利用 V-Ray for Rhino 和 Chaos Cloud Rendering 表现微观世界

我们已介绍 V-Ray 用于各种神奇的项目，从好莱坞大片到布料仿真器，但生物医学工程是全新领域。这些惊人的微观世界效果图是由生物医学工程师 Luca Borro 创造的，他是 V-Ray for Rhino 交互式渲染和 Chaos Cloud Rendering 无缝工作流程的超级粉丝。

当我们采访 Luca 时，我们亟欲了解他如何开始使用 V-Ray，让一般人用肉眼就能观察显微镜下的分子世界。

我们发现，Chaos 的软件持续地汇集来自各行各业的专家，包括生物医学，并为那些寻求知识的人提供信息，真令人兴奋。我们和 Luca 坐下来讨论科学和艺术的融合，以及他在 V-Ray for Rhino 中的工作流程。

是什么让你对生物学感兴趣？

我对与医学和人类生物学有关的一切都充满热情。
尽管我获得的第一个学位是建筑学，但我真正的热情一直是医学。事实上，我获得了生物医学工程的第二个学位，目前正在意大利拉奎拉大学攻读健康暨营养生物学的硕士学位。

我对人体的生理学、器官的生理活动与难以置信的复杂生物机制非常着迷。

您接受过任何艺术训练吗？在作品中，创造力和拥有强大的视觉感知力有多重要？

正如我所说，我在2013年获得了建筑学的第一学位，这有助于培养艺术美感。尽管我对建筑物或建筑工艺品的建造没有特别的兴趣，但建筑学学位奠定了重要知识，对我在生物医学领域的工作十分有益。在身为建筑师的学习期间，我学到了很多关于描述性几何和三维技术的知识，这是两个迷人的、极其有用的学科。然后，我培养了将理性思维与艺术美感和创造力联系起来的能力，这在一般的生活中真的很有用。

身为一名生物医学工程师，您什么时候开始将 3D 融入工作的？

在我获得建筑学的第一个学位后，我认为将 3D 技术引进生物医学领域会很有用。2013年，医学和生物学的三维技术还没有像今天这样发达。能在三维中看到分子、器官和组织十分迷人，所以我开始研究将放射学影像转化为三维模型所需的软件和硬件工具。后来我发现了分子生物学的世界，三维不仅可拿来沟通，而且在实际研究中都有作用。

事实上，有机体的有机分子是具有精确三维形状的蛋白质结构，可利用X射线的扫描技术或最新的复杂人工智能算法获得。就算是某种蛋白质的三维形态中的小错误，也会导致人类健康的严重缺陷。真是不可思议。

您对 Sars-CoV2 分子结构的重建被刊登在 Elsevier 的《Biomolecular Interactions scientific》科学期刊的封面上。这真是了不起! 怎样做到的？

对于这项工作，慕尼黑工业大学莱布尼茨食品系统生物学研究所的研究员 Antonella Di Pizio 博士联系了我，她对 Sars-CoV-2 分子的渲染技术非常感兴趣。Antonella 建议我详细描述实现该分子的逼真渲染，以便在具有科学影响力的《Methods in Cell Biology》杂志上发表这篇文章。这个作品甚至被选为《Biomolecular Interaction Part A》系列第169卷的杂志封面，让我很开心。当应用于表现超微小的人类生物分子时，逼真的渲染确实惊人。

创作这样的效果图的背后需要多高深的研究结果？哪些部分可用艺术想象力发挥？

这是科学三维表现中特别重要的话题。

当我们想用三维表示生物体的分子（例如蛋白质）时，我们必须处理科学文献对这个分子所提供的内容。

一般来说，通过取用包含蛋白质三维结构的材质库，我们能够获得想要表达结构的确切三维形状。然而，要知道的是，这种结构是通过X射线晶体学等放射学成像技术进行分子扫描的结果。

这类技术在对所研究的分子进行三维重建时可能存在一定程度的不准确性，因此分子的某些部分可能无法在三维中得到很好的表现，最终的呈现可能会有所遗漏。

因此，分子的所有部分都得到了很好的呈现，而那些被结构中的 "空隙 "或 "空洞 "所改变的部分会在三维蛋白质材质库中解释。

当我们必须呈现蛋白质的 "空 "的部分，而这个区域的三维形状我们并不清楚时，在任何情况下都不能依靠我们的艺术创造力，而必须让观众知道分子的这一部分在物理上无法表示。我们可藉由用基本的几何体来表现 "空 "的部分以达成目标（例如，用完美的管状物来清楚地表明分子的那部分是缺失的）。

