VTK 编程简介

VTK 编程简介
黄为鹏
0 如何利用文档
VTK 是由 Will Schroeder 等创立的 Kitware Inc. 的开放源码产品。Kitware 提供关于VTK 的技术支持和各种服务产品，包括教科书和用户指南：The Visualization Toolkit An Object-Oriented Approach To 3D Graphics, 3rd edition 和 The Visualization Toolkit User's Guide 。两本书的内容各有侧重，教科书主要介绍可视化的各种算法以及 VTK 中的数据结构，而用户指南强调软件的使用方法。可以根据使用过程中遇到的不同问题参考两本书中的相应章节。编程中对具体的类、函数等的使用可以参考电子版的手册。编程中遇到的问题，可以在 VTK 的 maillist 上提出，一般都会有解答。
1 编译 VTK 库
1.1 准备源代码
从 http://www.vtk.org/ 下载源代码。源代码按成熟度依次分为官方发行版、每日打包版和 CVS 开发版，其中官方发行版最稳定，CVS 开发版最新。一般应用使用官方发行版即可。
1.2 用 CMake 产生具体平台下的工程文件
VTK 是用 C++ 语言开发的平台无关的图形库。为了使相互关联的 VTK 库代码能在不同平台（如 Windows 和 Unix）和不同编译器（如 Visual Studio 6.0 和 Borland）下方便使用，Kitware 开发了 CMake 这一转换工具。比如使用 CMake，可以为 Windows 平台下的 Visual Studio 6.0 产生相应的工程文件（.dsp 或 .dsw 文件），此后就可以在 Visual Studio的集成开发环境(IDE)下进行编译连接了。
CMake 提供一个用户界面，用户可以定制某些变量，其中比较重要的是 BUILD_SHARED_LIBS，根据它的选择可以生成 VTK 的静态库或者动态链接库。如果编译成静态库，那么在开发应用程序时要将相应库代码加入可执行程序；如果是动态库，则可执行程序与动态链接库是分离的。用动态库的好处是可以减小主程序的体积，缺点是可执行程序不能独立运行。不过在有些情况下，因为某些专利算法在商业用途里只能授权使用，所以 VTK 提供的部分代码只能以动态链接库的方式使用，所以应该熟悉编译动态链接库的方法。其他较常见的重要变量有 VTK_USE_PATENTED 、VTK_USE_HYBRID 等，编译时使它们打开开关，就可以编译出相应的库以便日后使用了。

图 1
1.3 编译库
以下以 Windows 平台下的 Visual Studio 6.0 编译环境为例来说明使用方法，不再声明。
打开用 CMake 产生的 .dsw 文件，选择工程类型进行编译。工程类型主要分两类：Release 和 Debug ，开发过程中一般用 Debug ，到发行时再用 Release ，所以在此用Debug即可。编译整个工程产生全部库，这个过程所需时间很长。编译完成后，会在 CMake 里面指定的目标目录内（如 vtkbin ）产生编译出的库文件（缺省在 vtkbin/bin/Debug 目录内）。
2 在 Visual Studio 6.0开发环境下使用 VTK 库
VTK 库编译好了以后，就可以在 Visual Studio 开发环境下使用 VTK 库了。使用 VTK库首先要设置头文件和库文件的路径，以便使用 VTK 库的程序在编译和链接的时候可以搜索到。头文件的位置即源代码的各个子目录，里面包含了大量的 .h 文件。将其路径加入到 Visual Studio 6.0 的 Tools -> Options -> Directories 内，如图 2。注意除了源码的各个子目录外，还要加上一个 vtkConfigure.h 文件的路径，它在 CMake 产生的目标目录内。库文件的设置与此类似，也在 Directories 页面进行，其路径是前述编译产生库文件的目录（如 vtkbin/bin/Debug ）。这样设置好路径以后，使用 VTK 库的程序就可以正确地编译和链接了。对于使用动态链接库的程序来说，此时还不能运行编译出来的可执行程序（ .exe），还需要一步，即把 VTK 的动态链接库文件所在路径加入操作系统的环境变量 PATH ，或直接将这些库文件拷贝到系统目录。

图 2
3 VTK 库编程特点
VTK 库是用面向对象的 C++ 语言写成的，由于主要开发者有着十数年涉及可视化系统的经验，所以 VTK 拥有非常合理的模型和结构。
VTK 的编程风格在教科书的附录 A，包括命名规范、术语定义、各类对象的用途说明等。值得注意的，比如它的对象工厂（Object Factory）概念。在 VTK 里，是用<class>::New() 的方式来初始化对象的，而不是用 C++ 中的 new 来新建对象，对象工厂不仅可以做到代码与设备无关，而且通过引用计数（reference counting），可以使程序清晰简明，不容易发生内存泄漏或崩溃的问题。
VTK 中实现了数百个类及其方法，它们之间简化的继承和关联关系可以从教科书附录 A.3 的图中看到。熟悉不同的类的用途和它们之间的关系，对编程十分有利。
对开发者来说，如何扩充这个类库是重要的，教科书的附录 A.4 介绍了这个问题，而用户指南的开发者指南部分有一章来讲具体的做法。
4通过例子学习 VTK 概念及编程
要用 VTK 库进行可视化编程首先要对可视化要有一定的概念和基础。除了普通的可视化教科书以外，VTK 提供的教科书本身就非常好。VTK 源程序包的 Example 目录包括了一系列例子，它们都有详尽的注释。一步步学习这些例子，可以很容易理解 VTK 涉及的可视化概念和 VTK 编程的一般特点。
学习这些例子首先要成功编译运行它们。这个步骤跟编译库类似，也需要先用 CMake 工具生成 Visual Studio 的工程文件，然后编译；而要保证程序能正确运行，还得保证 VTK 库文件在环境变量的 PATH 内。
初学者应该从 Tutorial 目录内的 Step x 例子入手，它们从最简单的 VTK 程序开始，一步步地增加概念，演示了各种可视化概念。注意例子里的注释，以第一个程序（Step1 的 Cone 程序）为例，看一下源程序：

