可视化工具包VTK应用研究概述

可视化工具包VTK应用研究概述摘要:可视化工具包(Visualization Toolkit)是一个面向对象的可视化C++类库，它将一些常用的算法封装起来，细节屏蔽起来,以类库的形式提供给从事可视化应用研究以及可视化应用程序开发的工作者使用，极大地简化了他们的开发工作。

既然它在我们的开发过程中是如此重要，我们有必要对其有详细而深刻的了解。

故本文从可视化工具包的处理机制、框架结构、对象模型方面详细地介绍了VTK,并给出了它在地形三维可视化方面的应用。

关键词:科学计算可视化;可视化工具包（VTK）;对象模型；地形可视化1、引言科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing）[1]是1987年由B.H.McCormick等人根据美国国家科学基金会（NSF）召开的科学计算可视化研讨会的内容而撰写的一份报告中正式提出来的。

研讨会发表的总报告给出了科学计算可视化的定义、覆盖的领域以及近期与长期的研究方向。

从此美国国家科学基金会的几个学部开始支持可视化的研究项目。

从1990年起,美国IEEE计算机学会开始举办一年一度的可视化国际学术会议,这标志着“科学计算可视化”作为一个学科已经成熟,它的应用遍及所有应用计算机从事计算的科学与工程学科,并且获得了巨大的成功[2]。

科学计算可视化[3]是运用计算机图形学和图像处理技术将科学计算过程及计算结果的数据转换为图形及图像在屏幕上显示出来并进行交互处理的理论方法和技术。

它将大量枯燥的数据以图形图像这种直观的方式显示出来,使观察者可以准确地发现隐藏在大量数据背后的规律,从而帮助人们更好地理解和分析这些数据，大大提高了数据的处理速度。

它的出现，对于加快科学进程具有很大的推动作用。

近年来伴随着计算机硬件水平的提高和可视化理论及方法的不断完善，可视化应用已经涉及到医学、地质勘探、气象学、地球科学、产品设计、建筑等各个领域。

但是随着可视化技术在许多领域的广泛应用和发展,也暴露出了一些迫切需要解决的问题。

对于许多不是专门从事可视化研究的技术人员来说,他们对于可视化也有着强烈的需求,但是由于对可视化技术不是很了解，编写具体的可视化程序便显得力不从心。

这就迫切地需要有一些可以利用的工具,使得各个层次的研究人员都可以简单方便地进行可视化的应用[4]。

可视化开发工具(VisualizationToolkit),简称VTK,正是在这种背景下产生的,它是Will Schroeder, Ken Martin, Bill Lorensen等人在1993年利用科学计算可视化[5]图形库的开发经验以及面向对象的技术和方法，设计和开发用于三维计算机图形、科学计算可视化图像处理的C++类库。

它将一些常用的算法和在可视化程序的开发过程中会经常遇到的细节屏蔽起来,以类库的形式给我们的开发工作以直接的支持,极大地简化了我们的开发工作和提高了我们的工作效率。

2 、VTK概述VTK[6]是一个基于面向对象方法设计的、功能强大的可视化和图形图像处理的工具箱。

它是在三维函数库OpenGL的基础上发展起来的，VTK构造在C++语言之上，它不仅基于C++类库，还支持脚本语言Tcl&Tk、Java、Python，支持Windows、Unix等操作系统。

此外VTK还将我们在可视化开发过程中会经常遇到的细节屏蔽起来，并将一些常用的算法进行封装，如我们常用到的MC算法等，这样给开发人员带来极大方便。

同时，VTK是开源码，任何人都可以免费获得，用户还可以在VTK基类的基础上根据自己的需求开发自己的类库。

2.1 VTK层次结构VTK主要有两个部分组成：利用C语言编写的编译后的核心层（C++类库）和按照一定规则生成的支持脚本语言的解释层（包括Java，Tcl/Tk vtkInterpreted Interface）。

在VTK编译层中，有关图像处理相关数据结构、算法、时间关键性的功能等被封装成C ＋＋对象，为V T K其它的类或程序所调用。

编译后的V T K动态链接库，在与相应脚本语言绑定以后，形成这些解释型语言的接口，称为解释层部分。

利用解释层接口可以很方便的使用Tcl/Tk[7]，Python/Tk，Java AWT等解释型语言进行快速开发或试验VTK 的新功能，极大的提高了效率。

2.2VTK的处理机制VTK采用的是流水线pipeline的机制：根据所获得的原始数据类型以及所要显示的结果，我们可以选择适当的算法，并构建起自己的可视化流程。

在用可视化工具对数据进行可视化的过程中，首先应按照所计划的可视化过程对原始数据进行处理，几乎可以对任何类型的数据进行处理，并将其转换为适当的数据形式并映射为几何数据，然后将几何数据的属性告诉窗口中显示的演员actor。

