陈铮铮， 孙宇梁

(湖州师范学院 理学院， 浙江 湖州 313000)



三维原子核碰撞动画的制作方法

陈铮铮， 孙宇梁

(湖州师范学院 理学院， 浙江 湖州 313000)

通过使用Mathematica、Flash两款软件研究三维原子核碰撞动画的制作方法.在Mathematica软件中编辑程序，将原子核碰撞的数据生成一系列不同时刻的图片，再通过逐帧动画的方法，用Flash软件生成原子核三维碰撞的动画.该方法可制作出不同观看角度的动画，实现暂停功能，还能标注动画对应的碰撞参数信息，对核物理研究有很大帮助.

原子核碰撞； 三维动画； Mathematica； Flash

0 引 言

在核物理研究中，由于研究的对象是肉眼看不见的微观粒子，因此需要采用理论和实验相结合的方法进行研究，即把理论模型模拟的结果与实验中探测器测量的数据进行比较，从而确定原子核反应模型的框架和各项参数[1].不论是原子核反应实验测量得到的数据，还是理论模型的计算结果，都是碰撞后所产生的各粒子在各个时刻的位置坐标和速度.对于这种大量的数据信息，研究者很难直接得出结论，一般是通过分析程序把所得数据生成二维图谱进行对比分析[2].若是能把这些数据以三维动画的形式展现出来，将能够从视觉上给人更直观的感受，对原子核物理的研究有很大帮助.为了能够更直观地对实验测量数据和理论计算结果进行分析，本文研究三维原子核碰撞动画的制作方法，该方法将具有很好的应用前景.

1 动画要求

由于所制作的动画主要用于原子核物理的研究，因此有较高的要求，需包括以下功能：

(1) 读取事先存储的数据，并以三维动画的形式展现出来.

(2) 可产生对应不同观察角度的动画.

(3) 能标注该动画对应的碰撞参数信息.

(4) 交互式的操作界面，可控制动画的播放和暂停.

考虑到Mathematica软件可实现数据的读取和三维坐标图像的绘制，而Flash是制作动画的专业软件，利用该软件可制作出用于课堂教学、科研报告、宣传广告等领域里的精彩动画[3],因此本文使用这两款软件研究三维原子核碰撞动画的制作方法.

2 动画制作方法

三维原子核碰撞动画的制作通过数据读取、图像制作、动画生成三个步骤实现.

2.1 数据读取

数据读取是为图像制作做准备的.预先把数据以每个时刻一个文件的形式(扩展名为dat)存储在同一个文件夹中.数据文件中包括该时刻每个粒子x、y、z三个方向的坐标及粒子的种类，如用1代表质子、0代表中子、3代表π介子).

在Mathematica软件中使用str=OpenRead[…dat]命令打开数据文件后，通过循环语句的方式反复使用x[i]=Read[str, Number]、y[i]=Read[str, Number]等命令，读取每个粒子的坐标和粒子种类，将粒子的坐标和种类赋值给所对应种类的数组变量中，如：质子的三维坐标存在于a[i]，b[i]，c[i]数组中；中子的三维坐标存在于d[i]，e[i]，f[i]数组中，目的是为了在画图时用不同颜色显示不同种类的粒子.

2.2 图像制作

在Mathematica软件中使用ListPointPlot3D[Table[{c[t],a[t],b[t]},{t,1,l-1}], Table[{f[t],d[t],e[t]},{t,1,m-1}],……]命令，可在三维坐标图中一一标出对应的粒子.通过改变Table命令中数组a[i],b[i],c[i]的顺序，可改变所生成图片对应的观察角度，此时的顺序是使观察角度为z轴方向.此外，在ListPointPlot3D命令中添加一些附加程序，可实现对一些细节的具体设置，如：用命令PlotRange -> {{-40, 40}, {-40, 40}, {-40, 40}}设置图中x、y、z三个坐标轴的范围，并用AxesLabel -> {z, x, y}在坐标轴上标注z、x、y三个方向；通过PlotLabel -> Style[Framed["t=" <> ToString[w] <> " fm/c"], 16, Blue, Background -> Lighter[Yellow]]命令，可在画面的上方标注出此画面所对应的时刻(单位为fm/c；时间文字为蓝色字体；背景色为黄色).图片生成后，用Export命令导出图片文件，并以jpg的格式保存于电脑中.

2.3 动画生成

考虑到已经制作了对应每个时刻的画面，因此在Flash软件中使用制作逐帧动画的方式来生成动画.如果将图片一个一个地导入到对应帧的舞台上，操作会比较繁琐，采用以下方法可使操作简化：事先把图片保存在同一个文件夹中，并用阿拉伯数字命名，在Flash软件中，通过“导入”命令将图片“1”导入到第一帧对应的舞台上，此时程序会跳出对话框询问“是否导入需要其他图片”，如图1所示，点“是”后可实现将所有图片一一对应地导入到每一帧.

如果制作的动画是用于科研报告的ppt中，为了能够让听众了解到该动画所对应的碰撞信息，可专门建立一个图层，放置文本框来说明不同颜色所对应的粒子、计算数据所用的理论模型、原子核碰撞的离子种类、能量E和碰撞参数b等.

研究者在观看动画时，会对某一时刻出现的画面特别关注，因此在制作动画时需实现暂停功能.新建一个图层，放置两个按钮元件，标注文字“暂停”和“播放”，对两个按钮分别编写程序：on(press){stop();}和on(press){Play();}，可实现点击按钮控制影片的暂停和播放.

最终动画可以以swf的格式导出，用于研究者观看研究，也可以以gif的格式放于科研报告的ppt中.动画效果如图2所示.

3 结 论

为了能够从视觉上更直观地分析原子核碰撞实验和理论上的数据，本文使用Mathematica、Flash两款软件研究三维原子核碰撞动画的制作方法.在Mathematica软件中编辑程序，将原子核碰撞的数据生成一系列不同时刻的图片，再通过逐帧动画的方法，用Flash软件生成原子核三维碰撞的动画.该方法可以制作出不同观看角度的动画，实现暂停功能，还能标注动画对应的碰撞参数信息，对核物理研究有很大帮助.

[1]李庆峰,王永佳,郭琛琛．低SIS能区重离子碰撞过程的系统性研究[J].原子核物理评论,2014,31(3):291-304.

[2]王永佳,郭琛琛,李庆峰,等.利用椭圆流和轻带电粒子产额比探测对称能[J].原子核物理评论,2015,32(2):154-160.

[3]孙宇梁,孙怀明.Flash动画在科研报告中的应用[J].湖州师范学院学报,2015,37(8):102-106.

[责任编辑 高俊娥]

The Making Method of Nucleus Collision's 3D Animation

CHEN Zhengzheng, SUN Yuliang

(School of Science, Huzhou University, Huzhou 313000, China)

The paper studied the method of making nucleus collision's 3D animation by using softwares of Mathematica and Flash. The pictures corresponding to every moments can be made by editing program in Mathematica. The animation can be made by the method of frame-by-frame animation in Flash. The animations corresponding to different angles, pause functions and marking parameter's information can be made by this method. This method can provide great help for the research of nuclear physics.

nuclear collision; 3D animation; mathematica; flash

2017-02-10 基金项目:国家自然科学基金项目(11405054);湖州师范学院“大学生创新创业训练计划”项目(2017-87). 通信作者:孙宇梁,博士,讲师,研究方向:原子核物理、动画制作.E-mail:sunyl@zjhu.edu.cn

TP319

A

1009-1734(2017)04-0018-03