VTK图形图像开发进阶-学习笔记 02 VTK的基本概念

2.1 一个稍微复杂的VTK程序

创建VTK程序的步骤可以参考上一篇，这里直接列出CMakeLists.txt 和2.1_RenderCylinder.cpp内容

CMakeLists.txt

CMAKE_MINIMUM_REQUIRED(VERSION 3.13.4)
PROJECT(Chap02)
FIND_PACKAGE(VTK REQUIRED)
INCLUDE(${VTK_USE_FILE})
ADD_EXECUTABLE(2.1_RenderCylinder 2.1_RenderCylinder.cpp)
TARGET_LINK_LIBRARIES(2.1_RenderCylinder ${VTK_LIBRARIES} )

2.1_RenderCylinder.cpp

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
#include <vtkInteractorStyleTrackballCamera.h>
#include <vtkCylinderSource.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkActor.h>

int main(){
	vtkSmartPointer<vtkCylinderSource> cyLinder=
	 vtkSmartPointer<vtkCylinderSource>::New();
	 cyLinder->SetHeight(3.0);
	 cyLinder->SetRadius(1.0);
	 cyLinder->SetResolution(10);
	 
	 vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> cyLinderMapper=
	  vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
	  cyLinderMapper->SetInputConnection(cyLinder->GetOutputPort());
	  
	  vtkSmartPointer<vtkActor> cyLinderActor=
	  vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
	  cyLinderActor->SetMapper(cyLinderMapper);
	  
	  vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer=
	  vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
	  //renderer->AddActor(cyLinderActor);
	  renderer->SetBackground(0.1,0.2,0.4);
	    
	  vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renWin=
	  vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
	  renWin->AddRenderer(renderer);
	  renWin->SetSize(300,300);
	  
	  vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> iren=
	  vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
	  iren->SetRenderWindow(renWin);
	
	vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleTrackballCamera> style=
	vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleTrackballCamera>::New();
	iren->SetInteractorStyle(style);
	
	iren->Initialize();
	iren->Start();
	
	return 0;
	
}

运行效果：

详解：

（1）vtkCylinderSource

生成的数据类型是vtkPolyData,柱体。

（2）vtkPolyDataMapper

将输入的数据转换为几何图元（点、线、多边形）进行渲染。

（3）vtkActor

a.派生自vtkProp,渲染场景中数据的可视化表达通过vtkProp的子类负责。

b.数据要在场景中渲染时，不是直接把数据加入渲染场景，而是以vtkProp的形式存在于渲染场景中。

c.三维空间中渲染对象最常用的vtkProp子类有vtkActor(表达场景中的几何数据)和vtkVolume（表达场景中的体数据）

d.二维空间中的数据用vtkActor2D表达

e.vtkProp子类负责确定渲染场景中对象的位置、大小和方向等信息

f.Prop依赖两个对象：Mapper（vtkMapper）对象，负责存放对象和渲染信息

                                   属性（ vtkProperty）对象，负责控制颜色、不透明度等参数

g.vtkActor中还可以设置纹理（vtkTexture）对象，用于纹理贴图

h.vtkActor子类vtkFollower可以自动更新方向信息使其始终面向一个特定的相机，这样无论怎样旋转该对象都是可见的，例如三维场景中的广告板或者文本。

i.vtkActor子类vtkLODActor可以自动改变自身的几何表达形式来实现所需的交互帧率。

j.vtkAssembly建立了各个Actor的层次结构以便在整个结构平移，旋转或缩放等变换时能更合理的控制

 

 

 

（4）vtkRenderWindow

vtkRenderWindow平台无关类，将操作系统与VTK渲染引擎连接到一起。

（5）vtkRenderer

a.负责管理场景的渲染过程。组成场景的对象包括:Prop，照相机（vtkCamera）和光照（vtkLight）

b.一个vtkRenderWindow中可以有多个vtkRenderer对象，而这些vtkRenderer可以渲染在窗口不同的矩形区域中（即视口）或者覆盖整个窗口区域。

（6）vtkRenderWindowInteractor 交互器

a.提供平台独立的响应鼠标、键盘和时钟事件的交互机制，通过VTK的观察者/命令模式将监听到的特定平台的鼠标、键盘和时钟事件交由vtkinteractorObserver或其子类，如vtkInteractorStyle进行处理。

vtkInteractorStyle监听这些消息并进行处理以完成旋转、拉伸和缩放等运动控制。

b.vtkRenderWindowInteractor::SetRenderWindow():该方法用于设置渲染窗口

c.vtkRenderWindowInteractor::SeInteractorStyle():该方法用于定义交互器样式，默认交互样式为vtkInteractorStyleSwitch.