源程序：Example/Tutorial/Step1/Cxx/Cone.cxx
//
// This example creates a polygonal model of a cone, and then renders it to
// the screen. It will rotate the cone 360 degrees and then exit. The basic
// setup of source -> mapper -> actor -> renderer -> renderwindow is
// typical of most VTK programs.
//

// First include the required header files for the VTK classes we are using.
#include "vtkConeSource.h"
#include "vtkPolyDataMapper.h"
#include "vtkRenderWindow.h"
#include "vtkCamera.h"
#include "vtkActor.h"
int main( int argc, char *argv[] )
{
 //
 // Next we create an instance of vtkConeSource and set some of its
 // properties. The instance of vtkConeSource "cone" is part of a
 // visualization pipeline (it is a source process object); it produces data
 // (output type is vtkPolyData) which other filters may process.
 //
 vtkConeSource *cone = vtkConeSource::New();
 cone->SetHeight( 3.0 );
 cone->SetRadius( 1.0 );
 cone->SetResolution( 10 );
 //
 // In this example we terminate the pipeline with a mapper process object.
 // (Intermediate filters such as vtkShrinkPolyData could be inserted in
 // between the source and the mapper.)  We create an instance of
 // vtkPolyDataMapper to map the polygonal data into graphics primitives. We
 // connect the output of the cone souece to the input of this mapper.
 //
 vtkPolyDataMapper *coneMapper = vtkPolyDataMapper::New();
 coneMapper->SetInput( cone->GetOutput() );

程序段 1
这个简单的例子是一个控制台下的程序，创建一个棱锥，在屏幕上绘制，旋转360度后退出。程序虽简单，但已经包括了数据源、映射器、演员、绘制器、绘制窗口等概念，这些概念在 VTK 编程中几乎都是必然涉及的。通过这个例子，就可以对教科书里讲到的各种可视化概念（如相机、演员），编程模型（如管道）等有直观的了解了。
这里仅举这个最简单的例子，事实上，VTK 自带的例子循序渐进，从简单的概念，到各种复杂的概念、算法和数据结构、GUI 编程、直到具体的应用等，都做了很好的例证。结合教科书和例子，可以较快地理解 VTK 的各个方面。
比如说，如果要用 VTK 在 Win32 环境下编程，应该学习 Example/GUI/Win32 下的例程，如果要用 MFC 框架，那么可以参考其中的 vtkMFC 例程。体会 VTK 库和 Win32 的关系、和 MFC 框架的关系，以便在这些平台上开发自己的程序。这需要对 VTK和操作系统、编程环境本身有比较深入的了解，而这种了解对自行开发程序是十分必要的。
5 用 VTK 进行 CT 片三维重构
VTK 作为一种通用的可视化类库，在科学和工程界有着广泛的应用。其中一种重要而常见的应用就是在医学领域，比如著名的“可视化人”项目，就有 VTK 的应用。实际上，VTK 在医学方面的应用是是 VTK 比较强调的，在它提供的例程应用中，就有专门的医学目录。学习它们，并应用于我们的项目中，是一条合适的途径。
比如，如果要做一个 3D 的医学影像系统，其中重要的一个环节就是三维重构，这也是在全膝置换手术中需要的。所以，用 VTK 进行 CT 片的三维重构，就是一个合适的应用的例子。
利用 VTK 做 CT 片的三维重构，从算法和数据结构来看，就是一个读取数据问题和一个图形显示问题。
对于我们手里的 CT 片，因为它们符合 DICOM 3.0 标准，所以对它们的读取还是相对容易的。VTK 已经实现了这类数据的读取，vtkImageSource类的很多子类都可以完成这种工作，如vtkImageReader 类或者 vtkVolumeReader 等。这样我们编程的时候只要指定必须的参数，就可以实现对单张 CT 片乃至 CT 片序列的读取了。根据 VTK 的数据管道，原始数据读取入了以后，就可以使用各种各种过滤器进行数据转换，在这个例子里，即进行表面抽取、影射，然后就可以绘制了。因为是三维重建，所以还应该加入交互器，以便可以在绘制窗口里进行交互。
关于重建算法，对于 CT 片这种三维规则数据场，可以采取成熟、基本的算法来进行三维重建，比如 MarchingCubes 算法。
我们使用 Visual Studio 6.0 开发平台来完成上述的工作，使对 CT 片的读取、重建及显示、交互等功能融合到 MFC 的框架中，以便提供一个方便的用户接口。具体的程序另件给出，各部分的功能可以参考注释。

[参考文献]
1.The Visualization Toolkit An Object-Oriented Approach To 3D Graphics, 3rd edition
2.The Visualization Toolkit User's Guide
3.VTK 源码：http://www.vtk.org/get-software.php
4.VTK 电子文档：http://www.vtk.org/get-software.php
5.VTK 邮件列表：http://public.kitware.com/mailman/listinfo/vtkusers
6.http://digitalne.nju.edu.cn/new/course/vtk/index.htm