用VMD繪制藝術級軌道等值面圖的方法（含演示視頻）

注：本文的操作配有演示視頻，請注意觀看，五分鐘就能學會畫出本文里面的圖像的效果，見https://www.bilibili.com/video/av37101659/

用VMD繪制藝術級軌道等值面圖的方法

文/Sobereva@北京科音

First release: 2018-Nov-30  Last update: 2021-Sep-19

在《使用Multiwfn觀看分子軌道》（http://www.shanxitv.org/269）中筆者詳細介紹過怎么用Multiwfn繪制軌道，用起來又方便速度又快。后來筆者在《使用Multiwfn+VMD快速繪制高質量分子軌道等值面圖》（http://www.shanxitv.org/447，含演示視頻）中演示了如何利用Multiwfn結合VMD非常簡單快速地繪制出效果令人滿意的等值面圖，沒看過此文者務必要看。在本文中，筆者進一步說明怎么恰當修改VMD的設定和利用Tachyon渲染器獲得效果更完美、更出彩的圖像。讀者請務必使用當前官網上最新的Multiwfn版本。本文用的VMD是1.9.3版，不要用其它版本！

本文通過一個石墨烯片段的某個軌道為例進行說明，此體系的fchk文件可在http://www.shanxitv.org/attach/449/6x6_graphite.rar下載。大家先按照上文的過程將其第183號軌道顯示出來，等值面用0.02。繪制前把showorb.txt里倒數第二行改為3，使得Multiwfn通過high quality grid格點計算MO183的格點數據。當前在VMD中看到的圖像如下所示，雖然已經令人滿意（已吊打gview的效果），但還不算很出眾

下面我們試圖繪制出更漂亮的效果。在Multiwfn程序包中，有一個examples\scripts\VMDrender.txt文件，用于在VMD里使用orb命令顯示出軌道圖形后進一步修改設定，參數都是我精心調節出來的，這里解讀一下：
color Name C tan：把名為C的原子改為tan顏色
color change rgb tan 0.700000 0.560000 0.360000：修改tan顏色的定義。這最終使得碳原子比其默認的深青色顯得更柔美
material change mirror Opaque 0.15：修改不透明材質（用于顯示分子結構）的mirror屬性，大于0的時候通過考慮光線追蹤的渲染器渲染的時候就會有反光效果
material change outline Opaque 4.000000：設定不透明材質的輪廓深度
material change outlinewidth Opaque 0.5：設定不透明材質的輪廓粗度。設置輪廓可以使原子有勾邊效果（有效避免白色的氫原子在某些地方和白色背景連為一體）
material change ambient Glossy 0.1：設置用于顯示等值面的Glossy材質的ambient屬性
material change diffuse Glossy 0.600000
material change opacity Glossy 0.75：把Glossy材質改為微透明
material change shininess Glossy 1.0
mol modcolor 1 top ColorID 12：修改正值部分等值面的顏色為淡綠色
mol modcolor 2 top ColorID 22：修改負值部分等值面的顏色為淡藍色
display distance -7.0：讓視角距離畫面的更遠，可避免在窗口邊緣的物體由于近大遠小而畸變太厲害
display height 10：這句是避免因為減小了distance而導致圖像變小
light 3 on：開啟額外的3號光源令圖像更亮

將VMDrender.txt里的內容直接復制到VMD的文本窗口里，此時看到的效果如下，此時已經比前面的圖顯得柔和多了。

為了效果更出色、加上抗鋸齒效果，并且渲染出更大尺寸的圖像，這里用Tachyon渲染器，而且為了能夠精細調節參數，我們不用Tachyon (internal, in-memory rendering)直接渲染，而是讓VMD調用Tachyon產生此渲染器的輸入文件，然后再根據我們自設的參數手動調用Tachyon進行渲染。

