基于vtk的自定義交互器的研究

王家林　王松

摘要：由于vtk在可視化軟件開(kāi)發(fā)中，其提供的交互器不能滿足開(kāi)發(fā)者的要求?；趘tk的各種交互類(lèi)，提出自定義交互器的開(kāi)發(fā)方法。利用vc++和MFC開(kāi)發(fā)了基于vtk的可視化軟件，并進(jìn)行可視化操作。通過(guò)開(kāi)發(fā)的交互器與vtk自帶的交互器相比，結(jié)果得出，能夠更加方便地操作視圖，提高了對(duì)數(shù)據(jù)可視化的效率。

關(guān)鍵詞：可視化；vtk；軟件開(kāi)發(fā)；MFC；交互器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）14-0088-02

Abstract：Beacuase the vtks interactor do not meet the requirements of the developers during the visualization software development.Based on the vtks interactor，this paper delevelop user-defined interactor and utilize it.Compared user-defined interactor with the vtk own interactor，which show the user-defined is more convenient to manipilate interface and more efficient for dara visualization.

Key words：Visualization；vtk；software；MFC；Interactor

1 vtk簡(jiǎn)介

開(kāi)源免費(fèi)可視化工具包VTK[1，6]，是目前最為流行的軟件之一，并且具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)圖形顯示功能，優(yōu)越的結(jié)構(gòu)體系，優(yōu)秀的移植性，是以O(shè)penGL[2]圖形庫(kù)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的。目前VTK主要用于醫(yī)學(xué)圖像三維重建[3]和虛擬手術(shù)[4]，也有國(guó)內(nèi)學(xué)者[5]應(yīng)用于橋梁建模。為了直接對(duì)數(shù)據(jù)操作，就需要良好的交互操作。但vtk軟件提供的交互操作不能滿足研究者的要求，不利于可視化程序的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

圖形（Graphic）模型指通過(guò)轉(zhuǎn)換幾何體而形成圖像，達(dá)到顯示對(duì)象的目的。圖形模型包括了可視化渲染窗口類(lèi)（vtkRenderWindow）、渲染器類(lèi)（vtkRender）和交互器類(lèi)（vtkRenderWindowInteractor）。它們可以在屏幕上顯示可視化對(duì)象或角色并且進(jìn)行交互操作。

可視化模型采用可視化管道機(jī)制（PipeLine）以源數(shù)據(jù)vtkSource為起點(diǎn)，經(jīng)過(guò)過(guò)濾器（vtkFilter），最終到達(dá)可視化管道機(jī)制的終點(diǎn)—映射器（vtkMapper）。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1。

2 vtk軟件中交互式類(lèi)的簡(jiǎn)介

vtkObject[7]在vtk軟件中幾乎是所有類(lèi)的基類(lèi)，擁有自動(dòng)更新，調(diào)試，打印，事件回調(diào)等功能。vtkInteractorStyle繼承于vtkObject，是所有交互方式的父類(lèi)，并且擁有一些最簡(jiǎn)單的交互功能。由于操作需求的不同，在此類(lèi)的基礎(chǔ)上衍生了一部分交互類(lèi)。部分交互類(lèi)如下：

2.1 vtkInteractorStyle

vtkInteractorStyle是其他交互類(lèi)的基類(lèi)，提供了與交互器vtkRenderWindowInteractor的接口，能對(duì)事件進(jìn)行響應(yīng)。其提供了大量鍵盤(pán)事件進(jìn)行響應(yīng)的功能，但沒(méi)有響應(yīng)鼠標(biāo)操作的功能。鍵盤(pán)操作包括如下部分：

