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Python編程之VTK庫入門指南：學(xué)會(huì)使用Python編寫3D可視化程序

作者：小乖獸技術(shù)
開源
VTK主要應(yīng)用于科學(xué)可視化領(lǐng)域，例如醫(yī)學(xué)圖像處理、工程可視化、數(shù)學(xué)計(jì)算和物理仿真等領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，VTK可用于可視化影像數(shù)據(jù)，支持對(duì)CT、MRI、PET等圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并能生成3D圖像。在工程可視化領(lǐng)域，VTK可用于渲染CAD模型、地形數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)以及高性能計(jì)算領(lǐng)域的數(shù)值模擬結(jié)果等。同時(shí)，VTK還廣泛應(yīng)用于流體動(dòng)力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、電磁場(chǎng)仿真等科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域。

1、VTK庫的介紹

VTK（Visualization Toolkit）是一個(gè)由美國國家癌癥研究所制作的開源可視化庫。該庫主要用于可視化科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)，包括醫(yī)學(xué)、地球科學(xué)、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域。它提供了一組可重用的算法和工具，支持2D和3D圖形、動(dòng)畫和交互式虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序的創(chuàng)建。VTK庫是一個(gè)功能強(qiáng)大的可視化庫，可以創(chuàng)建復(fù)雜的2D和3D可視化效果。它包含各種提供高級(jí)可視化的算法和工具，例如等值面、體數(shù)據(jù)渲染、光線追蹤、流線等。此外，VTK還支持多種語言，包括C++、Python和Java。

2、VTK的使用場(chǎng)景

VTK主要應(yīng)用于科學(xué)可視化領(lǐng)域，例如醫(yī)學(xué)圖像處理、工程可視化、數(shù)學(xué)計(jì)算和物理仿真等領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，VTK可用于可視化影像數(shù)據(jù)，支持對(duì)CT、MRI、PET等圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并能生成3D圖像。在工程可視化領(lǐng)域，VTK可用于渲染CAD模型、地形數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)以及高性能計(jì)算領(lǐng)域的數(shù)值模擬結(jié)果等。同時(shí)，VTK還廣泛應(yīng)用于流體動(dòng)力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、電磁場(chǎng)仿真等科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域。

3、VTK庫的組成模塊

VTK庫包含許多功能模塊，每個(gè)模塊都有其特定的功能，其中常用的模塊包括：

  • Common：提供了VTK庫的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和工具，例如數(shù)據(jù)類型、文件讀寫等。
  • Filters：提供了大量可重用的數(shù)據(jù)處理算法，例如過濾器、截取器、變換器等。
  • IO：提供了讀寫數(shù)據(jù)的功能，例如讀寫圖像數(shù)據(jù)、網(wǎng)格數(shù)據(jù)等。
  • Rendering：提供了渲染2D和3D圖像的功能，例如光源、材質(zhì)、紋理、陰影等。
  • Graphics：提供了繪制和顯示基本圖形的功能，例如點(diǎn)、線、面等。

4、VTK庫支持多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

VTK支持多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括：

  • 點(diǎn)數(shù)據(jù)（vtkPoints）：一組坐標(biāo)點(diǎn)的集合，每個(gè)點(diǎn)可以使用一至三個(gè)浮點(diǎn)數(shù)來表示自身的坐標(biāo)，例如三維坐標(biāo)系中的(x,y,z)。
  • 單元格數(shù)據(jù)（vtkCell）：一個(gè)或多個(gè)連接在一起的點(diǎn)數(shù)據(jù)，描述了一個(gè)封閉的幾何體，例如直線、三角形、四面體等。
  • 網(wǎng)格數(shù)據(jù)（vtkDataSet）：由點(diǎn)數(shù)據(jù)和單元格數(shù)據(jù)組成的復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如多邊形、曲面等。

