1、VTK库的介绍
VTK（Visualization Toolkit）是一个由美国国家癌症研究所制作的开源可视化库。该库主要用于可视化科学计算数据，包括医学、地球科学、数学等领域。它提供了一组可重用的算法和工具，支持2D和3D图形、动画和交互式虚拟现实应用程序的创建。VTK库是一个功能强大的可视化库，可以创建复杂的2D和3D可视化效果。它包含各种提供高级可视化的算法和工具，例如等值面、体数据渲染、光线追踪、流线等。此外，VTK还支持多种语言，包括C++、Python和Java。
2、VTK的使用场景
VTK主要应用于科学可视化领域，例如医学图像处理、工程可视化、数学计算和物理仿真等领域。在医学领域，VTK可用于可视化影像数据，支持对CT、MRI、PET等图像数据进行分析和处理，并能生成3D图像。在工程可视化领域，VTK可用于渲染CAD模型、地形数据、气象数据以及高性能计算领域的数值模拟结果等。同时，VTK还广泛应用于流体动力学、分子动力学、电磁场仿真等科学计算领域。
3、VTK库的组成模块
VTK库包含许多功能模块，每个模块都有其特定的功能，其中常用的模块包括：
- Common：提供了VTK库的基础结构和工具，例如数据类型、文件读写等。
- Filters：提供了大量可重用的数据处理算法，例如过滤器、截取器、变换器等。
- IO：提供了读写数据的功能，例如读写图像数据、网格数据等。
- Rendering：提供了渲染2D和3D图像的功能，例如光源、材质、纹理、阴影等。
- Graphics：提供了绘制和显示基本图形的功能，例如点、线、面等。
4、VTK库支持多种数据结构
VTK支持多种数据结构，常用的数据结构包括：
- 点数据（vtkPoints）：一组坐标点的集合，每个点可以使用一至三个浮点数来表示自身的坐标，例如三维坐标系中的(x,y,z)。
- 单元格数据（vtkCell）：一个或多个连接在一起的点数据，描述了一个封闭的几何体，例如直线、三角形、四面体等。
- 网格数据（vtkDataSet）：由点数据和单元格数据组成的复杂数据结构，例如多边形、曲面等。
5、VTK使用流程
使用Python语言进行VTK可视化的基本流程如下：
- 导入所需库：首先需要导入Python语言中的VTK库和相关扩展库，例如numpy、matplotlib等。
- 创建数据：根据实际需要创建数据，例如使用numpy创建随机数据集。
- 创建数据源：使用vtk库中提供的数据源，例如使用vtkSphereSource创建一个球体。
- 过滤器：对数据进行过滤，例如使用vtkContourFilter生成等值面。
- 渲染器：设置渲染的参数，例如设置光照、材质、颜色等。
- 渲染窗口：将渲染结果展示在窗口中，例如使用vtkRenderWindow将渲染结果显示出来。
6、Python使用VTK库代码案例
案例一：创建一个简单的3D立方体。
# 导入必要的库
import vtk
# 创建立方体，设置大小和位置
cube = vtk.vtkCubeSource()
cube.SetXLength(1.0)
cube.SetYLength(2.0)
cube.SetZLength(3.0)
cube.SetCenter(0.0, 0.0, 0.0)
# 创建渲染器和窗口
ren = vtk.vtkRenderer()
renWin = vtk.vtkRenderWindow()
renWin.AddRenderer(ren)
# 创建渲染窗口交互工具
iren = vtk.vtkRenderWindowInteractor()
iren.SetRenderWindow(renWin)
# 将立方体加入渲染器中
cubeMapper = vtk.vtkPolyDataMapper()
cubeMapper.SetInputConnection(cube.GetOutputPort())
cubeActor = vtk.vtkActor()
cubeActor.SetMapper(cubeMapper)
ren.AddActor(cubeActor)
# 设置渲染器背景颜色并显示立方体
ren.SetBackground(0.1, 0.2, 0.4)
renWin.SetSize(500, 500)
renWin.Render()
iren.Start()案例二：创建一个由多个点组成的二维图形。
# 导入必要的库
import vtk
# 创建点数据并设置坐标
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)
# 创建线数据，两点之间连线
lines = vtk.vtkCellArray()
lines.InsertNextCell(4)
lines.InsertCellPoint(0)
lines.InsertCellPoint(1)
lines.InsertCellPoint(2)
lines.InsertCellPoint(3)
# 创建polydata数据
polydata = vtk.vtkPolyData()
