vtk学习过程中的笔记

有位专家大佬讲的特别好，图画的也非常好，多有借鉴：https://blog.csdn.net/shenziheng1/category_9277349.html
若有错误和不同的见解，还望多多指点和交流。

VTK基础了解

1.搭建编译环境，此略；

2.下载VTK源码、data（各种格式的图片数据，在source源码同级目录进行解压）、对应版本的帮助文档包（vtkDocHtml-*.tar.gz），VTK官网下载地址：https://vtk.org/download/；

3.学会查看帮助文档，首先打开annotated.html网页，可跳转到各其他帮助页面Main Page、Related Pages、Modules、Namespaces、Classes、Files；

4.进入学习，推荐《VTK图形图像开发进阶》，先对总体只是架构有基本的认识。结合源码example代码跑出效果，对每个组件的使用有更深入的认识；

VTK数据流程：

1. —-source/data(Actor 定性，主角是什么样的)
2. —-filter(数据转换，数据怎么给到下一个处理器才可以被处理和接收)
3. ——mapper(实现source到actor的映射)
4. ——actor(Actor 实例)：color、position
5. ——render(Actor 、Window上色打光)：light、Camera、BackGroundcolor、
6. ——renderwindow(显示窗口)：size、
7. ——interactor(互动器，鼠标)

若整个VTK是一场表演，那么下图就是各角色之间的对应关系(来源与借鉴资料)；

  

  

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类

vtkCylinderSource/vtkCubeSource/vtkSphereSource：
= 实例创建
  vtkAlgorithmOutput* vtkAlgorithm::GetOutputPort() 

  Eg1.vtkCylinderSource，VTK-9.0.1/Examples/Rendering/Cxx/Cylinder.cpp,可以尝试做参数修改，观察图形的改变。

  vtkCylinderSource* cylinder = vtkCylinderSource::New();
  cylinder->SetResolution(3);//三边
  cylinder->SetCapping(0);//0不封闭，1封闭

 

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vtkCoordinate:
= 坐标系统

  ├── Model 笛卡尔/直角/斜角坐标系(二维、三维)，是actor的实体坐标系
  ├── World 三维空间坐标系，light、camera、
  ├── View 视觉二维坐标系，view(x,y)面,camera.(z)
  └── Display 视图坐标系，坐标取值来自与屏幕像素值，

reference source：
二维坐标到三维坐标之间的转换：https://blog.csdn.net/weixin_39827728/article/details/111105515

vtkPoints/vtkCellArray:
= Points定义数据几何结构；Cell Array定义数据拓扑结构；

vtkDataReader-Write/vtkDicomImageReader/vtkMetaImageReader/vtkBMPReader:
= 图像数据的处理；
Eg1:基于vtkMetaImageReader( read binary UNC meta image data)读取*.mhd文件 .

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL2);
VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);
main(int argc, char * argv [])
{
	vtkSmartPointer Metareader = vtkSmartPointer::New();
	Metareader->SetFileName("../data/brain.mhd");
	Metareader->Update();

	vtkSmartPointer reader = vtkSmartPointer::New();
	reader->SetFileName("../data/VTK-logo.bmp");
	reader->Update();

	//vtkSmartPointer mapper = vtkSmartPointer::New();
	//mapper->SetInputConnection(reader->GetOutput());

	vtkSmartPointer actor = vtkSmartPointer::New();
	actor->SetInputData(reader->GetOutput());

	vtkSmartPointer render = vtkSmartPointer::New();
	render->AddActor(actor);

	vtkSmartPointer renderwin = vtkSmartPointer::New();
	renderwin->AddRenderer(render);

	vtkSmartPointer renderwinInter = vtkSmartPointer::New();
	renderwinInter->SetRenderWindow(renderwin);

	vtkSmartPointer InteStyle = vtkSmartPointer::New();
	InteStyle->SetCurrentRenderer(render);

	renderwinInter->SetInteractorStyle(InteStyle);
	renderwinInter->Initialize();
	renderwinInter->Start();
}

