格点间距有直接关系,间距越小越光滑,但计算也越昂贵,详见《Multiwfn FAQ》(http://sobereva.com/452)的Q39的讨论。

.bat里-res后面的数字定义的是渲染出来的图像尺寸,设得越小则Tachyon渲染耗时越低。