Khi kết xuất trở nên vi mô với V-Ray cho Rhino và Chaos Cloud Rendering

Email: chi.pham@phanmemrender.com

Hotline: 0902405791

Khoa học và nghệ thuật va chạm: Kỹ sư y sinh Luca Borro tiết lộ cách anh hình dung các phân tử hữu cơ đáng kinh ngạc với V-Ray cho Rhino và Chaos Cloud Rendering.

Chúng ta đã thấy V-Ray được sử dụng cho tất cả các loại dự án đáng kinh ngạc, từ phim bom tấn Hollywood đến mô phỏng quần áo, nhưng kỹ thuật y sinh là một dự án mới. Những cái nhìn thoáng qua đáng kinh ngạc về thế giới vi mô này được tạo ra bởi kỹ sư y sinh Luca Borro, một người hâm mộ cuồng nhiệt của Kết xuất tương tác của V-Ray trong Rhino và quy trình làm việc liền mạch của Chaos Cloud Rendering.

Vì vậy, khi chúng tôi gặp Luca, chúng tôi rất háo hức tìm hiểu cách anh ấy triển khai phần mềm của chúng tôi để làm cho các phân tử siêu nhỏ có thể nhìn thấy bằng mắt người.

Chúng tôi thấy thú vị khi phần mềm của chúng tôi tiếp tục đoàn kết các chuyên gia từ các ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm cả y sinh học và cung cấp kiến thức cho những người tìm kiếm nó. Chúng tôi đã ngồi lại với Luca để thảo luận về việc hợp nhất khoa học và nghệ thuật, và quy trình làm việc của anh ấy trong V-Ray cho Rhino.

Về Luca

Luca Borro là một Kỹ sư y sinh hiện đang làm việc tại Bệnh viện Nhi đồng Bambino Gesù ở Rome. Công việc của ông liên quan đến việc tái tạo 3D và kết xuất quang học các đại phân tử của sinh vật con người. Anh ấy thích nghe nhạc pop và rock, và đọc sách trong khi được bao quanh bởi những ngọn đồi thoai thoải của Umbria.

Điều gì khiến bạn quan tâm đến sinh học?

Tôi đam mê mọi thứ liên quan đến y học và sinh học của con người.

Mặc dù tôi đã lấy được bằng cấp đầu tiên về kiến trúc, nhưng niềm đam mê thực sự của tôi luôn là y học. Trên thực tế, tôi đã lấy bằng thứ hai về kỹ thuật y sinh và tôi hiện đang theo học bằng thạc sĩ về sinh học về sức khỏe và dinh dưỡng tại Đại học L'Aquila ở Ý.

Tôi bị cuốn hút bởi sinh lý học của cơ thể con người, các hoạt động sinh lý của các cơ quan của chúng ta và sự phức tạp đáng kinh ngạc của các cơ chế sinh học của chúng ta.

Bạn có được đào tạo về nghệ thuật không? Làm thế nào quan trọng là sự sáng tạo và có một nhận thức trực quan mạnh mẽ trong công việc của bạn?

Như tôi đã nói, tôi đã lấy được bằng kiến trúc đầu tiên vào năm 2013, điều này đã giúp phát triển sự nhạy cảm nghệ thuật của tôi. Mặc dù tôi không đặc biệt quan tâm đến việc xây dựng các tòa nhà hoặc xây dựng hiện vật, nhưng bằng cấp về kiến trúc đã cung cấp cho tôi những kiến thức quan trọng hữu ích cho tôi trong lĩnh vực y sinh. Trong quá trình học với tư cách là một kiến trúc sư, tôi đã học được rất nhiều về hình học mô tả và công nghệ 3D, đây là hai môn học hấp dẫn và cực kỳ hữu ích. Sau đó, tôi phát triển khả năng kết nối tư duy hợp lý với tư duy nghệ thuật và sáng tạo, điều này thực sự hữu ích trong cuộc sống nói chung.

Tại thời điểm nào bạn bắt đầu kết hợp 3D vào công việc của mình với tư cách là một kỹ sư y sinh?

