基于vtk的自定义交互器的研究

王家林　王松

摘要：由于vtk在可视化软件开发中，其提供的交互器不能满足开发者的要求。基于vtk的各种交互类，提出自定义交互器的开发方法。利用vc++和MFC开发了基于vtk的可视化软件，并进行可视化操作。通过开发的交互器与vtk自带的交互器相比，结果得出，能够更加方便地操作视图，提高了对数据可视化的效率。

关键词：可视化；vtk；软件开发；MFC；交互器

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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简介

开源免费可视化工具包VTK[1，6]，是目前最为流行的软件之一，并且具有强大的数据图形显示功能，优越的结构体系，优秀的移植性，是以OpenGL[2]图形库为基础开发的。目前VTK主要用于医学图像三维重建[3]和虚拟手术[4]，也有国内学者[5]应用于桥梁建模。为了直接对数据操作，就需要良好的交互操作。但vtk软件提供的交互操作不能满足研究者的要求，不利于可视化程序的开发与应用。

图形（Graphic）模型指通过转换几何体而形成图像，达到显示对象的目的。图形模型包括了可视化渲染窗口类（vtkRenderWindow）、渲染器类（vtkRender）和交互器类（vtkRenderWindowInteractor）。它们可以在屏幕上显示可视化对象或角色并且进行交互操作。

可视化模型采用可视化管道机制（PipeLine）以源数据vtkSource为起点，经过过滤器（vtkFilter），最终到达可视化管道机制的终点—映射器（vtkMapper）。网络结构如图1。

2 vtk软件中交互式类的简介

vtkObject[7]在vtk软件中几乎是所有类的基类，拥有自动更新，调试，打印，事件回调等功能。vtkInteractorStyle继承于vtkObject，是所有交互方式的父类，并且拥有一些最简单的交互功能。由于操作需求的不同，在此类的基础上衍生了一部分交互类。部分交互类如下：

2.1 vtkInteractorStyle

vtkInteractorStyle是其他交互类的基类，提供了与交互器vtkRenderWindowInteractor的接口，能对事件进行响应。其提供了大量键盘事件进行响应的功能，但没有响应鼠标操作的功能。键盘操作包括如下部分：

1）按下键盘w键以线框方式显示物体

2）按下键盘p键拾取单个物体

3）按下键盘q或e键关闭应用程序以及其他键盘操作方式。

2.2 vtkInteractorStyleJoystickActor

vtkInteractorStyleJoystickActor开发了不同于父类的操作方式，能在视图中对某个独立的显示对象进行缩放、平移和旋转。缩放比例决定于鼠标位置与显示对象中心位置竖直方向的差。差为正时，角色放大，反之缩小。平移是变速移动，速度大小取决于鼠标与角色中心的相对距离。旋转时，角色绕其中心转动。此交互方式主要针对单个显示对象操作，并且操作不影响其他角色。

2.3 vtkInteractorStyleJoystickCamera

vtkInteractorStyleJoystickCamera类对相机进行操作，其并不能对单个对象操作，而是改变相机的位置，从不同角度来观察整个空间。同样，此类也可以实现基于相机变换的缩放，平移和旋转。通过所有显示对象的几何中心来确定平移和旋转中心。

2.4 vtkInteractorStyleSwitch

vtkInteractorStyleSwitch 类合并了四个交互类，通过按键j，t，c，a来切换不同的交互模式（vtkInteractoStylejoystickactorvtkInteractoStylejoystickcamera，vtkInteractoStyletrackballactor，vtkInteractoStyletrackballcamera）。能够自由切换四种交互方式，但四种交互方式效率并不高。

