3、VTK基礎(chǔ)概念

在第2章里，我們已經(jīng)接觸了一個簡單的VTK工程，也掌握了怎么使用CMake來構(gòu)建VTK工程的步驟，本書后續(xù)章節(jié)的所有例子都是采用第2章介紹的步驟來構(gòu)建VTK的工程。

本章我們先在第2章TestVTKInstall的基礎(chǔ)上作一些更改，演示一個能夠交互的VTK應(yīng)用程序。與前面的風格類似，我們先是讓你“知其然”，然后再慢慢地讓你“知其所以然”。

3.1 一個稍微復(fù)雜的VTK程序

首先當然是寫一個CMakeLists.txt文件。在D:\Toolkits\VTK\Examples\下新建一個文件夾，名為3.1.1_RenderCylinder，在該目錄下新建CMakeLists.txt和RenderCylinder.cpp文件。

?

示例3.1.1_RenderCylinder的CMakeLists.txt

?? 1:?cmake_minimum_required(VERSION 2.8)

?? 2:?project(RenderCylinder)

?? 3:?find_package(VTK REQUIRED)

?? 4:?include(${VTK_USE_FILE})

?? 5:?add_executable(${PROJECT_NAME} RenderCylinder.cpp)

?? 6:?target_link_libraries(${PROJECT_NAME} ${VTK_LIBRARIES})

?

示例3.1.1_RenderCylinder

1:? #include "vtkSmartPointer.h"

?? 2:?#include "vtkRenderWindow.h"

?? 3:?#include "vtkRenderer.h"

?? 4:?#include "vtkRenderWindowInteractor.h"

?? 5:?#include "vtkInteractorStyleTrackballCamera.h"

?? 6:?#include "vtkCylinderSource.h"

?? 7:?#include "vtkPolyDataMapper.h"

?? 8:?#include "vtkActor.h"

?? 9:??

? 10:?int ??main()

? 11:? {

? 12:???vtkSmartPointer<vtkCylinderSource> cylinder =

? 13:?????vtkSmartPointer<vtkCylinderSource>::New();

? 14:???cylinder->SetHeight( 3.0 );

? 15:???cylinder->SetRadius( 1.0 );

? 16:???cylinder->SetResolution( 10 );

? 17:???

? 18:???vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> cylinderMapper =

? 19:?????vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();

? 20:???cylinderMapper->SetInputConnection( cylinder->GetOutputPort() );

? 21:??

? 22:???vtkSmartPointer<vtkActor> cylinderActor =

? 23:?????vtkSmartPointer<vtkActor>::New();

? 24:???cylinderActor->SetMapper( cylinderMapper );

? 25:??

? 26:???vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer =

? 27:?????vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();

? 28:???renderer->AddActor( cylinderActor );

? 29:???renderer->SetBackground( 0.1, 0.2, 0.4 );

? 30:??

? 31:???vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renWin =

? 32:?????vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();

? 33:???renWin->AddRenderer( renderer );

? 34:???renWin->SetSize( 300, 300 );

? 35:??

? 36:???vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> iren =

? 37:?????vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();

? 38:???iren->SetRenderWindow(renWin);

? 39:??

? 40:???vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleTrackballCamera> style =

? 41:?????vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleTrackballCamera>::New();

? 42:???iren->SetInteractorStyle(style);

? 43:??

? 44:???iren->Initialize();

? 45:???iren->Start();

? 46:??

? 47:???return 0;

? 48:? }

?

跟上一章的步驟一樣，運行CMake –> Configure –> Generate。接著打開生成的RenderCylinder.sln文件，F7編譯，F5調(diào)試運行(這些快捷鍵可能不同版本的VS不太一樣，也可以用菜單來操作，這個步驟在本書后續(xù)章節(jié)將不再贅述)，程序運行結(jié)果如圖3.1所示。

圖3.1 示例3.1.1_RenderCylinder的運行結(jié)果

可以使用鼠標與柱體(圖3.1)交互，比如用鼠標滾輪可以對柱體放大、縮小；按下鼠標左鍵不放，然后移動鼠標，可以轉(zhuǎn)動柱體；按下鼠標左鍵，同時按下Shift鍵，移動鼠標，可以移動整個柱體，等等。其他的功能你也可以試著摸索一下，比如按下Ctrl鍵時再按鼠標左鍵；鼠標停留在柱體上，然后按下P鍵；試著按一下字母E呢？

