3D科研绘图与学术图表绘制从入门到精通 科技绘图与科学可视化专业教程

一本书精通3D科研绘图与学术图表绘制的核心技术！

本书共7章，系统讲解了化学、材料学、生物医学等领域的作图需求和相关软件技术，并从设计基本概念、软件底层原理和案例实际操作三个方面展开全方位的教学。本书在内容的设定和案例的选择上充分考虑了读者对象的需求，无论是刚入门的初学者还是寻求深度发展的科学可视化人员，都能从中汲取所需的知识。特别是涉及专业科学可视化部分的内容，有效填补了现有同类型参考书的空白。本书专为有图像设计需求的研究人员和科学可视化从业者编写。

李浩东，复旦大学高分子专业博士，国内3D科研绘图微信公众号“3D科研绘图”主笔，杭州思斐迩科技有限公司联合创始人之一、设计总监。曾为全球上百家高校和科研机构提供设计服务，包括中科院、清华、北大、MIT、Stanford、ETHZurich、EPFL等，设计作品被Science、Nature、JACS、Angew等知名期刊选用。目前已为浙江大学、同济大学、上海科技大学、武汉大学、中科院大连化物所、山西煤化所、青岛生物能源所等单位提供专业绘图讲座和培训，线上线下总受众数超十万人。