3 应用需求分析

在GUI应用开发中，对于图形交互有如下需求：

1） 平移：按下鼠标左键，通过移动鼠标实现显示对象跟随鼠标进行平行移动；

2） 缩放，通过鼠标滚轮的前后滚动实现显示对象的放大、缩小显示，或者通过弹出菜单切换到缩放模式后，通过鼠标的竖向坐标实现显示对象的缩放；

3）旋转，按下鼠标左键，通过移动鼠标实现显示对象绕窗口中心的旋转。

4） 矩形框，按下鼠标左键，同时移动鼠标，以鼠标按下左键的位置和当前位置的连线为对角线画一矩形框。

5） 窗选放大，按下鼠标左键并移动鼠标画一矩形框，根据矩形框与窗口的比例放大显示对象。

6） 点选对象，通过单击鼠标左键实现对显示对象的拾取。

7） 窗选对象，通过按下鼠标左键并移动鼠标画一矩形框，实现对矩形框内所有显示对象的拾取。

由于上述各项交互中，根据鼠标运动实现的交互行为有重叠之处，因此加入了利用弹出菜单进行交互模式切换的功能，见图2。

通过对VTK交互类的功能分析发现，没有一个类能够完全实现了所有的功能。因此，作者通过分析研究现有VTK交互类的实现方法，开发了一个具有前述各项功能的交互类。

3 软件的实现方法

MFC[9]是微软开发的一个基础的框架类，能够响应消息，创建控件来开发一些简单而实用的软件。以c++为基础，结合MFC与VTK共同开发一个可视化软件（VTKMFC），以此来现实本文开发的交互类。

本文开发的新型交互类vtkWInteractor以vtkInteractorStyle为基类，封装了以上各类的鼠标与键盘的响应函数。

3.1 功能函数的定义

作者设计的交互类vtkWInteractor中的功能函数取自其他交互类并在此基础上改进。各功能函数实现如下：

1）平移，取自vtkInteractorStyleJoystickCamera交互类的pan（）函数。

2）缩放，取自vtkInteractorStyleJoystickCamera交互类的Dolly（）函数。

3）旋转，取自vtkInteractorStyleJoystickCamera交互类的Rotate（）函数。

4）矩形框，取自vtkInteractorStyleRubberBand2D交互类的RedrawRubberBand（）函数。

5）窗选放大，取自vtkInteractorStyleRubberBandZoom交互类的Zoom（）函数。

6）点选对象，取自vtkInteractorStyle交互类的OnCha-r（）函数的一部分，vtkInteractorStyle以P键来拾取显示对象，而本文设计的vtkWInteractor根据鼠标左键单击时的位置来拾取对象。

7）窗选对象，根据vtkInteractorStyleRubberBand2D交互类的RedrawRubberBand（）函数绘制矩形框，再用vtkAreaPicker类中的AreaPick函数对框内的显示对象进行拾取。

3.2 实例应用与效果展示

在vtk可视化管道中加入六面体（vtkCubeSource），在渲染窗口中显示，并在窗口中单击右键弹出菜单，应用界面如图2。

右键弹出菜单，依次选择操作方式，对窗口中的角色进行操作。仅凭鼠标右键、中键和右键就能够完成各种操作。操作方式类似于日常的电脑界面操作方式，所以使用者可以很快的熟悉。各种操作方式的效果如图3。

图中得到的操作画面能全视角的对物体进行观察，且窗选对象之后能够实现对物体本身的转化，但本文欠妥没能实现这一功能。

4 结束语

基于VTK自带交互类的缺点，开发更为通用且高效的交互类是很有必要的。本文对VTK自带交互类进行研究并 开发了新的交互类vtkWInteractor。从方法上给VTK进一步的研究带来启示，研究了如何快捷的继承VTK自带交互类的特点。并且基于VTK开发的vtkWInteractor类可以运用于今后的软件开发，通过加入新设计的交互类实现数据的可视化交互。

参考文献：

[1] 周振环， 肖汝. ITK和VTK及其应用新进展[J]. 计算机应用究， 2009， 26（6）： 2027-2031.

[2] 王兰美， 赵继成， 秦华东. OpenGL及其在VC++下的开发应用[J]. 武汉大学学报： 工学版， 2006， 39（4）： 62-65.

[3] 陈洁敏. 基于VTK的医学图像体绘制及交互实现[J]. 现代计算机： 专业版， 2009（8）： 176-178.

[4] 王利， 姜红， 张兆臣， 等. 基于VTK的虚拟手术系统中的关键技术[J]. 中国医疗设备， 2009， 24（5）： 58-59.

[5] 马林， 李兴田. 三维可视化方法研究与应用[J]. 兰州交通大学报， 2013， 32（6）： 77-81.

[6] Will S， Martin K， Lorensen B.The Visualization Toolkit An Object-Oriented Approach To 3D Graphics[M]. 3rd ed. Kitware， 2002.

[7] Will Schroeder. The VTK Users Guide[M]. Kitware， 2002.

[8] 谢裕敏， 舒辉， 陈建敏， 等. MFC消息响应函数的逆向定位[J]. 计算机应用， 2009（5）： 1393-1396.