5、VTK使用流程

使用Python語言進(jìn)行VTK可視化的基本流程如下：

  1. 導(dǎo)入所需庫：首先需要導(dǎo)入Python語言中的VTK庫和相關(guān)擴(kuò)展庫，例如numpy、matplotlib等。
  2. 創(chuàng)建數(shù)據(jù)：根據(jù)實(shí)際需要?jiǎng)?chuàng)建數(shù)據(jù)，例如使用numpy創(chuàng)建隨機(jī)數(shù)據(jù)集。
  3. 創(chuàng)建數(shù)據(jù)源：使用vtk庫中提供的數(shù)據(jù)源，例如使用vtkSphereSource創(chuàng)建一個(gè)球體。
  4. 過濾器：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，例如使用vtkContourFilter生成等值面。
  5. 渲染器：設(shè)置渲染的參數(shù)，例如設(shè)置光照、材質(zhì)、顏色等。
  6. 渲染窗口：將渲染結(jié)果展示在窗口中，例如使用vtkRenderWindow將渲染結(jié)果顯示出來。

6、Python使用VTK庫代碼案例

案例一：創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的3D立方體。

# 導(dǎo)入必要的庫
import vtk

# 創(chuàng)建立方體，設(shè)置大小和位置
cube = vtk.vtkCubeSource()
cube.SetXLength(1.0)
cube.SetYLength(2.0)
cube.SetZLength(3.0)
cube.SetCenter(0.0, 0.0, 0.0)

# 創(chuàng)建渲染器和窗口
ren = vtk.vtkRenderer()
renWin = vtk.vtkRenderWindow()
renWin.AddRenderer(ren)

# 創(chuàng)建渲染窗口交互工具
iren = vtk.vtkRenderWindowInteractor()
iren.SetRenderWindow(renWin)

# 將立方體加入渲染器中
cubeMapper = vtk.vtkPolyDataMapper()
cubeMapper.SetInputConnection(cube.GetOutputPort())
cubeActor = vtk.vtkActor()
cubeActor.SetMapper(cubeMapper)
ren.AddActor(cubeActor)

# 設(shè)置渲染器背景顏色并顯示立方體
ren.SetBackground(0.1, 0.2, 0.4)
renWin.SetSize(500, 500)
renWin.Render()
iren.Start()

案例二：創(chuàng)建一個(gè)由多個(gè)點(diǎn)組成的二維圖形。

# 導(dǎo)入必要的庫
import vtk

# 創(chuàng)建點(diǎn)數(shù)據(jù)并設(shè)置坐標(biāo)
points = vtk.vtkPoints()
points.InsertNextPoint(0.0, 0.0, 0.0)
points.InsertNextPoint(0.0, 1.0, 0.0)
points.InsertNextPoint(1.0, 1.0, 0.0)
points.InsertNextPoint(1.0, 0.0, 0.0)

# 創(chuàng)建線數(shù)據(jù)，兩點(diǎn)之間連線
lines = vtk.vtkCellArray()
lines.InsertNextCell(4)
lines.InsertCellPoint(0)
lines.InsertCellPoint(1)
lines.InsertCellPoint(2)
lines.InsertCellPoint(3)

# 創(chuàng)建polydata數(shù)據(jù)
polydata = vtk.vtkPolyData()
polydata.SetPoints(points)
polydata.SetLines(lines)

# 顯示數(shù)據(jù)
mapper = vtk.vtkPolyDataMapper()
mapper.SetInputData(polydata)
actor = vtk.vtkActor()
actor.SetMapper(mapper)

ren = vtk.vtkRenderer()
renWin = vtk.vtkRenderWindow()
renWin.AddRenderer(ren)

iren = vtk.vtkRenderWindowInteractor()
iren.SetRenderWindow(renWin)

ren.AddActor(actor)
ren.SetBackground(0.1, 0.2, 0.4)
renWin.SetSize(500, 500)
renWin.Render()
iren.Start()

