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VTK User’s Guide -11th edition 第03章-VTK系统概述（3）

2023-05-16


【本节对应原书中的第29页至第39页】

3.2创建VTK应用程序

本章内容包括利用Tcl，C++，Java和Python四种语言开发VTK应用程序的基本知识。阅读完引言后，你应该了解用你擅长的语言进行VTK开发的相关内容。为了指导你怎么去创建和运行一个简单的VTK程序，接下来内容都会针对不同的编程语言演示怎样使用Callback。

用户事件、观察者以及命令模式

Callback（又称用户方法UserMethod）采用Subject/Observer和Command设计模式进行设计。VTK中几乎所有的类都可以通过SetObserver()方法建立Callback。Observer观察者监听对象中的所有激活事件，一旦其中一个事件与其监听事件类型一致的话，则其相应的Command就会执行（如Callback）。例如，所有Filter在执行前都会激活StartEvent事件。如果为Filter添加一个Observer来监听StartEvent事件，那么每次Filter执行前，该Observer都会被调用响应Callback。下面的Tcl脚本中创建了一个vtkElevation的实例，并为添加一个Observer来监听StartEvent事件。当Observer监听到该事件时，则自动响应函数PrintStatus()。

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  1. proc PrintStatus {} {  
  2. puts “Starting to execute the elevation filter”  
  3. }  
  4. vtkElevationFilter foo  
  5. foo AddObserver StartEvent PrintStatus  

VTK支持的所有语言都可使用这种类型的函数（Callback）。接下来每个小节中都会给出一个简单的例子来说明如何使用它。关于用户方法的深入探讨请参考421页“Integratingwith The Windowing System”（与窗口系统的整合）（该章中还涉及了用户接口整合问题）。

我们建议从VTK自带的例子开始学习如何创建应用程序。这些例子在VTK源文件VTK\Examples目录下。目录中根据不同的主题进行细分，在每个主题目录中会根据不同的语言再分为不同的子目录。

 

Tcl

学习使用VTK创建应用程序时，Tcl脚本语言是最简单的语言之一。VTK安装完毕后，即可执行VTK自带的Tcl例子。Unix系统下，根据“Unix平台下安装VTK”一节介绍，编译VTK时需要选择支持Tcl。而Windows系统下只需要编译安装自解压目录即可，参考第10页“WindowsXP, Vista及以上版本平台下安装VTK”。

 

Windows：Windows系统下只需双击Tcl脚本文件即可执行（如本例中Cone.tcl）。如果双击没有反应的话，脚本中可能存在错误，或者是相应的Tcl文件与vtk.exe有错误。如果要进一步检测具体问题，首先需要运行vtk.exe程序，该程序在vtk启动菜单中可以找到。执行后，会弹出一个命令提示行的控制台窗口，在提示行中，键入“cd”命令定位到Tcl文件目录，如下：

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  1. % cd“ c:/VTK/Examples/Tutorial/Step1/Tcl”  

然后键入如下命令定位示例脚本：

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  1. %source Cone.tcl  

Tcl会执行该脚本，这时所有的错误或者警告信息会输出来。

 

Unix：Unix下Tcl开发可以通过运行Binary编译目录下（如VTK-bin/bin/VTK，VTK-Solaris/bin/VTK）的可执行文件（编译完成后），然后将脚本文件作为第一个参数输入，如下所示。

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  1. unixmachine> cd VTK/Examples/Tutorial/Step1/Tcl  
  2.   
  3. unixmachine> /home/ VTK-Solaris/bin/VTK Cone.tcl  

用户方法使用如前所述。Examples/Tutorial/Step2/Tcl/Cone2.tcl中有相关的使用示例。下面仅列出了其中的关键部分。

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  1. Proc mycallback {} {  
  2.   
  3.     Puts “Starting to render”  
  4.   
  5. }  
  6.   
  7.    
  8.   
  9. vtkRendererren1  
  10.   
  11. ren1AddObserver StartEvent mycallback  

你也可以直接给AddObserver()提供函数体。

[plain] view plain copy 在CODE上查看代码片 派生到我的代码片
  1. vtkRenderer ren1  
  2.   
  3. ren1 AddObserver StartEvent {puts “Starting to render”}  

C++

相对于其他语言，C++应用程序体积更小，运行更快，而且容易部署安装。此外，采用C++语言开发VTK应用程序，你不需要编译额外的Tcl、Java和Python支持。本节中主要说明怎么在PC机上用MicrosoftVisual C++或者Unix下的编译器来用C++开发简单的VTK应用程序。

我们以Examples/Tutorial/Step1/Cxx下的Cone.cxx为例进行讲解。无论Windows平台还是Unix，都可以使用源代码编译版本或者是发布的可执行版本，两个版本都支持这些例子。

编译C++程序的第一步是利用CMake生成依赖于编译器的makefile或者是项目工程文件。Cone.txx目录下的CMakeLists.txt利用CMake的FindVTK和UseVTK模块来定位VTK目录并设置包含路径和链接库等。如果没有成功找到VTK的话，你需要手动设置CMake相关的参数并重新运行CMake。