接下來我們詳細解釋一下示例3.1.1_RenderCylinder里每行代碼的含義以及所用到的VTK的類。從包含的頭文件可以看出，除了vtkSmartPointer和vtkRenderWindow在第2章已經(jīng)介紹過，其他6個類都是新加入的。

(1)???vtkCylinderSource：(第12-16行)，派生自vtkPolyDataAlgorithm。顧名思義，vtkCylinderSource生成的數(shù)據(jù)類型就是PolyData(vtkPolyData)的，它主要是生成一個中心在渲染場景原點的柱體，柱體的長軸沿著Y軸，柱體的高度、截面半徑等都可以任意指定。

vtkCylinderSource::SetHeight() ——設(shè)置柱體的高。

vtkCylinderSource::SetRadius() ——設(shè)置柱體橫截面的半徑。

vtkCylinderSource::SetResolution() ——設(shè)置柱體橫截面的等邊多邊形的邊數(shù)。轉(zhuǎn)動一下柱體，然后數(shù)數(shù)柱體橫截面有多少條邊，應(yīng)該就能明白這個參數(shù)表示什么意思。

(2)??vtkPolyDataMapper：(第18-20行)，渲染多邊形幾何數(shù)據(jù)(vtkPolyData)，派生自類vtkMapper，將輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為幾何圖元(點、線、多邊形)進行渲染。

vtkPolyDataMapper::SetInputConnection() —— VTK可視化管線的輸入數(shù)據(jù)接口，對應(yīng)的可視化管線輸出數(shù)據(jù)的接口為GetOutputPort()；VTK5.0之前的版本使用SetInput()和GetOutput()作為輸入輸出接口，VTK 5.0以后版本保留了對這兩個接口的支持。關(guān)于這兩者的區(qū)別，后續(xù)內(nèi)容會詳細介紹。

(3)???vtkActor：(第22-24行)，派生自vtkProp類，渲染場景中數(shù)據(jù)的可視化表達是通過vtkProp的子類負責的。比如，本例要渲染一個柱體，柱體的數(shù)據(jù)類型是vtkPolyData，數(shù)據(jù)要在場景中渲染時，不是直接把數(shù)據(jù)加入渲染場景就可以，待渲染的數(shù)據(jù)是以vtkProp的形式存在于渲染場景中。三維空間中渲染對象最常用的vtkProp子類是vtkActor(表達場景中的幾何數(shù)據(jù))和vtkVolume(表達場景中的體數(shù)據(jù))；二維空間中的數(shù)據(jù)則是用vtkActor2D表達。vtkProp子類負責確定渲染場景中對象的位置、大小和方向信息。Prop依賴于兩個對象(Prop一詞來源于戲劇里的“道具”，在VTK里表示的是渲染場景中可以看得到的對象。)，一個是Mapper(vtkMapper)對象，負責存放數(shù)據(jù)和渲染信息，另一個是屬性(vtkProperty)對象，負責控制顏色、不透明度等參數(shù)。

VTK中定義了大量(超過50個)的Prop類，如vtkImageActor(負責圖像顯示)和vtkPieChartActor(用于創(chuàng)建數(shù)組數(shù)據(jù)的餅圖可視化表達)。其中的一些Prop內(nèi)部直接包括了控制顯示的參數(shù)和待渲染數(shù)據(jù)的索引，因此并不需要額外的Property和Mapper對象。vtkActor的子類vtkFollower可以自動的更新方向信息以保持始終面向一個特定的相機。這樣無論怎樣旋轉(zhuǎn)，三維場景中的廣告板(Billboards)或者文本都是可見的。vtkActor的子類vtkLODActor可以自動改變自身的幾何表達來實現(xiàn)需要達到的交互幀率。vtkProp3D的子類vtkLODProp3D則是通過從許多Mapper(可以是體數(shù)據(jù)的Mapper和幾何數(shù)據(jù)的Mapper集合)中進行選擇來實現(xiàn)交互。vtkAssembly建立Actor的等級結(jié)構(gòu)以便在整個結(jié)構(gòu)平移、旋轉(zhuǎn)或者縮放時能夠更合理的控制變換。

vtkActor::SetMapper()——設(shè)置生成幾何圖元的Mapper。即連接一個Actor到可視化管線的末端(可視化管線的末端就是Mapper)。