1）按下鍵盤(pán)w鍵以線框方式顯示物體

2）按下鍵盤(pán)p鍵拾取單個(gè)物體

3）按下鍵盤(pán)q或e鍵關(guān)閉應(yīng)用程序以及其他鍵盤(pán)操作方式。

2.2 vtkInteractorStyleJoystickActor

vtkInteractorStyleJoystickActor開(kāi)發(fā)了不同于父類(lèi)的操作方式，能在視圖中對(duì)某個(gè)獨(dú)立的顯示對(duì)象進(jìn)行縮放、平移和旋轉(zhuǎn)。縮放比例決定于鼠標(biāo)位置與顯示對(duì)象中心位置豎直方向的差。差為正時(shí)，角色放大，反之縮小。平移是變速移動(dòng)，速度大小取決于鼠標(biāo)與角色中心的相對(duì)距離。旋轉(zhuǎn)時(shí)，角色繞其中心轉(zhuǎn)動(dòng)。此交互方式主要針對(duì)單個(gè)顯示對(duì)象操作，并且操作不影響其他角色。

2.3 vtkInteractorStyleJoystickCamera

vtkInteractorStyleJoystickCamera類(lèi)對(duì)相機(jī)進(jìn)行操作，其并不能對(duì)單個(gè)對(duì)象操作，而是改變相機(jī)的位置，從不同角度來(lái)觀察整個(gè)空間。同樣，此類(lèi)也可以實(shí)現(xiàn)基于相機(jī)變換的縮放，平移和旋轉(zhuǎn)。通過(guò)所有顯示對(duì)象的幾何中心來(lái)確定平移和旋轉(zhuǎn)中心。

2.4 vtkInteractorStyleSwitch

vtkInteractorStyleSwitch 類(lèi)合并了四個(gè)交互類(lèi)，通過(guò)按鍵j，t，c，a來(lái)切換不同的交互模式（vtkInteractoStylejoystickactorvtkInteractoStylejoystickcamera，vtkInteractoStyletrackballactor，vtkInteractoStyletrackballcamera）。能夠自由切換四種交互方式，但四種交互方式效率并不高。

3 應(yīng)用需求分析

在GUI應(yīng)用開(kāi)發(fā)中，對(duì)于圖形交互有如下需求：

1） 平移：按下鼠標(biāo)左鍵，通過(guò)移動(dòng)鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)顯示對(duì)象跟隨鼠標(biāo)進(jìn)行平行移動(dòng)；

2） 縮放，通過(guò)鼠標(biāo)滾輪的前后滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)顯示對(duì)象的放大、縮小顯示，或者通過(guò)彈出菜單切換到縮放模式后，通過(guò)鼠標(biāo)的豎向坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)顯示對(duì)象的縮放；

3）旋轉(zhuǎn)，按下鼠標(biāo)左鍵，通過(guò)移動(dòng)鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)顯示對(duì)象繞窗口中心的旋轉(zhuǎn)。

4） 矩形框，按下鼠標(biāo)左鍵，同時(shí)移動(dòng)鼠標(biāo)，以鼠標(biāo)按下左鍵的位置和當(dāng)前位置的連線為對(duì)角線畫(huà)一矩形框。

5） 窗選放大，按下鼠標(biāo)左鍵并移動(dòng)鼠標(biāo)畫(huà)一矩形框，根據(jù)矩形框與窗口的比例放大顯示對(duì)象。

6） 點(diǎn)選對(duì)象，通過(guò)單擊鼠標(biāo)左鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示對(duì)象的拾取。

7） 窗選對(duì)象，通過(guò)按下鼠標(biāo)左鍵并移動(dòng)鼠標(biāo)畫(huà)一矩形框，實(shí)現(xiàn)對(duì)矩形框內(nèi)所有顯示對(duì)象的拾取。

由于上述各項(xiàng)交互中，根據(jù)鼠標(biāo)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的交互行為有重疊之處，因此加入了利用彈出菜單進(jìn)行交互模式切換的功能，見(jiàn)圖2。

通過(guò)對(duì)VTK交互類(lèi)的功能分析發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有一個(gè)類(lèi)能夠完全實(shí)現(xiàn)了所有的功能。因此，作者通過(guò)分析研究現(xiàn)有VTK交互類(lèi)的實(shí)現(xiàn)方法，開(kāi)發(fā)了一個(gè)具有前述各項(xiàng)功能的交互類(lèi)。