適當縮放分子，使得分子大體充滿整個VMD圖形窗口，然后在VMD里選擇File - render，選擇Tachyon，然后點擊Start Rendering。此時VMD目錄下出現了vmdscene.dat和vmdscene.dat.bmp。vmdscene.dat就是Tachyon的輸入文件，而vmdscene.dat.bmp是基于這個輸入文件在默認設置下渲染出來的圖像文件，此文件目前沒用，可以刪掉。

然后把Multiwfn的examples\scripts\目錄下的VMDrender_full.bat和VMDrender_noshadow.bat拷到VMD目錄下。這倆都是Windows下的批處理文件，先看VMDrender_full.bat的內容：
tachyon_WIN32.exe vmdscene.dat -format BMP -o full.bmp -trans_raster3d -res 2000 1500 -fullshade -numthreads 4 -aasamples 24
含義是，調用VMD自帶的tachyon_WIN32.exe渲染器，用vmdscene.dat作為輸入文件，在當前目錄下渲染出full.bmp圖像文件，用的透明著色選項是-trans_raster3d（實測效果比其它選項更好），渲染出的圖像像素為2000*1500（通常來說已經足夠大了）。-fullshade代表渲染時考慮陰影效果。-numthreads設定渲染時的線程數（建議設為CPU的實際物理核心數）。-aasamples是抗鋸齒設定，數值越大抗鋸齒效果越好。

現在雙擊VMDrender_full.bat進行渲染，耐心等候一陣子，得到如下full.bmp圖像文件，可見效果極佳！非常光滑，而且富有立體感。

另外值得一提的是，在VMDrender_full.bat里可以再加一句-shadow_filter_off，此時雖然繪制出的圖也有陰影效果，但透明的材質的物體，即軌道等值面，不會產生陰影，此時效果如下。下圖好還是上圖好請根據實際情況自行判斷，總的來說下圖顯得更明亮一些。

VMDrender_noshadow.bat和VMDrender_full.bat的唯一差別就是前者渲染出的圖沒有任何陰影效果，因為把-fullshade替換為了-mediumshade，但也因此渲染速度快更快，得到的圖像如下所示，顯得比較干凈簡潔。

本文的設定對于示例體系很理想，但不代表用于其它體系效果同樣好，請根據實際情況恰當修改，特別是材質（可以在Graphics - Materials里改）。

如果用此文方法繪制軌道圖發了文章，如果用此文方法繪制軌道圖發了文章，勿忘引用Multiwfn啟動時提示的Multiwfn的原文。

最后再隨便展示一張圖，以更充分展現本文做法的效果

下面這張圖是Org. Elect., 69, 85 (2019)一文中按照本文的方法繪制出來的圖

附：圖像無法繪制出來的排查方法

老有人問怎么按照此文的方法繪制不出來、VMD文本窗口提示找不到文件之類，在這里明確統一回復一遍

1 確保用的是Multiwfn官網上的最新版本、用的VMD是1.9.3版，確保VMD沒有被安裝到C盤的默認路徑下（否則可能由于權限問題導致新文件沒法在VMD目錄下創建）
2 確保showorb.bat批處理文件里的VMD路徑確實設對了。如果路徑里有空格，兩邊必須用雙引號括起來
3 確保showorb.bat里的輸入文件的路徑無誤，并且showorb.txt文件確實在當前目錄下
4 確保用的輸入文件的文件格式合理。諸如用.xyz、.pdb之類根本沒有波函數信息的格式顯然不行
5 死活搞不明白原因的話，先進入操作系統的命令行模式，比如進入Windows的cmd（不會進的話自行Google搜索），并且確保當前處在Multiwfn目錄下，然后把.bat文件里的命令一行一行敲進去運行，從屏幕的提示上判斷是因為什么出錯并試圖解決。如果自行不會判斷、無法解決，把最后那部分輸出的信息的截圖貼到Multiwfn的官方論壇上，筆者通常會在一天內回復

根據筆者答疑時的經驗，>90%繪制不出來的原因都是路徑沒寫對（現在的天朝計算機教育真是相當失敗，很多搞計算化學的人居然連個路徑都寫不對，甚至有人還在路徑里把雙引號寫成全角的，令我感到十分汗顏）。