        

Eg2:基于vtkDicomImageReader进行数据读取；

vtkMarchingCubes/vtkContourFilter：
= Filter,不同的标量值代表的是人体的不同部分，因而可以分别提取出人的皮肤或骨头。SetValue(0, 1)设置第一条是值为1的等值线/GenerateValues(5.0, 0.0, 1.2)从0.0-1.2之间抽取5个抽取值。

vtkPolyDataMapper/vtkPolyDataMapper2D：
= 数据获取,SetInputConnection()/SetInputData()

vtkActor/vtkActor2D：
= 实例对象，输入数据需要为unsigned char类型；

vtkRender(vtkLight/vtkCamera):
= 用于对Actor/window渲染；G/SetActiveCamera()设置视窗相机/；SetViewport((xmin,ymin,xmax,ymax) 0~1设置view坐标系中各视窗的位置；

    reader->GetOutput()->GetExtent(extent);//坐标轴尺寸[XMin,XMax,YMin,YMax,ZMin,ZMax]
    reader->GetOutput()->GetSpacing(spacing);//体素大小，如一个立方体的长宽高
    reader->GetOutput()->GetOrigin(origin);//3D空间中第一像素位置
    center[i] = origin[i] + spacing[i] * 0.5 * (extent[2*i] + extent[2*i+1]);//计算图形中心

Eg1.renderer1->SetViewport(0.0,0.0,0.5,0.5)左下;renderer2->SetViewport(0.5,0.0,1.0,0.5)右下;renderer3->SetViewport(0.0,0.5,0.5,1.0)左上;renderer4->SetViewport(0.5,0.5,1.0,1.0)右上;

  cylinderren1->AddActor(cylinderActor);
  cylinderren1->SetViewport(0.0,0.0,0.5,0.5);

Eg2.vtkCamera，SetPosition(*,*,*)/SetFocusPoint()/SetClippingRange()/ComputeViewPlaneNormal()/SetViewUp()等

    camera->SetViewUp(0,0,-1);//摄像机的视图向上方向
    camera->SetPosition(0.1,0.1,0.1);//相机在世界坐标系中的位置
    camera->SetFocalPoint(0,0,1);//摄像机在世界坐标系中的焦距
    camera->ComputeViewPlaneNormal();//计算视图平面法线

Eg3.vtkLight，SetColor()/SetPosition()/SetFocalPoint()/SetIntensity()/SetSwitch()/SwitchOn()/SwitchOff()等

  vtkCamera* Camera = vtkCamera::New();
  Camera->SetClippingRange(50,50);
  Camera->SetPosition(-6,0,0);
  Camera->SetFocalPoint(0.0573,-0.2134, -0.0523);
  Camera->ComputeViewPlaneNormal();
  Camera->SetViewUp(0, 1, 0);
  cylinderren1->SetActiveCamera(Camera);

  vtkLight* light = vtkLight::New();
  light->SetColor(0,1,0);
  light->SetPosition(6,0,0);
  light->SetFocalPoint(cylinderren1->GetActiveCamera()->GetFocalPoint());
  light->SetIntensity(0.5);//0~1
  cylinderren1->AddLight(light);

  vtkLight* light1 = vtkLight::New();
  light1->SetColor(1,0,0);
  light1->SetPosition(-6,0,0);
  light1->SetFocalPoint(cylinderren1->GetActiveCamera()->GetFocalPoint());
  light1->SwitchOff();
  cylinderren1->AddLight(light1);

vtkRenderWindow：
= 创建渲染窗口；

vtkImageViewer2：
= 图片显示与交互、切片选择、切片方向，汇集actor/render/window/interactor/等功能；

Eg1:基于vtkImageViewer2 实现的水平试图切片

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL2);
VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);
main(int argc, char * argv [])
{
	vtkSmartPointer reader= vtkSmartPointer::New();
	reader->SetFileName("../data/HeadMRVolume.mhd");
	reader->Update();
	
	vtkSmartPointer View= vtkSmartPointer::New();
	View->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());

	vtkSmartPointer RenWinInter=vtkSmartPointer::New();

	vtkSmartPointer Style= vtkSmartPointer::New();
	
