3.第三章：系统概述

本章的目的是为您提供可视化工具包系统的概述，并向您展示在C++、java、TCL和Python中创建应用程序所需的基本信息。我们首先介绍基本的系统概念和对象模型抽象。我们通过演示这些概念并描述构建应用程序所需的知识来结束本章。

3.1 系统架构

可视化工具包由两个基本子系统组成：编译的C++类库和一个“解释”的包装层，允许使用java、TCL和Python语言来处理编译的类。参见图3-1。
在这里插入图片描述

图 3-1

这种架构的优点是，您可以在编译的C++语言中建立高效的（CPU和内存使用）算法，并保留解释语言的快速代码开发特性（避免编译/链接周期，简单但强大的工具，以及访问GUI工具）。当然，对于精通C++的人和有这样做的工具，应用程序可以完全在C++中构建。
可视化工具包是一个面向对象的系统。有效使用VTK的关键是充分理解底层对象模型。这样做将消除围绕系统中数百个对象使用的许多谜团。有了这种理解，组合对象来构建应用程序就容易多了。您还需要了解系统中许多对象的功能；这只需要查看代码示例和在线文档。在本用户指南中，我们试图为您提供VTK对象的有用组合，您可以根据自己的应用程序进行调整。
在本节的剩余部分中，我们将介绍可视化工具包的两个主要组件：可视化管道和渲染引擎。可视化管道用于获取或创建数据、处理数据，并将结果写入文件或将结果传递给渲染引擎进行显示。渲染引擎负责创建数据的可视化表示。请注意，这些不是VTK真正严格的体系结构组件，而是概念组件。本章中的讨论将是相当高的层次，但当你结合本章和下一章中的具体示例，以及VTK源代码发行版中的数百个可用示例时，你将对这些组件有很好的理解。

3.1.1 低级对象模型

VTK对象模型可以被视为植根于超类vtkObject。几乎所有的VTK类都是从这个类派生的，或者在某些特殊情况下是从它的超类vtkObjectBase派生的。所有VTK都必须使用对象的New（）方法创建，并且必须使用对象的Delete（）方法。无法在堆栈上分配VTK对象，因为构造函数是受保护的方法。使用一个通用的超类和一种创建和销毁对象的统一方法，VTK能够提供几个基本的面向对象操作。
参考计数。对象显式存储引用它们的指针数。
通过类的static New（）方法创建对象时，其初始引用计数为1，因为必须使用原始指针来引用新对象：

vtkObjectBase* obj = vtkExampleClass::New();

当创建或销毁对该对象的其他引用时，使用Register（）和UnRegister（）方法递增或递减引用计数。通常，这是由对象的API中提供的各种“set”方法自动处理的

otherObject->SetExample(obj);

引用计数现在是2，因为原始指针和存储在另一个对象中的指针都引用它。当不再需要最初存储对象的原始指针时，使用Delete（）方法删除引用：

obj->Delete();

从现在开始，使用原始指针访问对象不再安全，因为指针没有对它的引用。为了确保正确管理对象引用，每次对New（）的调用必须与以后对Delete（）的调用配对，以确保没有引用泄漏。
类模板vtkSmartPointer提供了“智能指针”实现，简化了对象管理。上面的例子可以重写：

vtkSmartPointer<vtkObjectBase> obj =
vtkSmartPointer<vtkExampleClass>::New();
otherObject->SetExample(obj);

在这种情况下，智能指针会自动管理它所拥有的引用。当智能指针变量超出范围且不再使用时，例如当它是局部变量的函数返回时，它会通过减少引用计数自动通知对象。通过使用智能指针提供的静态New（）方法没有原始指针需要保存对对象的引用，因此不需要调用Delete（）。
运行时类型信息。在C++中，对象的实际类型可能与引用它的指针类型不同。VTK公共接口中的所有类都有简单的类名标识符（没有模板），所以一个字符串就足以识别它们。VTK对象的类型可能是使用GetClassName（）方法在运行时获取：

const char* type = obj->GetClassName();