VTK中对于任何进行可视化的数据，它都是通过演员在窗口中显示出来的。

可视化框架结构流程图如图1所示。

图1可视化框架结构流程图vtkObject是VTK的基类，它为整个可视化流程提供基本的方法。

vtkSource是vtkObject的派生类和vtkFilter的父类，它为整个可视化流程定义具体的行为和接口。

vtkFilter是vtkSource的派生类，经过filter的处理后，原始的数据能够转换成可以直接用某种算法模块进行处理的形式。

vtkMapper是vtkObject的派生类，它将经过filter处理后的应用数据映射成几何数据，为原始数据和图像数据之间定义接口。

vtkActor类用来表达绘制场景中的一个实体，也是绘制场景中的演员，它通过SetMapper()方法将几何数据的属性告诉演员然后通过vtkRenderer类将结果在窗口中渲染。

2.3 VTK库的框架结构VTK是在三维函数库OpenGL的基础上，采用面向对象的设计方法发展起来的，包含了大量的对象模型（Object Models），根据其继承关系，可以将对象模型划分为两类对象模型：图形模型对象（Graphics Models）和可视化模型对象（Visualization Models）。

以下对这两个模型进行详细介绍。

2.3.1图形模型（Graphics Models）图形模型利用了其它3D图形系统的一些简单易于使用的特点，同时也采用了一些目前的GUI的方法。

整个图形模型表现3D图形系统的本质特点，在图形模型中主要的对象有如下7种。

(1)渲染器（Renderer）和渲染窗口（Render Window）vtkRenderer类和vtkRenderWindow类都是基类，它们结合起来管理图形和窗口系统之间的接口。

vtkRenderWindow类用于在显示设备上生成一个窗口，可以设置窗口的大小，也可以产生立体显示效果。

支持双缓存。

渲染器（Renderer）对象用于控制目标的渲染过程，它把几何体，灯光以及摄像机观察角度转换成图像的形式。

当生成场景后，要把渲染器加到渲染窗口中去。

(2)灯光（Light）灯光在VTK中的实现类为vtkLight。

它提供了灯光的位置，灯光的开关状态，亮度，颜色。

也可以设置光源的照射角度和衰减程度。

(3)相机（Camera）相机用来控制在绘制过程中三维几何体如何被投影到二维平面。

在此过程中，包括以下几个重要的因素:相机的位置、方位、焦点、投影方法以及相机剪切面的确定。

在VTK中，使用vtkCamera类来设置视点的位置以及焦点位置及其他属性。

另外，照相机还可用来控制透视演示和立体视角。

二维的图形数据不需要照相机。

(4)角色（Actor）vtkActor代表渲染场景中的绘制对象实体，我们通过调节参数可以设置角色的位置、方向、渲染特性、引用、纹理映射等属性。

(5)映射（Mapper）vtkMapper派生类通过一个向上观察板（Lookup Table）来映射数据和控制图形库中基本图元的生成。

vtkLook-upTable是vtkScalarsToColors的子类。

一个或多个Actor可以使用同一个Mapper。

Mapper有多个参数对其进行控制。

(6)特征（Property）其在VTK中的实现类是vtkProperty。

它指定了几何物体的光照及其它特性。

例如：光照特性（泛光，漫反射，镜面反射，边缘颜色）、漫反射强度、物体的灰度、物体的表现形式（点、线框、表面）、着色模式等等。

(7)变换（Transform）Transform是一个4×4变换矩阵的堆栈。

有很多对这个矩阵进行操作的方法：平移、缩放和旋转等。

2.3.2可视化模型（Visualization Models）VTK利用了数据流程模型，在这个模型中，各个模块在网络中连接起来，利用模块对数据进行一系列操作。

这种模型的特点是适用于不同的数据类型和不同的算法，所以灵活性很强。

V T K使用数据流方法把原始信息转换成图形数据。

在这个方法中有两个基本对象：数据对象（Data Object）和流程对象（Process Object）。

VTK的数据对象有很多种数据类型，vtkDataSet类是父类，有严格的数据结构。

VTK 支持的数据类型有：(1)结构点(strueturedposnt)类型，例如ZD图像数据属此类型，用vtkImageData来。

(2)多边形(polygonaldata)类型，例如点，线，三角网和多边形面均为此类型。

(3)结构栅格(strueturedgrid)和无结构栅格(unstruCturedgrid)类型，表示有限种不同类型的栅格和有限种元素的网格。

(4)无结构点(unstrueturedpoint)类型，表示互相之间没有拓扑关系的三维点集，该种类型可以被其他几种类型表示，例如多边形数据或者无结构栅格数据等。

流程对象（Process Object）一般指的是过滤器（Filter），对数据对象进行操作产生新的数据对象。

流程对象表示了系统的运算法则，当数据在网络中流动时对数据进行操作。

流程对象可以分为：(1)源对象（Source）vtkSource是基类，它指定了源目标的行为和接口。

源对象的产生可以有两种方法：从文件读入源数据，程序内部产生源数据。

当流程处理完毕后，源对象会自动删除源对象输出的数据。

(2)过滤器对象（Filter）vtkFilter是基类，是vtkSource的派生类。

它接受源数据的输出数据，在这里需要说明，过滤器的输出数据类型可能与输入数据类型不同。

(3)映射对象（Mapper）vtkMapper是基类，接受过滤器的对象输入的数据并把数据映射成基本图元。

VTK可视化模块的执行是个流水线结构，该流程的典型框架如下图2所示。

图中箭头方向就是数据流方向。

其中标示为Source，Filter和Mapper是处理对象，而标记为DataObject的为数据对象。