	//设置基本属性
	View->SetSize(640,480);
	View->SetColorLevel(400);
	View->SetColorWindow(2000);
	
	//默认选择第50张切片
	View->SetSlice(40);
	//View->SetSliceOrientationToXZ();
	//View->SetSliceOrientationToXY();
	View->SetSliceOrientationToYZ();
	View->SetupInteractor(RenWinInter);
	View->GetRenderer()->SetBackground(1,1,1);
	View->GetRenderer()->ResetCamera();
	View->Render();	

	RenWinInter->Initialize();
	RenWinInter->Start();	
}

Eg2:基于vtkImageViewer2实现有异常的三视图显示

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL2);
VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);
main(int argc, char * argv [])
{
	vtkSmartPointer reader= vtkSmartPointer::New();
	reader->SetFileName("../data/brain.mhd");
	reader->Update();
	
	vtkSmartPointer View= vtkSmartPointer::New();
	View->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());

	vtkSmartPointer RenWinInter=vtkSmartPointer::New();
	
	vtkSmartPointer Style= vtkSmartPointer::New();

	View->SetupInteractor(RenWinInter);
	//设置基本属性
	View->SetSize(500,200);
	View->SetColorLevel(400);
	View->SetColorWindow(2000);
	
	//默认选择第50张切片
	View->SetSlice(40);
	View->SetSliceOrientationToXZ();	
	//View->GetRenderer()->SetBackground(0.1, 0.2, 1.4);
	View->GetRenderer()->SetViewport(0.5,0.5,1.0,1.0);	

	//默认选择第50张切片
	View->SetSlice(40);
	View->SetSliceOrientationToXY();
	View->GetRenderer()->SetViewport(0.5,0.0,1.0,0.5);

	//默认选择第50张切片
	View->SetSlice(40);
	View->SetSliceOrientationToYZ();
	View->GetRenderer()->SetViewport(0.0,0.0,0.5,0.5);		

	View->Render();
	
	RenWinInter->Initialize();
	RenWinInter->Start();	
}

   

vtkImageBlend:
= 图片融合处理；

vtkImageReslice：
= 沿一组新轴重新切割；SetOutputDimensionality(int *)设置维数；SetInterpolationModeToLinear()切面提取中的差值方式为线性差值；SetResliceAxes(* *)设置切面矩阵；

vtkMatrix4x4：
=矩阵转换；
三维基础几何变换矩阵：https://max.book118.com/html/2018/0423/162757315.shtm
//轴状面变换矩阵
static double axialElements[16] = {
        1, 0, 0, 0,//x轴向量（第四个元素必须设置为0）
        0, 1, 0, 0,//y轴
        0, 0, 1, 0,//z轴
        0, 0, 0, 1 //第四个元素必须设置为1
    };

x[1,0,0] - y[0,1,0] - z[0,0,1] - 经过变换矩阵处理之后的新的原点[0,0,0]

       //冠状面变换矩阵
    double Coronal [16] = {
        1, 0, 0, 0,
        0, 0, -1, 0,
        0, 1, 0, 0,
        0, 0, 0, 1 };

    //矢状面变换矩阵
    double Sagittal [16] = {
        0, 0, 1, 0,
        1, 0, 0, 0,
        0, 1, 0, 0,
        0, 0, 0, 1 };

    //斜切面变换矩阵
    double Oblique[16] = {
        1, 0, 0, 0,
        0, 0.866025, -0.5, 0,
        0, 0.5, 0.866025, 0,
        0, 0, 0, 1 };