可以使用IsA（）方法测试对象是特定类的实例还是其子类的实例：

if(obj->IsA("vtkExampleClass")) { ... }

使用派生类型的类提供的静态SafeDownCast（）方法，可以将超类类型的指针安全地转换为派生类型

vtkExampleClass* example = vtkExampleClass::SafeDownCast(obj)

只有当对象确实是派生子类的实例，否则将返回空指针时，此操作才会在运行时成功。
对象状态显示。调试时，显示对象当前状态的可读描述通常很有用。这可以通过Print（）方法获取VTK对象的当前状态：

obj->Print(cout);

3.1.2 渲染引擎

VTK渲染引擎由VTK中的类组成，这些类负责获取可视化管道的结果并将其显示到窗口中。这涉及以下组件。请注意，这并不是一个详尽的列表，而是渲染引擎中最常用的对象。这里使用的副标题是VTK中代表这种类型对象的最高级别超类，在许多情况下，如果有多种选择，这些是抽象类，定义了实现该功能的各种具体子类的基本API。。
vtkProp。场景中存在的数据的可见描述由vtkProp的一个子类表示。
vtkProp最常用的用于在3D中显示对象的子类是vtkActor（用于表示场景中的几何数据）和vtkVolume（用于表示场景中的体积数据）。
还有一些用2D表示数据的道具，比如vtkActor2D。vtkProp子类通常负责了解其在场景中的位置、大小和方向。用于控制道具放置的参数通常取决于道具是场景中的3D对象还是2D注释。对于vtkActor和vtkVolume等3D道具（vtkProp3D的两个子类，vtkProp3D本身就是vtkProp的一个子类），您可以直接控制以下参数：对象的三维位置、方向和比例，也可以使用4×4变换矩阵。对于提供注释的2D道具（如vtkScalarBarActor），可以通过多种方式定义注释的大小和位置，包括指定相对于整个视口大小的位置、宽度和高度。除了提供放置控制之外，道具通常还有一个mapper对象，用于保存数据并知道如何渲染数据，还有一个property对象，用于控制颜色和不透明度等参数。

有大量（超过50个）专门的道具，例如vtkImageActor（用于显示图像）和vtkPieChartActor（用于创建一系列数据值的饼图视觉表示）。
其中一些专用道具直接包含控制外观的参数，并直接引用要渲染的输入数据，因此不需要使用属性或映射器。vtkFollower道具是vtkActor的一个特殊子类，它将自动更新其方向，以便持续面对指定的相机。这对于在3D场景中显示广告牌或文本，并在用户旋转时使其保持可见非常有用。vtkLODActor也是vtkActor的一个子类，它会自动更改其几何表示以保持交互式帧速率，而vtkLODProp3D是vtkProp3D的一个子类，它可以在多个不同的映射器（甚至可能是体积映射器和几何映射器的混合体）之间进行选择，以提供交互性。VTKAAssembly当层次结构被平移、旋转或缩放时，允许参与者的层次结构可以正确地管理转换。

vtkAbstractMapper。有些道具，如vtkActor和vtkVolume，使用vtkAbstractMapper的子类来保存对输入数据的引用，并提供实际的渲染功能。vtkPolyDataMapper是渲染多边形几何体的主要映射器。对于体积对象，VTK提供了几种渲染技术，包括可用于渲染vtkImageData的vtkFixedPointVolumeRayCastMapper，以及可用于渲染vtkUnstructuredGrid数据的vtkProjectedTetrahedra mapper。

vtkProperty和vtkVolumeProperty。有些道具使用单独的属性对象来保存控制数据外观的各种参数。这使您可以更轻松地在场景中的不同对象之间共享外观设置。vtkActor对象使用vtkProperty来存储诸如颜色、不透明度以及材质的环境光、漫反射和镜面反射系数等参数。vtkVolume对象改为使用vtkVolumeProperty来捕获适用于体积对象的参数，例如将标量值映射到颜色和不透明度的传递函数。许多mappers还提供了设置可用于显示内部结构的剪裁平面的功能。

vtkCamera。vtkCamera包含控制如何查看场景的参数。vtkCamera有一个位置、一个焦点和一个定义场景中“向上”方向的向量。其他参数控制特定的查看变换（平行或透视）、图像的比例或视角，以及视锥体的近剪裁平面和远剪裁平面。