第一章　科学可视化概述

1.1 科学可视化的发展历程

1.2 图像化语言在科学传播中的意义

1.3 图像设计基础

1.3.1 位图与矢量图

1.3.2 论文图像的尺寸和分辨率

1.3.3 颜色模式的选择

1.4 科研绘图常用软件介绍

1.4.1 数据图表类

1.4.2 矢量图类

1.4.3 分子可视化类

1.4.4 三维建模类

1.5 科研图像的主体设计思路

1.5.1 面向过程

1.5.2 面向结果

1.5.3 期刊封面的综合设计

第二章　数据的3D可视化

2.1 三维数据的展现形式

2.2 Origin中三维图形的制作方法

2.2.1 散点图

2.2.2 曲线图

2.2.3 曲面图

2.3 平面图的高维展示

2.3.1 色彩也是一种维度

2.3.2 医学影像的三维重建

第三章　分子结构的3D可视化

3.1 常用的分子可视化软件

3.1.1 分子绘制软件

3.1.2 晶体可视化软件

3.1.3 蛋白质分子可视化软件

3.2 Chem3D创建分子的立体结构

3.2.1 分子立体模型的绘制

3.2.2 分子文件生成模型

3.3 Diamond编辑晶体分子结构

3.3.1 Diamond软件介绍

3.3.2 Diamond软件的基本设置和基础操作

3.3.3 Diamond应用案例

3.4 ChimeraX编辑蛋白质分子结构

3.4.1 ChimeraX软件简介

3.4.2 蛋白质分子的表现形式

3.4.3 对象选择和颜色设置

第四章　三维软件基础和微纳米材料的3D可视化

4.1 来自材料科学的可视化需求

4.2 三维软件中的空间思维

4.2.1 空间视图基本概念

4.2.2 坐标、颜色与方向

4.2.3 C4D软件设置和基础操作

4.3 三维模型的构建思路

4.3.1 基于NURBS的曲面建模

4.3.2 点、边和多边形网格

4.3.3 等值面和距离场

4.4 轮廓与光影

4.4.1 材质和照明

4.4.2 模型的轮廓线

4.4.3 PowerPoint中的三维表现技巧

第五章　生命科学中的3D可视化

5.1 DNA分子模型

5.1.1 全原子DNA模型

5.1.2 简化DNA模型

5.2 细胞、细菌和病毒

5.2.1 运动图形的克隆工具

5.2.2 细胞和细胞器

5.2.3 细菌

5.2.4 病毒

5.3 组织、器官和生物体

5.3.1 血管和肿瘤建模

5.3.2 生物医学插画中的三维效果

5.3.3 模型的细节雕刻

第六章　科研图像设计的基本法则

6.1 配色、排版与构图

6.1.1 色彩的选择

6.1.2 图像的排版

6.1.3 构图的技巧

6.2 如何在画面中突出重点

6.2.1 位置和视角

6.2.2 对比和强调

6.3 常用元素的绘制理念

6.3.1 表现结构

6.3.2 表现性质

6.3.3 表现过程

6.3.4 表现细节

第七章　科研绘图中的参数化设计

7.1 什么是参数化设计？

7.2 参数化让绘图更科学

7.2.1 XPresso与自定义参数

7.2.2 Grasshopper简介

7.3 设计中的数值计算和模拟

7.3.1 公式与函数

7.3.2 力学模拟

7.4 计算机图形的算法实现

7.4.1 分形与迭代

7.4.2 反应扩散图案

7.4.3 扩散限制凝聚

附录一　参考文献

附录二　软件快捷键

钱学森说：“我主张科学技术工作者多和文学艺术家交朋友，因为他们之间太隔阂了。”科学和艺术，一个讲究逻辑严谨，一个追求天马行空，两条看似截然不同的并行的轨道，实际上却有着千丝万缕的联系。

很多科学技术工作者都会有这样的困扰：如何让自己的工作看上去更有吸引力？内容的新颖性和重要性固然是一方面，而另一方面，成果展现的形式在很大程度上影响读者的关注和理解。对于编辑和读者而言，一篇文章中的插图往往是最先被注意到的对象，很大程度上会影响继续阅读下去的兴趣。特别是随着计算机图形技术的发展，示意或概念性插图在科研论文中出现的比重逐年上升。然而，相比于科学理论或实验的探索，研究人员在图像表达方面受到的培训却表现为完全不对等的欠缺。

科学可视化的诞生像是架起了一座沟通科学和艺术的桥梁。更准确地说，它使得科学图像能够以一种更加艺术化的方式表达出来。这无疑将有助于跨越学科、文化和语言的障碍。和传统艺术最大的区别在于，这一可视化方式主要基于科学的概念。很显然，一名合格的科学可视化工作者必须兼具基本的科学和艺术素养。本书的编写正是为了满足那些不懂设计的研究人员在图像创作方面的需求，同时也为那些没有科学背景的设计师提供了具有学术价值的参考。

读者在学习本书中的案例时，不要拘泥于单个步骤的操作，而应该对整体创作流程加以思考。技术总是容易过时的，随着软件版本的更新，某些具体的操作方式可能会随之发生改变，但设计的思路和软件操作的本质大抵是相通的，认真的学习者将在不断的思考和试错中获得进步。

和市面上其他相关书籍相比，本书的案例讲解更加系统全面，主体脉络清晰，层层递进，而非东拼西凑型的简单工具书式教学。此外，笔者拥有10年以上的科学研究和艺术设计双重经验。

当然，个人的经验和智慧总有局限性。虽然在编写的过程中参考了大量相关文献，但也很难考虑得面面俱到。无论是科学研究还是艺术创作，都是一个无止境的探索过程。如果本书能够帮助初学者打开科学可视化领域的大门，或是引发相关从业者的共鸣乃至更深层次的思考，它就实现了其应有的价值。

最后给那些愿意在科学可视化领域获得些许成就的个人提一点建议——懂得什么是美很重要。优秀的图像设计应如一首美妙的诗，每个字符都恰到好处地出现在它该出现的位置上。科学图像的创作同样如此，那些色彩、线条、光和影的交织，让人忍不住想要去了解其背后的故事。这创作本身不一定要多么华丽，毕竟，对科学的解释或思维的阐述才是其最重要的价值体现。

科学可视化提供了这样一种契机，使原本枯燥的知识和技术变得具象。正如万有引力本是个抽象的概念，但掉落的苹果终让艾萨克·牛顿的思想变得更加亲切而真实。