--AxialResliceMatrix，轴切面/2
--CoronalResliceMatrix，冠状面/1
--SagittalResliceMatrix，矢状面/0

CT文件数据到三维立体图形

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交互
    -观察值/指令模式方式
       1.定义事件回调函数
            1.1 定义回调函数 ，形式如下
                void func(vtkObject* obj, unsigned long eid, void* clientdata, void* calldata);
            1.2 创建vtkCallbackCommand对象，调用vtkCallBackCommand::SetCallback()设置的回调函数；
                vtkSmartPoint eventcallback = vtkSmartPoint::New();
                eventcallback->setCallBack(mycallbackFunc);
            1.3 添加vtkCallBack对象到观察者列表
                interactor->AddObserver(vtkCommand::LeftButtonParessEvent, eventcallback);            
       2.扩展vtkCommand,实现它的超类，实现新的excuse函数。
            2.1 扩展vtkCommand子类，实现excuse函数
            2.2 实例化vtkCommand子类，调用相关函数
                vtkSmartPoint callback = vtkSmartPoint::New();
                callback->SetObject(coneSource);
            2.3 调用AddObserver进行事件监听，监听到对应事件后调用实现子类的excuse函数；                

    -交互器
        1.事件捕捉
            1.1 用户界面事件捕捉，平台驱动事件消息；
            1.2 vtkRenderwindowinteractor回调函数vtkHandleMessage接收到消息，并分发到其对应的响应函数中；
            1.3 响应函数中的vtkObject::invokeEvent，将消息转换为VTK消息，函数中的被动观察者Passive/焦点观察者Focus/other做消息捕获；
                    -被动观察者Passive：不改变系统状态；
                    -焦点观察者Focus：使窗口获得焦点(如：LeftButtonParessEvent焦点观察者)
                    -other
            1.4 消息路由至vtkInteractorOberserver或其子类(比如widget处理类)，其vtkSubjectHelper::invokeEvent将消息发送观察者；
            1.5 观察者调用vtkInteractorStyle::ProcessEvent处理事件，将事件发送到对应的消息响应函数；
        
      2.render渲染实现，依据当前请求渲染库类型，进而创建对应的子类。
      3.interactorstyle是事件处理样式定义，不同的样式对同一个动作会给出不同的界面响应效果。

    -widget(vtk5.0及以上版本)
        -作用
            交互部件，交互器表达的实体化，做到操作的可视化，方便用户的操作
        -类关系
            -父类
                vtkInteractorOberserver是widget基类的父类
            -基础类
                -vtk3DWidget
                    主要应用于控制数据可视化，如画点、线、面、立体球框等；
                -vtkAbstractWidget
                    主要应用与交互/表达实体(interaction/representation)；
        -表达实体对应对象
            -vtkprop
            -vtkWidgetRepresentation子类
        -事件转换
            widgeteventtranslator将vtk事件转换为widget事件;
            vtkWidgetCallBackMapper将对应widget事件 -> 与操作函数进行关联，通过vtkWidgetCallBackMapper::setCallBackMethod方法；
        -widget创建步骤：
              1.实例化widget。
              2.指定渲染窗口 的 交互器，widget可通过interactor监听用户信息。
              3.用户可以创建自己的观察者/命令模式回调函数，可监听需要的事件消息做出事件响应。
              4.创建对应的几何表达实体，可以用setrepresentation将几何实体与widget关联起来;也可使用默认几何实体。
              5.激活widget，使其在渲染场景中显示。
        -其他一些widget类
            -测量类widget
                vtkDistanceWidget（测量二维平面两点之间的距离）、vtkAngleWidget（二维平面的较低测量）、vtkBiDimensionalWidget（二维平面任意正交方向轴长）等。
            -标注类widget
                vtkTextWidget（在渲染场景中生成一串标识文本）、vtkScalarBarWidget（生成标量条）、vtkCaptionWidget（带线框和箭头的文本信息标注对象）、vtkOrientationMarkerWidget（渲染数据的方向指示标志）、vtkBalloonWidget（鼠标在某actor停留之后弹出提示信息）等。
           -分割/配准类
                vtkContourWidget（绘制闭合/不不闭合轮廓线）、vtkSeedWidget（放置种子点）、vtkImageTraceWidget（绘制轨迹线）、vtkCheckerboardWidget（在二维图像上生成自定义棋盘格）、 vtkRectilinearWipeWidget（生成2x2棋盘格）等。