vtkLight。为场景计算照明时，需要一个或多个vtkLight对象。vtkLight对象存储灯光的位置和方向，以及颜色和强度。灯光还有一种类型，描述灯光将如何相对于相机移动。例如，前照灯始终位于相机的位置，并照亮相机的焦点，而场景灯位于场景中的静止位置。

vtkrender。构成场景的对象（包括道具、相机和灯光）被收集在一个VTKRender中。vtkRender负责管理场景的渲染过程。多个VTKrender对象可以在一个VTKrender窗口中一起使用。这些渲染器可以渲染到渲染窗口的不同矩形区域（称为视口），也可以重叠。

3.1.3 可视化管道

3.2 创建一个应用

本节介绍了在四种编程语言TCL、C++、java和Python中开发VTK应用程序所需的基本信息。读完本简介后，你应该跳到讨论你感兴趣的语言的小节。除了向您提供如何创建和运行简单应用程序的说明外，每个部分还将向您展示如何利用该语言中的回调。

3.2.1用户方法、观察者和命令

回调（或用户方法）在VTK中使用Subject/Observer和Command设计模式实现。这意味着几乎VTK中的每个类（vtkObject的每个子类）都有一个AddObserver（）方法，可以用来设置VTK的回调。观察者会查看在对象上调用的每个事件，如果它与观察者正在监视的事件之一匹配，则会调用相关的命令（即回调）。例如，所有VTK过滤器在开始执行之前都会调用StartEvent。如果您添加了一个监视StartEvent的观察者，那么它将在每次过滤器开始执行时被调用。考虑下面的TCL脚本，该脚本创建vtkElevationFilter实例，并为StartEvent添加一个观察器来调用过程PrintStatus。

proc PrintStatus {} {
puts "Starting to execute the elevation filter"
}
vtkElevationFilter foo
foo AddObserver StartEvent PrintStatus

这种类型的功能（即回调）在VTK支持的所有语言中都可用。下面的每一节都将简要介绍如何使用它。关于用户方法的进一步讨论，请参见第421页的“与窗口系统集成”。（本节还讨论了用户界面集成问题。）

要创建自己的应用程序，我们建议从VTK附带的一个示例开始。它们可以在源分布的VTK/Examples中找到。在源代码分发中，示例首先按主题组织，然后按语言组织。在VTK/Examples下，你可以找到不同主题的目录，在这些目录下，你可以找到不同语言的子目录，比如Tcl。

3.2.2 Tcl

3.2.3 C++

使用C++作为开发语言通常会比任何其他语言都产生更小、更快、更容易部署的应用程序。C++开发也有一个优点，即不需要编译任何额外的支持TCL、java或Python。本节将介绍如何使用微软Visual C++ C++为PC创建简单的VTK C++应用程序，并使用适当的编译器为UNIX创建一个简单的VTK C++应用程序。我们将从一个名为Cone.cxx的简单示例开始，可以在Examples/Tutorial/Step1/cxx中找到。对于Windows和UNIX，您可以使用VTK的源代码安装或已安装的二进制文件。这些例子对两者都适用。
建立C++程序的第一步是使用CMake生成一个Maxfile或WorkSpace文件，这取决于编译器。CMakeList.txt文件来自Cone.cxx（如下所示）使用FindVTK和UseVTK CMake模块。这些模块试图定位VTK，然后设置包含路径和链接线来构建C++程序。如果他们未能成功找到VTK，则必须手动指定适当的CMake参数，并根据需要重新运行CMake。

PROJECT (Step1)
FIND_PACKAGE(VTK REQUIRED)
IF(NOT VTK_USE_RENDERING)
 MESSAGE(FATAL_ERROR
 "Example ${PROJECT_NAME} requires VTK_USE_RENDERING.")
ENDIF(NOT VTK_USE_RENDERING)
INCLUDE(${VTK_USE_FILE})
ADD_EXECUTABLE(Cone Cone.cxx)
TARGET_LINK_LIBRARIES(Cone vtkRendering)