蛋白质的三维结构已经由科学确定，是不允许艺术构思的，但您可在与渲染、材质、场景的灯光设计有关的一切方面，以及一般来说，在你想插入蛋白质的场景环境中以艺术表现。

您是如何对细胞中复杂的小细节进行建模和设定贴图的？

我们身体的复杂分子的三维模型是用 .pdb 档案详细描述的。我们可将 .pdb 档案与普通的 .stl 或 .obj 文件进行比对，但这些档案带有复杂的信息，如构成分子的原子坐标、蛋白质本身的氨基酸序列，以及其他重要的生物信息学卷标。

因此，不是操作者手动建立蛋白质的三维模型，而是从科学文献中获得，文献将我们今天所知的蛋白质的三维结构（和相关文件）存放在国际平台上，如www.rcsb.org

您能分享一下灯光的创作过程吗？

在作品中，灯光是最基本的。我很喜欢设计照明，如果我没有走生物学这条路，很可能会选择成为表演或戏剧演出的灯光设计师。

我在 V-Ray 中一般使用两种类型的灯光元素：平面灯与球体灯。在 "开启 "灯光之前，我把整个场景收集在大的球体里面，以创造全黑环境。然后我在整个场景中应用灰色的覆盖材质，开始灯光设计阶段，测试最终的效果。

我需要灯光来强调分子的某些部分，那些区域必须看起来像被灯笼 "点亮"。这有助于该仿真分子的区域，在所表现的场景的特定时刻生物学上 "启动 "的这件事。为此，我在分子的某些部分使用球体灯来强调，然后应用次表面散射材质。这种材质很牛，因为次表面散射材质使我能够完全按照想法创建逼真的场景。

然后我切换到分子外的灯光，并倾向于让主要的蛋白质结构只在几个小的特定点上被照亮，而其余部分通常几乎完全黑暗。我在所有的作品中都使用这种特殊效果表现。

这个概念是为了只在我想强调的区域捕捉观众的目光。为了达到目的，我把精心校准的球体灯靠近我想高光的分子部分。我不使用聚光灯，因为我不喜欢这种灯光照亮分子的强度。

然后，我会处理背景照明。为此，我使用靠在球体容器外上的平面光。我一般使用两到三盏球体灯，其中两盏侧向放置，用两种不同的互补色互相照应。我把第三盏灯放在较高的位置，创造更大的深度感。

您的作品是如何构图的？使用何机制？

这真的取决于我想表现的分子。对有些分子，三分法是最基本的，而对于其他分子，我把分子准确地置于场景的中心，周围是空旷的。重要的是要能够表现出：在有机体中，我所呈现的分子是在连续和迅速的运动中。我们在渲染中看到的仅仅是单一静帧：静止的影像。

真实世界中，由于组成分子的原子之间的静电相互作用，场景中的主要分子和周围的其他分子都会持续运动。为了达到目的，我通常在前景和背景中放置其他 "运动 "的分子，这些分子是模糊的，因为我总是直接在我想保持聚焦的区域的分子上设置焦点（景深 - 摄影机设置中的固定点）。

在渲染时，为了达到极致的生物准确性，最重要的考虑因素是什么？

你需要从分子生物学的角度了解分子是如何形成的。这表示要仔细研究科学文献，论文中通常伴随着材质库中的三维结构。通过研究有关特定分子的科学文章，可了解其结构、如何制造、正确的氨基酸序列，因此可知道各种重要的位置，如该分子与其他分子或药物结合的点在哪里。只有当你在定义蛋白质的三维几何体时避免诉诸于自己的想象力，并充分理解分子的生物结构，才能实现三维表现生物学上的准确性。

您最喜欢 V-Ray for Rhino 的什么功能？

交互式渲染对于这种类型的工作来说是不可或缺的，但是在云端渲染的可能性是最基本的。在生物实验室，我们没有能够支持复杂的高分辨率渲染的渲染农场。因此，V-Ray for Rhino 让我能以互动的方式控制渲染，并在云端进行后续的算图，这种便利性真的很有用。定义材质的简单方法也极有用，可立即为场景获得良好的材质。
 

与书面期刊的同行评审类似，科学插图与效果图必须遵循严格的审查程序。您能和我们分享一下吗？

影像的验证过程可由创建场景的操作者本人进行，也可由被要求监督的其他实验室进行。以 Sars-CoV-2 分子的表现为例，我让罗马 Bambino Gesù 医院微生物学实验室进行审查，对该分子进行仔细的审核。

您接下来有什么项目？

目前，我们正持续与著名的意大利杂志《Focus》进行逼真的分子影像的科学普及合作。随后，我们将能够为生物学和科学可视化领域中所有有兴趣学习的研究人员和热情的操作人员，筹备专门针对这一领域的网络研讨会和讲习班。