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  1. PROJECT(Step1)  
  2.   
  3. FIND_PACKAGE(VTKREQUIRED)  
  4.   
  5. IF(NOTVTK_USE_RENDERING)  
  6.   
  7.   MESSAGE(FATAL_ERROR "Example${PROJECT_NAME} requires VTK_USE_RENDERING.")  
  8.   
  9. ENDIF(NOTVTK_USE_RENDERING)  
  10.   
  11. INCLUDE(${VTK_USE_FILE})  
  12.   
  13.   
  14. ADD_EXECUTABLE(ConeCone.cxx)  
  15.   
  16. TARGET_LINK_LIBRARIES(ConevtkRendering)  

MicrosoftVisual C++：用CMake对Cone.cxx配置完成后，启动MicrosoftVisual C++并载入生成的解决方案。当前.net版本下的解决方案名字是Cone.sln。根据需要选择Release或者Debug版本编译程序。如果想把将VTK整合到其他不采用CMake的工程中，可以直接拷贝该工程的设置到相应的工程中。

下面看一个Windows应用程序示例。其创建过程与上述例子基本相同，除了我们建立的是一个Windows窗口程序而不是控制台程序。大部分代码都是Windows开发者熟悉的标准Windows窗口语言。该例子在VTK/Examples/GUI/Win32/SimpleCxx/Win32Cone.cxx目录下。注意CMakeLists.txt文件中的一个重要变化是ADD_EXECUTABLE命令的WIN32参数。

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  1. #include "windows.h"  
  2.   
  3. #include "vtkConeSource.h"  
  4.   
  5. #include "vtkPolyDataMapper.h"  
  6.   
  7. #include "vtkRenderWindow.h"  
  8.   
  9. #include "vtkRenderWindowInteractor.h"  
  10.   
  11. #include "vtkRenderer.h"  
  12.   
  13.    
  14.   
  15. static HANDLE hinst;  
  16.   
  17. LRESULTCALLBACK WndProc(HWND, UINT, WPARAM, LPARAM);  
  18.   
  19.    
  20.   
  21. //define the vtk part as a simple c++ class  
  22.   
  23. class myVTKApp    
  24.   
  25. {  
  26.   
  27. public:  
  28.   
  29.   myVTKApp(HWND parent);      
  30.   
  31.   ~myVTKApp();  
  32.   
  33. private:  
  34.   
  35.   vtkRenderWindow *renWin;  
  36.   
  37.   vtkRenderer *renderer;  
  38.   
  39.   vtkRenderWindowInteractor *iren;  
  40.   
  41.   vtkConeSource *cone;  
  42.   
  43.   vtkPolyDataMapper *coneMapper;  
  44.   
  45.   vtkActor *coneActor;  
  46.   
  47. };  

程序开始包含进必须的VTK头文件。然后是两个原型声明，接下来定义了一个myVTKApp类。使用C++开发时，要尽量采用面向对象的编程方法，而不是像Tcl例子中的脚本语言样式。这里我们将VTK应用程序的组件封装到一个简单类中。

下面是myVTKApp类的构造函数。首先创建每个VTK对象并进行相应的设置，然后将各个组件对象连接形成可视化管线。除了vtkRenderWindow的代码外，其他都是很简洁的VTK代码。构造函数接收一个父窗口的HWND的句柄以便使父窗口包含VTK渲染窗口。然后利用vtkRenderWindow的SetParentId()函数设置父窗口，并创建自己的窗口作为父窗口的子窗口。

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  1. myVTKApp::myVTKApp(HWNDhwnd)  
  2.   
  3. {  
  4.   
  5.   // Similar toExamples/Tutorial/Step1/Cxx/Cone.cxx  
  6.   
  7.   // We create the basic parts of a pipelineand connect them  
  8.   
  9.   this->renderer = vtkRenderer::New();  
  10.   
  11.   this->renWin = vtkRenderWindow::New();  
  12.   
  13.  this->renWin->AddRenderer(this->renderer);  
  14.   
  15.    
  16.   
  17.   // setup the parent window  
  18.   
  19.   this->renWin->SetParentId(hwnd);  
  20.   
  21.   this->iren =vtkRenderWindowInteractor::New();  
  22.   
  23.  this->iren->SetRenderWindow(this->renWin);  
  24.   
  25.    
  26.   
  27.   this->cone = vtkConeSource::New();  
  28.   
  29.   this->cone->SetHeight( 3.0 );  
  30.   
  31.   this->cone->SetRadius( 1.0 );  
  32.   
  33.   this->cone->SetResolution( 10 );  
  34.   
  35.   this->coneMapper =vtkPolyDataMapper::New();  
  36.   
  37.  this->coneMapper->SetInputConnection(this->cone->GetOutputPort());  
  38.   
  39.   this->coneActor = vtkActor::New();  
  40.   
  41.   this->coneActor->SetMapper(this->coneMapper);  
  42.   
  43.    
  44.   
  45.  this->renderer->AddActor(this->coneActor);  
  46.   
  47.  this->renderer->SetBackground(0.2,0.4,0.3);  
  48.   
  49.   this->renWin->SetSize(400,400);  
  50.   
  51.    
  52.   
  53.   // Finally we start the interactor so thatevent will be handled  
  54.   
  55.   this->renWin->Render();  
  56.   
  57. }  