VTK 7.7版本已经改为：

cmake_minimum_required(VERSION 2.8.5 FATAL_ERROR)
if(POLICY CMP0025)
  cmake_policy(SET CMP0025 NEW) # CMake 3.0
endif()
if(POLICY CMP0053)
  cmake_policy(SET CMP0053 NEW) # CMake 3.1
endif()

project (Step1)

find_package(VTK REQUIRED)
vtk_module_config(VTK
  vtkCommonCore
  vtkFiltersSources
  vtkFiltersSources
  vtkInteractionStyle
  vtkRendering${VTK_RENDERING_BACKEND}
)
include(${VTK_USE_FILE})
add_executable(Cone MACOSX_BUNDLE Cone.cxx)
target_link_libraries(Cone ${VTK_LIBRARIES})

微软Visual C++。一旦你为圆锥示例运行了CGUT，你就可以开始启动微软Visual C++并加载生成的解决方案文件。目前的情况。NET版本的编译将命名为Cone。sln。现在，您可以选择一种构建类型（如Release或Debug）并构建应用程序。如果要将VTK集成到不使用CMake的现有项目中，可以将此简单示例中的设置复制到现有工作区中。

现在考虑一个真正的Windows应用程序的例子。这个过程与我们上面所做的非常相似，只是我们创建了一个windows应用程序，而不是控制台应用程序，如下所示。大部分代码都是标准的Windows代码，任何Windows开发人员都会很熟悉。这个例子可以在VTK/Examples/GUI/Win32/SimpleCxx/Win32Cone.cxx中找到。请注意，CmakeList.txt的唯一显著变化是CMakeLists.txt文件是在ADD_EXECUTABLE命令中添加的WIN32参数。


#include "windows.h"

// first include the required header files for the vtk classes we are using
#include "vtkConeSource.h"
#include "vtkPolyDataMapper.h"
#include "vtkRenderWindow.h"
#include "vtkRenderWindowInteractor.h"
#include "vtkRenderer.h"

static HANDLE hinst;
LRESULT CALLBACK WndProc(HWND, UINT, WPARAM, LPARAM);
// define the vtk part as a simple c++ class
class myVTKApp
{
public:
  myVTKApp(HWND parent);
  ~myVTKApp();
private:
  vtkRenderWindow *renWin;
  vtkRenderer *renderer;
  vtkRenderWindowInteractor *iren;
  vtkConeSource *cone;
  vtkPolyDataMapper *coneMapper;
  vtkActor *coneActor;
};

我们首先包含所需的VTK包含文件。接下来，我们有两个标准windows原型，后面是一个名为myVTKApp的小类定义。在C++开发时，应该尝试使用面向对象的方法来代替许多TCL示例中发现的脚本编程风格。在这里，我们将应用程序的VTK组件封装到一个小类中。
这是myVTKApp的构造函数。正如您所见，它分配所需的VTK对象，设置它们的实例变量，然后将它们连接起来，形成可视化管道。除了vtkrender窗口之外，大部分都是简单的VTK代码。此构造函数接受父窗口的HWND句柄，该父窗口应包含VTK渲染窗口。然后，我们在vtkRenderWindow的SetParentId（）方法中使用它，以便它将其窗口创建为传递给构造函数窗口hand的子窗口

myVTKApp::myVTKApp(HWND hwnd)
{
  // Similar to Examples/Tutorial/Step1/Cxx/Cone.cxx
  // We create the basic parts of a pipeline and connect them
  this->renderer = vtkRenderer::New();
  this->renWin = vtkRenderWindow::New();
  this->renWin->AddRenderer(this->renderer);

  // setup the parent window
  this->renWin->SetParentId(hwnd);
  this->iren = vtkRenderWindowInteractor::New();
  this->iren->SetRenderWindow(this->renWin);

  this->cone = vtkConeSource::New();
  this->cone->SetHeight( 3.0 );
  this->cone->SetRadius( 1.0 );
  this->cone->SetResolution( 10 );
  this->coneMapper = vtkPolyDataMapper::New();
  this->coneMapper->SetInputConnection(this->cone->GetOutputPort());
  this->coneActor = vtkActor::New();
  this->coneActor->SetMapper(this->coneMapper);

  this->renderer->AddActor(this->coneActor);
  this->renderer->SetBackground(0.2,0.4,0.3);
  this->renWin->SetSize(400,400);