    Q:事件处理与widget表达实体是如何同步的？
    A：

.拾取
    -作用
        选择和控制角色
    -基类
        vtkAbstractPicker
    -按理解析
        -点拾取-vtkPointPicker
            1.RenderWindowInteractor 接收到事件之后，分发到响应函数，进行处理；
            2.使用SetPicker(*)函数设置 需要拾取操作的 拾取对象；
            3.定制相应的鼠标处理函数，并在其中 完成拾取操作；

  

vtkImagePlaneWidget：
= 切片图像提取，切面三视图可视化部件；

vtkResliceCursorWidget:
=交互式图像切分，定义了“十”字坐标轴，支持坐标轴的旋转平移等鼠标操作；
一个该对象对应一个vtkResliceCursor对象，当坐标系发生改变时调用vtkResliceCursor来进行图像切分并进行更新到vtkRenderer对象中；

vtkAbstractTransform/vtkTransform:
=旋转、平移、缩放等操作；PreMultiply()/PostMultiply() 

vtkImagePlaneWidget:
=三维图像的实时切割

vtkCommand:
= 指令交互模式，

Widget 使用：
1.SetEnabled(int *)可以对widget进行使能/开关控制；

Interaction/Widgets/Testing/Cxx的栗子跑出来的效果：

==================================分析伪代码
基于widget实现图片切片
//window/interaction创建
vtkSmartPointer renWin->AddRenderer(ren[i]);
vtkSmartPointer iren->SetRenderWindow(renWin);//只有一个RenderWindowInteractor

//三维切面图
vtkSmartPointer planeWidget[i]->SetInteractor(iren);
									 planeWidget[i]->SetDefaultRenderer(ren[3]);
//回调函数
vtkSmartPointer cbk = vtkSmartPointer::New();//我们实现的VTKcommand派生类
vtkSmartPointer< vtkResliceCursor> resliceCursor = vtkSmartPointer< vtkResliceCursor >::New();//创建vtkResliceCursor，一个vtkResliceCursor将所有的vtkResliceCursorWidget链接起来
resliceCursorRep[i] =vtkSmartPointer< vtkResliceCursorLineRepresentation >::New();//显示图像切分时的“十”字坐标轴
vtkSmartPointer< vtkResliceCursorWidget > resliceCursorWidget[i]->SetInteractor(iren);
										  resliceCursorWidget[i]->SetDefaultRenderer(ren[i]);
										  resliceCursorWidget[i]->SetRepresentation(resliceCursorRep[i]);
										  resliceCursorRep[i]->GetResliceCursorActor()->GetCursorAlgorithm()->SetResliceCursor(resliceCursor);//设置同一个vtkResliceCursor使得所有的resliceCursorWidget同步
//回调函数注册 
cbk->IPW[i] = planeWidget[i];
cbk->RCW[i] = resliceCursorWidget[i];
resliceCursorWidget[i]->AddObserver(vtkResliceCursorWidget::ResliceAxesChangedEvent, cbk);//监听ResliceAxesChangedEvent事件，Execute实现回调功能


vtkResliceCursorWidget : 
	vtkAbstractWidget : 
		vtkWidgetCallbackMapper : SetCallbackMethod/SelectAction/RotateAction/EndSelectAction/MoveAction/ResetResliceCursorAction
		vtkWidgetEventTranslator : 
		vtkWidgetRepresentation : 
	vtkInteractorObserver : SetInteractor(AddObserver)/ComputeDisplayToWorld.../SetCurrentRenderer/SetDefaultRenderer
		vtkCallbackCommand : Execute()  --  vtkCommand ：SetCallback/event type/
		vtkRenderWindowInteractor :	
		vtkRenderer : 
-vtkResliceCursorLineRepresentation:

vtkImagePlaneWidget : SetInteractor()/SetDefaultRenderer()//三维切面图
	vtkImageReslice : 
	