 

 

（7）vtkInteractorStyleTrackballCamera

交互器样式的一种

总结：经典比喻，加深理解。

2.2  三维场景的基本要素

2.2.1 灯光

a三维渲染场景中可以有多个灯光存在，灯光和相机是三维渲染场景中必备的要素，会自动创建默认的灯光和相机。

b.VTK中的vtkLight实例可以打开、关闭，设置灯光颜色，照射位置（焦点），灯光所在位置、强度等。

示例：

          vtkSmartPointer<vtkLight> myLight =
		  vtkSmartPointer<vtkLight>::New();
	  myLight->SetColor(0, 1, 0);
	  myLight->SetPosition(0, 0, 1);
	  myLight->SetFocalPoint(renderer->GetActiveCamera()->GetFocalPoint());
	  renderer->AddLight(myLight);

	  vtkSmartPointer<vtkLight> myLight2 =
		  vtkSmartPointer<vtkLight>::New();
	  myLight2->SetColor(1, 0, 0);
	  myLight2->SetPosition(0, 0, -1);
	  myLight2->SetFocalPoint(renderer->GetActiveCamera()->GetFocalPoint());
	  renderer->AddLight(myLight2);

效果图：

2.2.2 相机

 

示例：

          vtkSmartPointer<vtkCamera> myCamera =
		  vtkSmartPointer<vtkCamera>::New();
	  myCamera->SetClippingRange(0.0475, 2.3786);
	  myCamera->SetFocalPoint(0.0573, -0.2134, -0.0523);
	  myCamera->SetPosition(0.3245, -0.1139, -0.2932);
	  myCamera->SetViewUp(-0.2234, 0.9983, 0.0345);
	  renderer->SetActiveCamera(myCamera);

2.2.3 颜色

2.2.4 纹理映射

纹理映射是创建逼真效果的强大的图形工具，其原理是渲染时把二维的图像“贴”到物体的表面。

纹理映射三要素：待贴图的表面、纹理映射、纹理座标。

纹理映射在VTK中就是vtkImageData的数据集。

示例：

          vtkSmartPointer<vtkJPEGReader> reader =
		  vtkSmartPointer<vtkJPEGReader>::New();
	  reader->SetFileName("D:\\1.jpg");

	  vtkSmartPointer<vtkTexture> texture =
		  vtkSmartPointer<vtkTexture>::New();
	  texture->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());
	  texture->InterpolateOn();

	  vtkSmartPointer<vtkPlaneSource> plane =
		  vtkSmartPointer<vtkPlaneSource>::New();
	  vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper =
		  vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
	  mapper->SetInputConnection(plane->GetOutputPort());

	  vtkSmartPointer<vtkActor> actor =
		  vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
	  actor->SetMapper(mapper);
	  actor->SetTexture(texture);
	  renderer->AddActor(actor);

效果：

2.3 座标系统及空间转换

2.3.1 座标系统

计算机图形学常用的座标系统：Model座标系统、World座标系统、View座标系统和Display座标系统

两种表示座标点的方式：以屏幕像素值为单位和归一化座标值（各座标轴取值范围为[-1,1]）

未完，待补充...

2.3.2 空间变换

未完，待补充...

2.4VTK管线

2.4.1 VTK渲染引擎

VTＫ两个重要概念：

１．渲染引擎（Rendering Engine）主要负责数据的可视化表达

２．可视化管线（Visualization Pipeline）

 

代码：

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkStructuredPointsReader.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
#include <vtkMarchingCubes.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkActor.h>


int main(int argc, char *argv[]) {
	vtkSmartPointer<vtkStructuredPointsReader> reader =
		vtkSmartPointer<vtkStructuredPointsReader>::New();
	reader->SetFileName("D:\\head.vtk");

	vtkSmartPointer<vtkMarchingCubes> marchingCubes =
		vtkSmartPointer<vtkMarchingCubes>::New();
	marchingCubes->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());
	marchingCubes->SetValue(0, 500);

	vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper =
		vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
	mapper->SetInputConnection(marchingCubes->GetOutputPort());

	vtkSmartPointer<vtkActor> actor =
		vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
	actor->SetMapper(mapper);

	vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer =
		vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
	vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renWin =
		vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
	vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> interactor =
		vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();

	renWin->AddRenderer(renderer);
	interactor->SetRenderWindow(renWin);
	renderer->AddActor(actor);
	renderer->Render();

	interactor->Initialize();
	interactor->Start();

	return 0;

}

2.4.2 VTK可视化管线

 

2.5 VTK智能指针

2.5.1引用计数

2.5.2 智能指针

2.5.3 运行时类型识别

VTK里在vtkObjectBase定义了获取对象类型的方法-GetClassName()和IsA()

基类向子类的类型转换，称为向下转型，VTK定义SafeDownCast()