Ngay sau khi tốt nghiệp kiến trúc đầu tiên, tôi nghĩ sẽ rất hữu ích nếu đưa 3D vào lĩnh vực y sinh. Năm 2013, 3D trong y học và sinh học không được phát triển như ngày nay. Khả năng nhìn thấy các phân tử, cơ quan và mô ở ba chiều đã mê hoặc tôi, vì vậy tôi bắt đầu điều tra các công cụ phần mềm và phần cứng cần thiết để biến đổi, ví dụ, một hình ảnh X quang thành mô hình 3D. Sau đó, tôi khám phá ra thế giới sinh học phân tử, nơi 3D có vai trò không chỉ trong giao tiếp mà còn trong nghiên cứu thực tế.

Trên thực tế, các phân tử hữu cơ của sinh vật chúng ta là cấu trúc protein với hình dạng ba chiều chính xác có thể thu được từ các công nghệ quét sử dụng tia X hoặc gần đây hơn là từ các thuật toán trí tuệ nhân tạo tinh vi. Ngay cả một lỗi nhỏ ở dạng 3D của một loại protein nhất định cũng có thể gây ra khiếm khuyết nghiêm trọng về sức khỏe con người. Điều này là hoàn toàn tuyệt vời.

Bản tái tạo cấu trúc phân tử Sars-CoV2 của bạn đã được công bố trên trang bìa của tạp chí khoa học Tương tác phân tử sinh học của Elsevier. Đó là một thành tích ấn tượng! Làm thế nào mà điều đó xảy ra?

Đối với công việc này, tôi đã được liên lạc với Tiến sĩ Antonella Di Pizio, một nhà nghiên cứu tại Viện Sinh học Hệ thống Thực phẩm Leibniz tại Đại học Kỹ thuật Munich, người rất quan tâm đến các kỹ thuật kết xuất của phân tử Sars-CoV-2. Antonella đề nghị tôi mô tả chi tiết việc thực hiện kết xuất quang học của phân tử để xuất bản bài báo này trên tạp chí khoa học bị ảnh hưởng Phương pháp trong Sinh học tế bào. Tác phẩm của tôi thậm chí còn được chọn cho bìa Tập 169 của loạt bài Tương tác phân tử sinh học Phần A và đây là một sự hài lòng lớn. Sức mạnh của kết xuất quang học thực sự đáng kinh ngạc khi được áp dụng để đại diện cho các phân tử sinh học nhỏ vô hạn của con người.

Mức độ nghiên cứu nào đằng sau việc tạo ra một kết xuất như vậy? Phần nào còn lại cho trí tưởng tượng nghệ thuật?

Đây là một chủ đề đặc biệt quan trọng trong đại diện 3D khoa học.

Khi chúng ta muốn đại diện trong 3D một phân tử của sinh vật của chúng ta (ví dụ như protein), chúng ta phải đối phó với những gì các tài liệu khoa học cung cấp cho phân tử này.

Nói chung, bằng cách truy cập cơ sở dữ liệu có chứa cấu trúc protein ở dạng 3D, chúng tôi có thể có được hình dạng ba chiều chính xác của cấu trúc mà chúng tôi dự định đại diện. Tuy nhiên, phải lưu ý rằng cấu trúc này là kết quả của quá trình quét phân tử thông qua các kỹ thuật hình ảnh X quang như tinh thể học tia X.

Những kỹ thuật này có thể có một mức độ không chính xác nhất định trong việc tái tạo 3D của phân tử được nghiên cứu, vì vậy một số phần của phân tử có thể không được thể hiện tốt trong 3D và có thể bị bỏ qua trong biểu diễn cuối cùng.

Do đó, tất cả các bộ phận của phân tử được thể hiện tốt và những phần bị thay đổi bởi "khoảng trống" hoặc "lỗ hổng" trong cấu trúc được giải thích trên cơ sở dữ liệu protein 3D.

Khi chúng ta phải đại diện cho một phần "trống rỗng" của protein có hình dạng ba chiều mà chúng ta không biết chính xác, trong mọi trường hợp, chúng ta không thể dựa vào sự sáng tạo nghệ thuật của mình mà chúng ta phải nhìn thấy thực tế rằng phần đó của phân tử không thể đại diện về mặt vật lý. Chúng ta có thể làm điều này bằng cách xấp xỉ các phần "trống" với các hình dạng hình học cơ bản (ví dụ với các hình dạng hình ống hoàn hảo để làm rõ rằng phần đó của phân tử bị thiếu).