  // Finally we start the interactor so that event will be handled
  this->renWin->Render();
}

析构函数只是释放构造函数中分配的所有VTK对象。

myVTKApp::~myVTKApp()
{
    renWin->Delete();
    renderer->Delete();
    iren->Delete();
    cone->Delete();
    coneMapper->Delete();
    coneActor->Delete();
}

这里的WinMain代码都是标准windows代码，其中没有VTK引用。正如您所见，应用程序可以控制事件循环。事件由本节后面介绍的WndProc处理。

int PASCAL WinMain (HINSTANCE hInstance, HINSTANCE hPrevInstance,
                    LPSTR /* lpszCmdParam */, int nCmdShow)
{
  static char szAppName[] = "Win32Cone";
  HWND        hwnd ;
  MSG         msg ;
  WNDCLASS    wndclass ;

  if (!hPrevInstance)
  {
    wndclass.style         = CS_HREDRAW | CS_VREDRAW | CS_OWNDC;
    wndclass.lpfnWndProc   = WndProc ;
    wndclass.cbClsExtra    = 0 ;
    wndclass.cbWndExtra    = 0 ;
    wndclass.hInstance     = hInstance;
    wndclass.hIcon         = LoadIcon(NULL,IDI_APPLICATION);
    wndclass.hCursor       = LoadCursor (NULL, IDC_ARROW);
    wndclass.lpszMenuName  = NULL;
    wndclass.hbrBackground = (HBRUSH)GetStockObject(BLACK_BRUSH);
    wndclass.lpszClassName = szAppName;
    RegisterClass (&wndclass);
  }

  hinst = hInstance;
  hwnd = CreateWindow ( szAppName,
                        "Draw Window",
                        WS_OVERLAPPEDWINDOW,
                        CW_USEDEFAULT,
                        CW_USEDEFAULT,
                        400,
                        480,
                        NULL,
                        NULL,
                        hInstance,
                        NULL);
  ShowWindow (hwnd, nCmdShow);
  UpdateWindow (hwnd);
  while (GetMessage (&msg, NULL, 0, 0))
  {
    TranslateMessage (&msg);
    DispatchMessage (&msg);
  }
  return msg.wParam;
}

这个WndProc是一个非常简单的事件处理程序。对于一个完整的应用程序来说，这将非常复杂，但关键的集成问题是相同的。在这个函数的顶部，我们声明了一个对myVTKApp实例的静态引用。在处理WM_CREATE方法时，我们创建一个Exit按钮，然后构造一个myVTKApp实例，将句柄传递给当前窗口。vtkRenderWindowInteractor将处理vtkRenderWindow的所有事件，因此您不需要在这里处理它们。您可能需要添加代码来处理大小调整事件，以便渲染窗口根据您的整体用户界面适当调整大小。如果不设置vtkRenderWindow的ParentId，它将显示为顶级独立窗口。其他一切都应该和以前一样。

LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hwnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{
  static HWND ewin;
  static myVTKApp *theVTKApp;

  switch (message)
  {
    case WM_CREATE:
    {
      ewin = CreateWindow("button","Exit",
                          WS_CHILD | WS_VISIBLE | SS_CENTER,
                          0,400,400,60,
                          hwnd,(HMENU)2,
                          (HINSTANCE)vtkGetWindowLong(hwnd,vtkGWL_HINSTANCE),
                          NULL);
      theVTKApp = new myVTKApp(hwnd);
      return 0;
    }

    case WM_COMMAND:
      switch (wParam)
      {
        case 2:
          PostQuitMessage (0);
          delete theVTKApp;
          theVTKApp = NULL;
          break;
      }
      return 0;

    case WM_DESTROY:
      PostQuitMessage (0);
      delete theVTKApp;
      theVTKApp = NULL;
      return 0;
  }
  return DefWindowProc (hwnd, message, wParam, lParam);
}