(4)???vtkRenderWindow：(第31-34行)，將操作系統(tǒng)與VTK渲染引擎連接到一起。不同平臺下的vtkRenderWindow子類負責本地計算機系統(tǒng)中窗口創(chuàng)建和渲染過程管理。當使用VTK開發(fā)應(yīng)用程序時，你只需要使用平臺無關(guān)的vtkRendererWindow類，運行時，系統(tǒng)會自動替換為平臺相關(guān)的vtkRendererWindow子類。比如，Windows下運行上述的VTK程序，實際創(chuàng)建的是vtkWin32OpenGLRenderWindow(vtkRenderWindow的子類)對象。vtkRenderWindow中包含了vtkRenderer集合、渲染參數(shù)，如立體顯示（Stereo），反走樣，運動模糊（Motion Blur）和焦點深度（Focal Depth）等。

vtkRenderWindow::AddRenderer() ——加入vtkRenderer對象。

vtkRenderWindow::SetSize() ——該方法是從vtkRenderWindow的父類vtkWindow繼承過來的，用于設(shè)置窗口的大小，以像素為單位。

(5)???vtkRenderer：(第26-29行)，負責管理場景的渲染過程。組成場景的所有對象包括Prop，照相機(Camera)和光照(Light)都被集中在一個vtkRenderer對象中。一個vtkRenderWindow中可以有多個vtkRenderer對象，而這些vtkRenderer可以渲染在窗口中不同的矩形區(qū)域中(即視口)，或者覆蓋整個窗口區(qū)域。

vtkRenderer::AddActor() ——添加vtkProp類型的對象到渲染場景中。

vtkRenderer::SetBackground() ——該方法是從vtkRenderer的父類vtkViewport繼承的，用于設(shè)置渲染場景的背景顏色，用R、G、B的格式設(shè)置，三個分量的取值為0.0~ 1.0。(0.0,0.0, 0.0)為黑色，(1.0,1.0, 1.0)為白色。除了可以設(shè)置單一的背景顏色之外，還可以設(shè)置漸變的背景顏色，vtkViewport::SetBackground2()用于設(shè)置漸變的另外一種顏色，但是要使背景顏色漸變生效或者關(guān)閉，必須調(diào)用以下的方法：

vtkViewport::SetGradientBackground(bool) ——參數(shù)為0是關(guān)閉，反之，打開。

vtkViewport::GradientBackgroundOn()—— 打開背景顏色漸變效果，相當于調(diào)用方法SetGradientBackground(1)。

vtkViewport::GradientBackgroundOff() ——關(guān)閉背景顏色漸變效果。相當于調(diào)用方法SetGradientBackground(0)。

(6)???vtkRenderWindowInteractor：(第36-38行)，提供平臺獨立的響應(yīng)鼠標、鍵盤和時鐘事件的交互機制，通過VTK的Command/Observer設(shè)計模式將監(jiān)聽到的特定平臺的鼠標、鍵盤和時鐘事件交由vtkInteractorObserver或其子類，如vtkInteractorStyle進行處理。vtkInteractorStyle等監(jiān)聽這些消息并進行處理以完成旋轉(zhuǎn)、拉伸和放縮等運動控制。vtkRenderWindowInteractor自動建立一個默認的3D場景交互器樣式(Interactor Style)：vtkInteractorStyleSwitch，當然你也可以選擇其他的交互器樣式，或者是創(chuàng)建自己的交互器樣式。在本例中，我們就是選擇了其他的交互器樣式來替代默認的：vtkInteractorStyleTrackballCamera。

vtkRenderWindowInteractor::SetRenderWindow()——設(shè)置渲染窗口，消息是通過渲染窗口捕獲到的，所以必須要給交互器對象設(shè)置渲染窗口。

vtkRenderWindowInteractor::SetInteractorStyle()——定義交互器樣式，默認的交互樣式為vtkInteractorStyleSwitch。

vtkRenderWindowInteractor::Initialize() ——為處理窗口事件做準備，交互器工作之前必須先調(diào)用這個方法進行初始化。

vtkRenderWindowInteractor::Start() ——開始進入事件響應(yīng)循環(huán)，交互器處于等待狀態(tài)，等待用戶交互事件的發(fā)生。進入事件響應(yīng)循環(huán)之前必須先調(diào)用Initialize()方法。