Ý tưởng nghệ thuật không được phép trên cấu trúc 3D của protein đã được xác định bởi khoa học mà thay vào đó là có thể trên mọi thứ liên quan đến kết xuất, vật liệu, thiết kế ánh sáng của cảnh và nói chung, bối cảnh scenographic mà bạn muốn chèn protein.

Bạn đã mô hình hóa và kết cấu các chi tiết nhỏ phức tạp trong các tế bào như thế nào?

Các mô hình ba chiều của các phân tử phức tạp của cơ thể chúng ta được mô tả cẩn thận trong các tệp .pdb. Chúng ta có thể so sánh chúng với các tệp .stl hoặc .obj phổ biến nhưng các tệp này chứa thông tin phức tạp như tọa độ của các nguyên tử tạo nên phân tử, trình tự axit amin của chính protein và một số thẻ tin sinh học quan trọng khác.

Do đó, không phải người vận hành mô hình hóa thủ công protein ở dạng 3D mà điều này thu được từ các tài liệu khoa học lắng đọng cấu trúc 3D (và các tệp liên quan) của các protein mà chúng ta biết ngày nay trên các nền tảng quốc tế như www.rcsb.org

Ông có thể chia sẻ quá trình tạo ra ánh sáng không?

Ánh sáng là nền tảng trong các công việc của chúng ta. Tôi là một fan hâm mộ lớn của thiết kế ánh sáng, và nếu tôi không đi theo con đường sinh học, rất có thể tôi đã chọn trở thành một nhà thiết kế ánh sáng cho các buổi biểu diễn và biểu diễn sân khấu.

Tôi thường sử dụng hai loại nguyên tố ánh sáng trong V-Ray: Ánh sáng mặt phẳng và Ánh sáng hình cầu. Trước khi "bật" đèn, tôi thu thập toàn bộ cảnh của mình bên trong một quả cầu lớn để tạo ra bóng tối hoàn toàn. Sau đó, tôi áp dụng vật liệu ghi đè hoàn toàn màu xám cho toàn bộ cảnh và bắt đầu giai đoạn thiết kế ánh sáng để kiểm tra hiệu ứng cuối cùng.

Tôi cần đèn để làm nổi bật một số phần của các phân tử phải có vẻ "bật" như đèn lồng. Điều này giúp tôi mô phỏng thực tế rằng các bộ phận của phân tử này "hoạt động" về mặt sinh học trong một thời điểm cụ thể của cảnh được đại diện. Đối với điều đó, tôi sử dụng đèn hình cầu trong các bộ phận của phân tử để làm nổi bật và sau đó tôi áp dụng Vật liệu tán xạ dưới bề mặt. Tôi thấy tài liệu này đáng kinh ngạc vì nó cho phép tôi tạo ra những cảnh chân thực chính xác như tôi nghĩ trong đầu.

Sau đó, tôi chuyển sang đèn bên ngoài phân tử và có xu hướng để cấu trúc protein chính chỉ được chiếu sáng ở một vài điểm cụ thể nhỏ trong khi phần còn lại thường gần như hoàn toàn tối. Tôi sử dụng hiệu ứng sân khấu này trong tất cả các tác phẩm của mình.

Ý tưởng là chỉ thu hút ánh mắt của người xem vào những phần mà tôi muốn làm nổi bật. Để làm điều này, tôi mang một ánh sáng hình cầu được hiệu chỉnh cẩn thận gần với phần của phân tử mà tôi muốn làm nổi bật. Tôi không sử dụng Spot-Light vì tôi không thích sức mạnh mà nguyên tố này chiếu sáng phân tử.

Sau đó, tôi chuyển sang ánh sáng nền. Đối với điều này, tôi sử dụng Plane Light dựa vào các bức tường của thùng chứa hình cầu. Tôi thường sử dụng hai hoặc ba đèn hình cầu, hai trong số đó được đặt sang một bên đối diện nhau với hai màu bổ sung khác nhau. Tôi đặt vị trí thứ ba cao hơn để mang lại cảm giác sâu sắc hơn.

Làm thế nào để bạn tiếp cận sáng tác trong công việc của bạn? Có bất kỳ cơ chế nào mà bạn sử dụng không?