3 軟件的實(shí)現(xiàn)方法

MFC[9]是微軟開(kāi)發(fā)的一個(gè)基礎(chǔ)的框架類(lèi)，能夠響應(yīng)消息，創(chuàng)建控件來(lái)開(kāi)發(fā)一些簡(jiǎn)單而實(shí)用的軟件。以c++為基礎(chǔ)，結(jié)合MFC與VTK共同開(kāi)發(fā)一個(gè)可視化軟件（VTKMFC），以此來(lái)現(xiàn)實(shí)本文開(kāi)發(fā)的交互類(lèi)。

本文開(kāi)發(fā)的新型交互類(lèi)vtkWInteractor以vtkInteractorStyle為基類(lèi)，封裝了以上各類(lèi)的鼠標(biāo)與鍵盤(pán)的響應(yīng)函數(shù)。

3.1 功能函數(shù)的定義

作者設(shè)計(jì)的交互類(lèi)vtkWInteractor中的功能函數(shù)取自其他交互類(lèi)并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)。各功能函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

1）平移，取自vtkInteractorStyleJoystickCamera交互類(lèi)的pan（）函數(shù)。

2）縮放，取自vtkInteractorStyleJoystickCamera交互類(lèi)的Dolly（）函數(shù)。

3）旋轉(zhuǎn)，取自vtkInteractorStyleJoystickCamera交互類(lèi)的Rotate（）函數(shù)。

4）矩形框，取自vtkInteractorStyleRubberBand2D交互類(lèi)的RedrawRubberBand（）函數(shù)。

5）窗選放大，取自vtkInteractorStyleRubberBandZoom交互類(lèi)的Zoom（）函數(shù)。

6）點(diǎn)選對(duì)象，取自vtkInteractorStyle交互類(lèi)的OnCha-r（）函數(shù)的一部分，vtkInteractorStyle以P鍵來(lái)拾取顯示對(duì)象，而本文設(shè)計(jì)的vtkWInteractor根據(jù)鼠標(biāo)左鍵單擊時(shí)的位置來(lái)拾取對(duì)象。

7）窗選對(duì)象，根據(jù)vtkInteractorStyleRubberBand2D交互類(lèi)的RedrawRubberBand（）函數(shù)繪制矩形框，再用vtkAreaPicker類(lèi)中的AreaPick函數(shù)對(duì)框內(nèi)的顯示對(duì)象進(jìn)行拾取。

3.2 實(shí)例應(yīng)用與效果展示

在vtk可視化管道中加入六面體（vtkCubeSource），在渲染窗口中顯示，并在窗口中單擊右鍵彈出菜單，應(yīng)用界面如圖2。

右鍵彈出菜單，依次選擇操作方式，對(duì)窗口中的角色進(jìn)行操作。僅憑鼠標(biāo)右鍵、中鍵和右鍵就能夠完成各種操作。操作方式類(lèi)似于日常的電腦界面操作方式，所以使用者可以很快的熟悉。各種操作方式的效果如圖3。

圖中得到的操作畫(huà)面能全視角的對(duì)物體進(jìn)行觀察，且窗選對(duì)象之后能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物體本身的轉(zhuǎn)化，但本文欠妥沒(méi)能實(shí)現(xiàn)這一功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于VTK自帶交互類(lèi)的缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)更為通用且高效的交互類(lèi)是很有必要的。本文對(duì)VTK自帶交互類(lèi)進(jìn)行研究并 開(kāi)發(fā)了新的交互類(lèi)vtkWInteractor。從方法上給VTK進(jìn)一步的研究帶來(lái)啟示，研究了如何快捷的繼承VTK自帶交互類(lèi)的特點(diǎn)。并且基于VTK開(kāi)發(fā)的vtkWInteractor類(lèi)可以運(yùn)用于今后的軟件開(kāi)發(fā)，通過(guò)加入新設(shè)計(jì)的交互類(lèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化交互。

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