(7)???vtkInteractorStyleTrackballCamera：(第40-41行)，交互器樣式的一種，該樣式下，用戶是通過控制相機對物體作旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等操作。做個類比：我們在照相的時候如果要想物體看起來顯得大一些，我們可以采取兩種做法，第一種做法是相機不動，讓我們要拍的物體靠近我們；第二種做法是物體不要動，我們把相機靠近物體，這樣物體看起來也是大一些。第二種做法就是vtkInteractorStyleTrackballCamera的風格。其父類為vtkInteractorStyle，除了vtkInteractorStyleTrackballCamera之外，VTK還定義了其他多種交互器樣式，如vtkInteractorStyleImage，主要用于顯示二維圖像時的交互。

以上內(nèi)容我們是逐行代碼進行解釋，并稍微做了擴展。可能你看了以后會覺得比較零散，還是不夠系統(tǒng)、全面。下面我們就從稍微宏觀的角度重新看看這個例子的代碼。繼續(xù)下面的內(nèi)容之前，我們先來看一個類比，可能沒有你想的形象，但它對我們理解例子的代碼還是會有幫助的。

當我們?nèi)タ次枧_劇的時候，我們坐在臺下，展現(xiàn)在我們面前的是一個舞臺，舞臺上有各式的燈光，各樣的演員。演員出場的時候肯定是會先化妝，有些演員可能會打扮成高富帥，有些演員可能會化妝成白富美。觀眾有時還會與臺上的演員有一定的互動。

整個劇院就好比VTK程序的渲染窗口(vtkRenderWindow)；舞臺就相當于渲染場景(vtkRenderer)；而那些高富帥、白富美就是我們程序中的Actor(有些文獻翻譯成“演員”，有些翻譯成“角色”，這里我們不作翻譯)；臺上的演員與臺下觀眾的互動可以看成是程序的交互(vtkRenderWindowInteractor)；演員與觀眾的互動方式有很多種，現(xiàn)場的觀眾可以直接上臺跟演員們握手擁抱，電視機前的可以發(fā)短信，電腦、移動終端用戶等可以微博關(guān)注、加粉等等，這就好比我們程序里的交互器樣式(vtkInteractorStyle)；舞臺上的演員我們都能一一分辨出來，不會把高富帥弄混淆，是因為他們化的妝、穿的服飾都不一樣，這就相當于我們程序里vtkActor的不同屬性(vtkProperty)；臺下觀眾的眼睛可以看作是vtkCamera，前排的觀眾因為離得近，看臺上演員會顯得比較高大，而后排的觀眾看到的會顯得小點，每個觀眾看到的東西在他的世界里都是唯一的，所以渲染場景Renderer里的vtkCamera對象也是只有一個；舞臺上的燈光可以有多個，所以渲染場景里的vtkLight也存在多個。可以參考一下圖3.2，加深理解。

圖3.2VTK渲染場景以及各主要對象

3.2 vtkActor及相關(guān)屬性

由前面的內(nèi)容我們知道，數(shù)據(jù)渲染時不是直接加入渲染場景，而是以vtkProp的形式存在的，因此有必要再詳細討論一下vtkProp及其子類，圖3.3為vtkProp類的繼承圖。

圖3.3 類vtkProp的繼承圖

3.2.1vtkProp和vtkProp3D

vtkProp是任何存在于渲染窗口的對象的父類，包括二維或者三維的對象。換言之，在渲染窗口里能夠看得到的對象(這些對象都稱作Prop)，都是從vtkProp繼承過來的。在這個類里定義了用于拾取(Picking)、LOD(Level-Of-Detail)操作的方法，同時也定義了確定Prop是否可見、可否被拾取以及可否被拖動等的變量。即：

?

SetVisibility(int) / GetVisibility () /VisibilityOn () /VisibilityOff ()

Pick () / SetPickable (int) / GetPickable () / PickableOn() / PickableOff ()

SetDragable (int) / GetDragable () / DragableOn () /DragableOff()

?

vtkProp3D從vtkProp直接派生，是對象在三維渲染場景中的表達形式。把一個對象放置在三維場景時，首先要考慮的是這個對象到底要放在場景中的哪個位置，擺放的方向如何等等，這些信息在vtkProp3D內(nèi)部用一個4×4的矩陣來表示。默認構(gòu)造的vtkProp3D對象原點為(0,0,0)，放置的位置為(0,0,0)，放置的方向為(0,0,0)，用戶自定義的矩陣或者變換為空。以下是vtkProp3D定義的用于放置vtkProp3D對象的方法：