案例三：創(chuàng)建一個(gè)球形并打印出其三角面片的數(shù)量。

# 導(dǎo)入必要的庫
import vtk

# 生成球形
sphere = vtk.vtkSphereSource()
sphere.SetThetaResolution(20)
sphere.SetPhiResolution(20)
sphere.SetRadius(1.0)

# 打印球形的三角面片數(shù)量
triangles = sphere.GetOutput().GetNumberOfPolys()
print("Number of triangles: ", triangles)

# 創(chuàng)建渲染器和窗口
ren = vtk.vtkRenderer()
renWin = vtk.vtkRenderWindow()
renWin.AddRenderer(ren)

# 創(chuàng)建渲染窗口交互工具
iren = vtk.vtkRenderWindowInteractor()
iren.SetRenderWindow(renWin)

# 將球形加入渲染器中
sphereMapper = vtk.vtkPolyDataMapper()
sphereMapper.SetInputConnection(sphere.GetOutputPort())
sphereActor = vtk.vtkActor()
sphereActor.SetMapper(sphereMapper)
ren.AddActor(sphereActor)

# 設(shè)置渲染器背景顏色并顯示球形
ren.SetBackground(0.1, 0.2, 0.4)
renWin.SetSize(500, 500)
renWin.Render()
iren.Start()

案例四：加載一個(gè)3D模型文件。

# 導(dǎo)入必要的庫
import vtk

# 加載模型文件
reader = vtk.vtkSTLReader()
reader.SetFileName("model.stl")

# 創(chuàng)建渲染器和窗口
ren = vtk.vtkRenderer()
renWin = vtk.vtkRenderWindow()
renWin.AddRenderer(ren)

# 創(chuàng)建渲染窗口交互工具
iren = vtk.vtkRenderWindowInteractor()
iren.SetRenderWindow(renWin)

# 將模型加入渲染器中
mapper = vtk.vtkPolyDataMapper()
mapper.SetInputConnection(reader.GetOutputPort())
actor = vtk.vtkActor()
actor.SetMapper(mapper)
ren.AddActor(actor)

# 設(shè)置渲染器背景顏色并顯示模型
ren.SetBackground(0.1, 0.2, 0.4)
renWin.SetSize(500, 500)
renWin.Render()
iren.Start()

案例五：創(chuàng)建一個(gè)3D圖形，其中包含多個(gè)不同的幾何體。

# 導(dǎo)入必要的庫
import vtk

# 創(chuàng)建不同的幾何體
coneSource = vtk.vtkConeSource()
coneSource.SetResolution(20)

sphereSource = vtk.vtkSphereSource()
sphereSource.SetThetaResolution(20)
sphereSource.SetPhiResolution(20)
sphereSource.SetRadius(1.0)

cubeSource = vtk.vtkCubeSource()
cubeSource.SetXLength(1.0)
cubeSource.SetYLength(1.0)
cubeSource.SetZLength(1.0)

# 將多個(gè)幾何體組成一個(gè)polydata數(shù)據(jù)
appendFilter = vtk.vtkAppendPolyData()
appendFilter.AddInputConnection(coneSource.GetOutputPort())
appendFilter.AddInputConnection(sphereSource.GetOutputPort())
appendFilter.AddInputConnection(cubeSource.GetOutputPort())

# 創(chuàng)建渲染器和窗口
ren = vtk.vtkRenderer()
renWin = vtk.vtkRenderWindow()
renWin.AddRenderer(ren)

# 創(chuàng)建渲染窗口交互工具
iren = vtk.vtkRenderWindowInteractor()
iren.SetRenderWindow(renWin)

# 將可視化對(duì)象加入渲染器中
mapper = vtk.vtkPolyDataMapper()
mapper.SetInputConnection(appendFilter.GetOutputPort())

actor = vtk.vtkActor()
actor.SetMapper(mapper)

ren.AddActor(actor)

# 設(shè)置渲染器背景顏色并顯示所有幾何體
ren.SetBackground(0.1, 0.2, 0.4)
renWin.SetSize(500, 500)
renWin.Render()
iren.Start()

7、參考資料

官方網(wǎng)址：https://vtk.org/。

源碼庫：https://github.com/Kitware/VTK。

責(zé)任編輯：姜華 來源： 今日頭條
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