Nó thực sự phụ thuộc vào phân tử tôi muốn đại diện. Trong một số phân tử, Quy tắc một phần ba là cơ bản, trong khi đối với những phân tử khác, tôi chèn phân tử chính xác vào trung tâm của cảnh với khoảng trống xung quanh nó. Điều quan trọng là có thể đại diện cho thực tế là trong sinh vật của chúng ta, các phân tử mà tôi đại diện đang chuyển động liên tục và rất nhanh. Những gì chúng ta thấy trong kết xuất chỉ đơn giản là một khung hình duy nhất: một hình ảnh tĩnh.

Trong thực tế, sẽ có sự chuyển động liên tục của phân tử chính trong hiện trường và của các phân tử khác xung quanh nó do sự tương tác tĩnh điện của các nguyên tử tạo nên nó. Để làm điều này, tôi thường đặt ở tiền cảnh và ở hậu cảnh các phân tử khác "đang chuyển động" bị nhòe vì tôi luôn lấy nét bằng một điểm trực tiếp vào phân tử trong khu vực tôi muốn lấy nét (Độ sâu trường ảnh - Điểm cố định trong cài đặt máy ảnh).

Yếu tố quan trọng nhất cần xem xét khi kết xuất để đạt được độ chính xác sinh học cực cao là gì?

Bạn cần biết làm thế nào phân tử được tạo ra từ quan điểm của sinh học phân tử. Điều này có nghĩa là nghiên cứu cẩn thận các tài liệu khoa học thường đi kèm với cấu trúc 3D có sẵn trên cơ sở dữ liệu. Bằng cách nghiên cứu các bài báo khoa học liên quan đến phân tử cụ thể, có thể hiểu cấu trúc của nó, cách nó được tạo ra, trình tự axit amin chính xác của nó, và do đó các khía cạnh quan trọng khác nhau có thể được hiểu như đâu là điểm mà phân tử đó liên kết với các phân tử khác hoặc với thuốc. Độ chính xác sinh học trong biểu diễn 3D chỉ có thể đạt được nếu bạn tránh sử dụng trí tưởng tượng của chính mình trong việc xác định hình học 3D của protein và hiểu đầy đủ cấu trúc sinh học của phân tử.

Tính năng V-Ray for Rhino yêu thích của bạn là gì?

Kết xuất tương tác là điều cần thiết cho loại công việc này, nhưng khả năng kết xuất trên Đám mây là cơ bản. Trong các phòng thí nghiệm sinh học, chúng tôi không có các trang trại kết xuất có khả năng hỗ trợ các kết xuất có độ phân giải cao phức tạp. Vì lý do này, sự dễ dàng và đơn giản mà V-Ray for Rhino cho phép kiểm soát kết xuất theo cách tương tác và kết xuất tiếp theo trong Đám mây thực sự hữu ích. Cách đơn giản để có thể xác định các tài liệu cũng rất hữu ích, quản lý để ngay lập tức có được vật liệu tốt cho cảnh.

Tương tự như các đánh giá ngang hàng trên các tạp chí viết, minh họa khoa học và kết xuất phải tuân theo một quy trình xác nhận nghiêm ngặt. Bạn có thể chia sẻ nó với chúng tôi?

Quá trình xác thực hình ảnh có thể được thực hiện bởi chính người vận hành, người tạo ra cảnh hoặc bởi các phòng thí nghiệm khác mà yêu cầu giám sát. Ví dụ, trong trường hợp đại diện cho phân tử Sars-CoV-2, tôi đã sử dụng sự giám sát của Phòng thí nghiệm Vi sinh của Bệnh viện Bambino Gesù ở Rome, nơi phân tử được giám sát cẩn thận.

Bạn đã sắp xếp những dự án nào tiếp theo?

Hiện tại, chúng tôi đang tiếp tục sự hợp tác phổ biến khoa học của hình ảnh phân tử quang học với tạp chí uy tín focus của Ý. Sau đó, chúng tôi sẽ có thể tổ chức hội thảo trên web và hội thảo dành riêng cho lĩnh vực này cho tất cả các nhà nghiên cứu và nhà điều hành đam mê trong lĩnh vực sinh học và trực quan khoa học, những người quan tâm đến việc tìm hiểu thêm.