polydata.SetPoints(points)
polydata.SetLines(lines)
# 显示数据
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：创建一个球形并打印出其三角面片的数量。
# 导入必要的库
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数量
triangles = sphere.GetOutput().GetNumberOfPolys()
print("Number of triangles: ", triangles)
# 创建渲染器和窗口
ren = vtk.vtkRenderer()
renWin = vtk.vtkRenderWindow()
renWin.AddRenderer(ren)
# 创建渲染窗口交互工具
iren = vtk.vtkRenderWindowInteractor()
iren.SetRenderWindow(renWin)
# 将球形加入渲染器中
sphereMapper = vtk.vtkPolyDataMapper()
sphereMapper.SetInputConnection(sphere.GetOutputPort())
sphereActor = vtk.vtkActor()
sphereActor.SetMapper(sphereMapper)
ren.AddActor(sphereActor)
# 设置渲染器背景颜色并显示球形
ren.SetBackground(0.1, 0.2, 0.4)
renWin.SetSize(500, 500)
renWin.Render()
iren.Start()案例四：加载一个3D模型文件。
# 导入必要的库
import vtk
# 加载模型文件
reader = vtk.vtkSTLReader()
reader.SetFileName("model.stl")
# 创建渲染器和窗口
ren = vtk.vtkRenderer()
renWin = vtk.vtkRenderWindow()
renWin.AddRenderer(ren)
# 创建渲染窗口交互工具
iren = vtk.vtkRenderWindowInteractor()
iren.SetRenderWindow(renWin)
# 将模型加入渲染器中
mapper = vtk.vtkPolyDataMapper()
mapper.SetInputConnection(reader.GetOutputPort())
actor = vtk.vtkActor()
actor.SetMapper(mapper)
ren.AddActor(actor)
# 设置渲染器背景颜色并显示模型
ren.SetBackground(0.1, 0.2, 0.4)
renWin.SetSize(500, 500)
renWin.Render()
iren.Start()案例五：创建一个3D图形，其中包含多个不同的几何体。
# 导入必要的库
import vtk
# 创建不同的几何体
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)
# 将多个几何体组成一个polydata数据
appendFilter = vtk.vtkAppendPolyData()
appendFilter.AddInputConnection(coneSource.GetOutputPort())
appendFilter.AddInputConnection(sphereSource.GetOutputPort())
appendFilter.AddInputConnection(cubeSource.GetOutputPort())
# 创建渲染器和窗口
ren = vtk.vtkRenderer()
renWin = vtk.vtkRenderWindow()
renWin.AddRenderer(ren)
# 创建渲染窗口交互工具
iren = vtk.vtkRenderWindowInteractor()
iren.SetRenderWindow(renWin)
# 将可视化对象加入渲染器中
mapper = vtk.vtkPolyDataMapper()
mapper.SetInputConnection(appendFilter.GetOutputPort())
actor = vtk.vtkActor()
actor.SetMapper(mapper)
ren.AddActor(actor)
# 设置渲染器背景颜色并显示所有几何体
ren.SetBackground(0.1, 0.2, 0.4)
renWin.SetSize(500, 500)
renWin.Render()
iren.Start()7、参考资料
官方网址：https://vtk.org/。
源码库：https://github.com/Kitware/VTK。
