Рисуем молекулы с помощью PostScript

Векторная графика очень удобна для иллюстраций. Молекулы состоят из атомов соединённых связями. Хочется, чтобы операции редактирования рисунка химической структуры осуществлялись согласно физическому устройству молекул: выделил атом, перенес его, повернул фрагмент молекулы, подписал… Практически все визуализаторы атомных структур экспортируют вид в растр, что усложняет подготовку иллюстраций. В этой заметке я расскажу о способе отрисовки 3D структур в векторном формате, а также о том, как в этом поможет язык PostScript.

Вместо красивой растровой картинки (слева) получим винтажную иллюстрацию (справа).

Достаточно много программ умеют экспортировать структуру в векторную графику: SVG, PDF, EPS. Однако, часто это сделано лишь формально - полученные изображения состоят из множества примитивов, разобрать их по атомам и связям практически невозможно. Размер такого векторного файла тоже большой, словом, беда. Из множества молекулярных конструкторов лишь два удовлетворяют по качеству кода векторной картинки: GaussView и Molden. Последняя программа доступна всем желающим, так что примеры построены с её помощью, тем не менее, все приведенные ниже рецепты применимы (с некоторыми модификациями) и к векторным иллюстрациям сделанными программой GaussView. Итак, Molden!

Molden

Открываем файл со структурой, сохраняем в PostScript.

PostScript

В файле видим человеческий текст:

%!PS-Adobe-2.0 EPSF-2.0
%%Title: Molden
%%For: Schaft
%%Creator: Drs G Schaftenaar
%%DocumentFonts: Courier
%%Pages (atend)
%%BoundingBox: 0 0 612 792
%%EndComments
%
%###### User Preferences ############
%
%---- SIZE AND ORIENTATION OF THE PLOT ---
%
/size    {  0.24 } def
%---- These number can be negative -------
/originx {  39.0 } def
/originy { 753.0 } def
/angle   { -90.0 } def
%For Portrait use
%/originx { 40.0 } def
%/originy { 240.0 } def
%/angle   { 0.0 } def
%and BoundingBox: 25 255 535 765

За отрисовку сфер-атомов отвечает процедура \doatom, за стержни - \dorod. Сначала отключим вывод логотипа Molden.

%---- Include Tabel & Logo, Fontsize -----
/tabel {true} def
/titleandlogo {true} def % ставим здесь false!

Без дальнейших модификаций рисунок будет таким, 4082 графических примитива. Несколько неудобно.

4082 примитива

Число примитивов можно значительно сократить небольшой правкой.

%---- SET BOND RENDERING:  ---------------
%---- shadedrod, whiterod, blackrod  -----
%
/doatom { dosketchysmoothatom } def 
/dorod  { sketchyshadedrod }    def
%
% облегченные версии (меньше примитивов)
/dosketchysmoothatom  % вместо прежнего doatom
{ gsave
  rx ry translate
  90 -15 1 % вместо прежнего цикла 90 1 1 - это единственное изменение
  { gsave
    dup cos hue exch satu exch sethsbcolor sin dup scale
    newpath
    0 0 rad 0 360 arc
    closepath fill grestore } for
    grestore } def
/sketchyshadedrod
{ gsave
  x1 y1 translate
  x2 x1 neg add
  y2 y1 neg add
  {atan neg rotate} stopped not {
  85 -15 0 % вместо 87 -3 0 - это единственное изменение
  {dup
  gsave
  newpath
   cos 1.0 cosb 0.5 mul neg add mul
   hue exch satu exch sethsbcolor
   sin 1.0 scale
   1 cosb scale
   0 0 hd 0 180 arcn
   x2 x1 neg add dup mul
   y2 y1 neg add dup mul
   add sqrt
  0 cosb eq {/cosb 1.0 def} if 0 exch cosb div translate
   0 0 hd 180 360 arc
  closepath fill
  grestore } for
  } if
  grestore } def

Здесь уже 410 примитивов вместо 4082.

Пойдем дальше и напишем на сей раз свои собственные процедуры!

/doatom { docirclecoloratom } def
/dorod { dostick } def

% ширина связи, цвет её линии, толщина штриха
/stickwidth {16} def
/stickgreycolor  {0} def
/strokelinewidth {4} def

/docirclecoloratom
{ gsave
    strokelinewidth setlinewidth
    rx ry translate
    newpath 0 0 rad 0 360 arc closepath
    gsave
    hue satu 1.0 sethsbcolor fill
    grestore
    stroke
    0 0 rad 0.75 mul -60 0 arc
    stroke
    grestore
} def
% процедура dostick уже создана Molden

Этот код произведет такую картинку:

Это очень простой рисунок, легковесный. Каждый атом - 3 примитива. Окружность, окрашенный круг, дуга. Связь - одна линия. Легко разобрать на запчасти и сделать всё что угодно.

/docircleatom
{ gsave
    strokelinewidth setlinewidth
    rx ry translate
    newpath 0 0 rad 0 360 arc closepath
    gsave
    1 setgray fill
    grestore
    stroke
    gsave
    1.00 0.55 scale
    0 0 rad 0 180 arc
    stroke
    grestore
    0.55 1.00 scale
    0 0 rad -90 90 arcn
    stroke
    grestore
} def

Этот код радикально сведет рисунок к черному и белому. Как в старых книгах.

Я добавил подпись - длину водородной связи.

Заключение

PostScript удивительно хорош в создании иллюстраций. Он лёгок в освоении. В этой заметке я привёл способ как сделать простые, но подчас очень и очень нужные вещи при подготовке публикации или постера на конференцию. Однако, можно пойти дальше! Очень рекомендую книгу Mathematical Illustrations.