---

debug调试

1.Linux

2.Android

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基础解读：

color：
          控色M1：SetColor(RGB 0~1)，红，绿，蓝；
          控色M2:AmbientColor, 环境光颜色；DiffuseColor, 散射光颜色；SpecularColor, 镜面光颜色；

灰度：
          一般的非灰度图像unsigned char类型来表示。但是在医学图像处理中常见像素数据类型为unsigned short，灰度范围为0-65536。

4x4矩阵变换：
          1.图形的伸缩、旋转、对称、错切、平移；
          2.图形透视变换；
          3.图形比例变换；

图形结构中的隐形层之间的疏密：层是紧密连接的（dense）/稀疏连接的（sparse）
图片文件格式：1.二进制图片数据，2.图片数据+fileinfo，读写ram(裸数据)格式数据时需要指定维度、字节顺序、存储像素值等属性；

VTK常识了解：
Q1.为什么需要了解类之间的继承？
A1.超类是父类的扩充，有些功能接口在父类中，有些在新加的子类中；开发者也可以继承的方式开发扩展自己的类。

Q2.camera和light 数量是如何规定的？
A2.camera只有一个，light可以多个，多个light的效果都将呈现到一个camera上。

Q3.vtkResliceCursorWidget与vtkImagePlaneWidget是如何实现同步更新的？
A3.这两个类，ResliceCursor是实现切面光标可视化，ImagePlane实现图像切面可视化。

Q4:what is mesa？
A4:

QA.1.实践很重要，多跑代码验证和加深了解。
       2.点是属于零维。

图形学问答：
Q1.what is OpenGL ？
A1.Open Graphics Library,用于图形的绘制、渲染。

Q2.What is OpenCV？
A2.Open Source Computer Vision Library,图形视频基础处理算法库。

Q3.what is Volume rendering？
A3.

Q5.what is ITK (insight segmentation registration toolkit)？
A5:医学图像分割与配准工具包，主要提供算法技术，不支持可视化功能，可以通过相关实现与vtk的配合使用。

常用英文单词：
1.线：line
2.圆：sphere
3.三角形：triangle
4.四边形：quadri-quadru  四边多边形：four-sided polygons
5.正方形：
6.长方形：
7.多边形柱体：polygonal cylinder
8.立方体：cube
9.圆锥体：cone
10.渲染窗口交互器:render window interactor
11.图形结构：graphics structure
12.缩放：zoom
13.辨识度 ：Resolution
14.经度-纬度：longitude - latitude 
15.位置：Position
16.PNM图片(黑白、灰度、彩色);PPM->Portable PixMap、PGM->Portable GreyMap、PBM->Portable BitMap
17.切片方向：slice orientation -xzy
18.切面坐标矩阵

---

资源外接：

paraView Tutorial:https://blog.csdn.net/dsfsdffgfd/category_10102763.html?utm_source=BWXQ_bottombtn&spm=1001.2101.3001.4225

东灵出版社 :https://blog.csdn.net/www_doling_net/category_1331102.html

VTK官网 : https://vtk.org/，其中有VTK-Source/VTK-Data/VTK-Doc等重要学习资源

图像处理VTK/ITK博文列表：https://blog.csdn.net/calmreason/article/details/88075073

图像切片vtkImagePlaneWidget与vtkResliceCursorWidget的使用：https://blog.csdn.net/www_doling_net/article/details/8939115

vtkcommand使用解析：https://blog.csdn.net/webzhuce/article/details/71245134