l? SetScale (double) / GetScale ()：設(shè)置/獲取各向同性的縮放比例。

l? SetScale (double, double,double) / GetScale (double)：設(shè)置/獲取各同異性的縮放比例。

l? RotateX (double) / RotateY (double) / RotateZ (double)：分別繞X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)指定角度。

l? RotateWXYZ (double, double,double, double)：繞指定的方向旋轉(zhuǎn)指定的角度，第一個參數(shù)表示旋轉(zhuǎn)角度，后三個參數(shù)確定一個方向。GetOrientationWXYZ()用于獲取對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

l? SetOrientation (double, double,double) / GetOrientation ()：設(shè)置vtkProp3D對象的方向。先繞Z軸旋轉(zhuǎn)，然后繞X軸，最后繞Y軸旋轉(zhuǎn)，從而確定vtkProp3D對象的方向。

l? AddOrientation (double, double,double)：在vtkProp3D對象的當前方向增加一個給

定的偏移。

l? SetPosition (double, double,double) / GetPosition ()：在世界坐標系下，指定/獲取vtkProp3D對象的位置。

l? AddPosition (double, double,double)：在vtkProp3D對象的當前位置增加一個偏移。

l? SetOrigin (double, double,double ) / GetOrigin ()：設(shè)置/獲取vtkProp3D對象的原點。

3.2.2vtkActor及其屬性

前面的內(nèi)容已經(jīng)提到：Prop依賴于兩個對象，一個是Mapper(vtkMapper)對象，負責存放數(shù)據(jù)和渲染信息，另一個是屬性(vtkProperty)對象，負責控制顏色、不透明度等參數(shù)。對應(yīng)的這兩個方法就是在類vtkActor里定義的：

l? SetMapper (vtkMapper *)：設(shè)置定義Actor幾何形狀的Mapper。

l? SetProperty (vtkProperty *)：設(shè)置Actor的屬性，包括表面屬性，如環(huán)境光(Ambient)、散射光(Diffuse)、鏡面光(Specular)、顏色、透明度等；紋理映射；點的大小，線的寬度設(shè)置等。每一個Actor都有一個屬性對象(vtkProperty的實例)與之相關(guān)聯(lián)，如果沒有給Acttor指定相應(yīng)的屬性(3.1.1的例子就沒有指定)，VTK會指定默認的屬性對象。多個Actor可以共享一個屬性對象。請看以下的代碼：

?

//控制Actor屬性方法一：先獲取Actor的Property對象，然后設(shè)置對應(yīng)的參數(shù)。

//調(diào)用以下方法時，應(yīng)該先包括頭文件：#include“vtkProperty.h”

//改變cylinderActor顏色為紅色，可以直接調(diào)用SetColor()，也可調(diào)用SetDiffuseColor()。

cylinderActor->GetProperty()->SetColor(1.0,0.0,0.0);

//cylinderActor->GetProperty()->SetDiffuseColor(1.0,0.0,0.0);

?

//控制Actor屬性的方法二：先實例化vtkProperty對象，然后加入到Actor里。

vtkSmartPointer<vtkProperty>cylinderProperty = vtkSmartPointer<vtkProperty>::New();

cylinderProperty->SetColor(1.0,0.0,0.0);

cylinderActor->SetProperty(cylinderProperty);

?

以上兩種方法都可以改變一個Actor的屬性，第一種方法相對來說比較簡單，直接設(shè)置即可，第二種方法則需要先實例化一個vtkProperty對象，但第二種方法比較靈活，而且如果想把多個Actor設(shè)置成同一屬性時，所需的代碼是最少的。

接著，我們看看怎么使用vtkProperty給Actor貼紋理圖(與紋理圖相關(guān)的類：vtkTexture)，我們在以上例子的基礎(chǔ)上作一下修改，在柱體上貼一個圖。

//在3.1.1_RenderCylinder程序的最開始加入下列的代碼

vtkSmartPointer<vtkBMPReader>bmpReader = vtkSmartPointer<vtkBMPReader>::New();

bmpReader->SetFileName("doling.bmp");

?

vtkSmartPointer<vtkTexture>texture = vtkSmartPointer<vtkTexture>::New();

texture->SetInputConnection(bmpReader->GetOutputPort());

texture->InterpolateOn();

//實例化cylinderActor對象以后，調(diào)用以下代碼

cylinderActor->SetTexture(texture);

?

程序運行結(jié)果如圖3.4所示：

圖3.4 使用vtkProperty和vtkTexture給Actor貼紋理圖

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的一个稍微复杂的VTK程序的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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