王家林　王松

摘要：由于vtk在可視化軟件開發(fā)中，其提供的交互器不能滿足開發(fā)者的要求?；趘tk的各種交互類，提出自定義交互器的開發(fā)方法。利用vc++和MFC開發(fā)了基于vtk的可視化軟件，并進(jìn)行可視化操作。通過開發(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，提高了對數(shù)據(jù)可視化的效率。

關(guān)鍵詞：可視化；vtk；軟件開發(fā)；MFC；交互器

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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簡介

開源免費可視化工具包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]圖形庫為基礎(chǔ)開發(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]，也有國內(nèi)學(xué)者[5]應(yīng)用于橋梁建模。為了直接對數(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發(fā)與應(yīng)用。

圖形（Graphic）模型指通過轉(zhuǎn)換幾何體而形成圖像，達(dá)到顯示對象的目的。圖形模型包括了可視化渲染窗口類（vtkRenderWindow）、渲染器類（vtkRender）和交互器類（vtkRenderWindowInteractor）。它們可以在屏幕上顯示可視化對象或角色并且進(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，經(jīng)過過濾器（vtkFilter），最終到達(dá)可視化管道機(jī)制的終點—映射器（vtkMapper）。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1。

2 vtk軟件中交互式類的簡介

vtkObject[7]在vtk軟件中幾乎是所有類的基類，擁有自動更新，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，并且擁有一些最簡單的交互功能。由于操作需求的不同，在此類的基礎(chǔ)上衍生了一部分交互類。部分交互類如下：

2.1 vtkInteractorStyle

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

1）按下鍵盤w鍵以線框方式顯示物體

2）按下鍵盤p鍵拾取單個物體

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

2.2 vtkInteractorStyleJoystickActor

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

2.3 vtkInteractorStyleJoystickCamera

vtkInteractorStyleJoystickCamera類對相機(jī)進(jìn)行操作，其并不能對單個對象操作，而是改變相機(jī)的位置，從不同角度來觀察整個空間。同樣，此類也可以實現(xiàn)基于相機(jī)變換的縮放，平移和旋轉(zhuǎn)。通過所有顯示對象的幾何中心來確定平移和旋轉(zhuǎn)中心。

2.4 vtkInteractorStyleSwitch

vtkInteractorStyleSwitch 類合并了四個交互類，通過按鍵j，t，c，a來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)用開發(fā)中，對于圖形交互有如下需求：

1） 平移：按下鼠標(biāo)左鍵，通過移動鼠標(biāo)實現(xiàn)顯示對象跟隨鼠標(biāo)進(jìn)行平行移動；

2） 縮放，通過鼠標(biāo)滾輪的前后滾動實現(xiàn)顯示對象的放大、縮小顯示，或者通過彈出菜單切換到縮放模式后，通過鼠標(biāo)的豎向坐標(biāo)實現(xiàn)顯示對象的縮放；

3）旋轉(zhuǎn)，按下鼠標(biāo)左鍵，通過移動鼠標(biāo)實現(xiàn)顯示對象繞窗口中心的旋轉(zhuǎn)。

4） 矩形框，按下鼠標(biāo)左鍵，同時移動鼠標(biāo)，以鼠標(biāo)按下左鍵的位置和當(dāng)前位置的連線為對角線畫一矩形框。

5） 窗選放大，按下鼠標(biāo)左鍵并移動鼠標(biāo)畫一矩形框，根據(jù)矩形框與窗口的比例放大顯示對象。

6） 點選對象，通過單擊鼠標(biāo)左鍵實現(xiàn)對顯示對象的拾取。

7） 窗選對象，通過按下鼠標(biāo)左鍵并移動鼠標(biāo)畫一矩形框，實現(xiàn)對矩形框內(nèi)所有顯示對象的拾取。

由于上述各項交互中，根據(jù)鼠標(biāo)運動實現(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，見圖2。

通過對VTK交互類的功能分析發(fā)現(xiàn)，沒有一個類能夠完全實現(xiàn)了所有的功能。因此，作者通過分析研究現(xiàn)有VTK交互類的實現(xiàn)方法，開發(fā)了一個具有前述各項功能的交互類。

3 軟件的實現(xiàn)方法

MFC[9]是微軟開發(fā)的一個基礎(chǔ)的框架類，能夠響應(yīng)消息，創(chuàng)建控件來開發(fā)一些簡單而實用的軟件。以c++為基礎(chǔ)，結(jié)合MFC與VTK共同開發(fā)一個可視化軟件（VTKMFC），以此來現(xiàn)實本文開發(fā)的交互類。

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

3.1 功能函數(shù)的定義

作者設(shè)計的交互類vtkWInteractor中的功能函數(shù)取自其他交互類并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)。各功能函數(shù)實現(xiàn)如下：

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

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

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

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

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

6）點選對象，取自vtkInteractorStyle交互類的OnCha-r（）函數(shù)的一部分，vtkInteractorStyle以P鍵來拾取顯示對象，而本文設(shè)計的vtkWInteractor根據(jù)鼠標(biāo)左鍵單擊時的位置來拾取對象。

7）窗選對象，根據(jù)vtkInteractorStyleRubberBand2D交互類的RedrawRubberBand（）函數(shù)繪制矩形框，再用vtkAreaPicker類中的AreaPick函數(shù)對框內(nèi)的顯示對象進(jìn)行拾取。

3.2 實例應(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。

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

4 結(jié)束語

基于VTK自帶交互類的缺點，開發(fā)更為通用且高效的交互類是很有必要的。本文對VTK自帶交互類進(jìn)行研究并 開發(fā)了新的交互類vtkWInteractor。從方法上給VTK進(jìn)一步的研究帶來啟示，研究了如何快捷的繼承VTK自帶交互類的特點。并且基于VTK開發(fā)的vtkWInteractor類可以運用于今后的軟件開發(fā)，通過加入新設(shè)計的交互類實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化交互。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周振環(huán)， 肖汝. ITK和VTK及其應(yīng)用新進(jìn)展[J]. 計算機(jī)應(yīng)用究， 2009， 26（6）： 2027-2031.

[2] 王蘭美， 趙繼成， 秦華東. OpenGL及其在VC++下的開發(fā)應(yīng)用[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報： 工學(xué)版， 2006， 39（4）： 62-65.

[3] 陳潔敏. 基于VTK的醫(yī)學(xué)圖像體繪制及交互實現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代計算機(jī)： 專業(yè)版， 2009（8）： 176-178.

[4] 王利， 姜紅， 張兆臣， 等. 基于VTK的虛擬手術(shù)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中國醫(yī)療設(shè)備， 2009， 24（5）： 58-59.

[5] 馬林， 李興田. 三維可視化方法研究與應(yīng)用[J]. 蘭州交通大學(xué)報， 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] 謝裕敏， 舒輝， 陳建敏， 等. MFC消息響應(yīng)函數(shù)的逆向定位[J]. 計算機(jī)應(yīng)用， 2009（5）： 1393-1396.