析构函数中释放所有构造函数中创建的所有VTK对象。

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  1. myVTKApp::~myVTKApp()  
  2.   
  3. {  
  4.   
  5.     renWin->Delete();  
  6.   
  7.     renderer->Delete();  
  8.   
  9.     iren->Delete();  
  10.   
  11.     cone->Delete();  
  12.   
  13.     coneMapper->Delete();  
  14.   
  15.     coneActor->Delete();  
  16.   
  17. }  

WinMain函数中都是标准的Windows编程语言，没有用到VTK引用。该应用程序中具有消息循环控制功能，消息处理由下面介绍的WinProc函数实现。

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  1. int PASCAL WinMain (HINSTANCE hInstance, HINSTANCE hPrevInstance,  
  2.   
  3.                     LPSTR /* lpszCmdParam */,int nCmdShow)  
  4.   
  5. {  
  6.   
  7.   static char szAppName[] ="Win32Cone";  
  8.   
  9.   HWND       hwnd ;  
  10.   
  11.   MSG        msg ;  
  12.   
  13.   WNDCLASS   wndclass ;  
  14.   
  15.    
  16.   
  17.   if (!hPrevInstance)  
  18.   
  19.     {  
  20.   
  21.     wndclass.style         = CS_HREDRAW | CS_VREDRAW | CS_OWNDC;  
  22.   
  23.     wndclass.lpfnWndProc   = WndProc ;  
  24.   
  25.     wndclass.cbClsExtra     = 0 ;  
  26.   
  27.     wndclass.cbWndExtra    = 0 ;  
  28.   
  29.     wndclass.hInstance     = hInstance;  
  30.   
  31.     wndclass.hIcon         = LoadIcon(NULL,IDI_APPLICATION);  
  32.   
  33.     wndclass.hCursor       = LoadCursor (NULL, IDC_ARROW);          
  34.   
  35.     wndclass.lpszMenuName  = NULL;  
  36.   
  37.     wndclass.hbrBackground =(HBRUSH)GetStockObject(BLACK_BRUSH);  
  38.   
  39.     wndclass.lpszClassName = szAppName;  
  40.   
  41.     RegisterClass (&wndclass);  
  42.   
  43.     }  
  44.   
  45.    
  46.   
  47.   hinst = hInstance;  
  48.   
  49.   hwnd = CreateWindow ( szAppName,  
  50.   
  51.                         "DrawWindow",  
  52.   
  53.                         WS_OVERLAPPEDWINDOW,  
  54.   
  55.                         CW_USEDEFAULT,  
  56.   
  57.                         CW_USEDEFAULT,  
  58.   
  59.                         400,  
  60.   
  61.                         480,  
  62.   
  63.                         NULL,  
  64.   
  65.                         NULL,  
  66.   
  67.                         hInstance,  
  68.   
  69.                         NULL);  
  70.   
  71.   ShowWindow (hwnd, nCmdShow);  
  72.   
  73.   UpdateWindow (hwnd);  
  74.   
  75.   while (GetMessage (&msg, NULL, 0, 0))  
  76.   
  77.     {      
  78.   
  79.     TranslateMessage (&msg);  
  80.   
  81.     DispatchMessage (&msg);  
  82.   
  83.     }  
  84.   
  85.   return msg.wParam;  
  86.   
  87. }  


WinProc是一个简单的消息处理函数。对于一个完整的应用程序来说，它可能要比这个复杂的多，但是关键部分都是相同的。函数开始定义了一个myVTKApp实例的静态引用变量。当处理WM_CREATE消息时，我们创建了一个Exit按钮，然后创建myVTKApp实例并传入当前窗口的句柄。vtkRendererWindowInteractor会为vtkRendererWindow处理所有的消息，因此这里不需要处理消息。你很可能想添加代码来处理resizing消息，这样窗口的大小就可以随着用户界面的改变而自动调整。如果没有设置vtkRendererWindow的ParentId的话，vtkRendererWindow就作为一个顶层的独立窗口显示。其他的部分则没有变化。

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  1. LRESULTCALLBACK WndProc(HWND hwnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)  
  2.   
  3. {  
  4.   
  5.   static HWND ewin;  
  6.   
  7.   static myVTKApp *theVTKApp;  
  8.   
  9.    
  10.   
  11.   switch (message)  
  12.   
  13.     {  
  14.   
  15.     case WM_CREATE:  
  16.   
  17.       {  
  18.   
  19.       ewin =CreateWindow("button","Exit",  
  20.   
  21.                           WS_CHILD | WS_VISIBLE| SS_CENTER,                     
  22.   
  23.                           0,400,400,60,  
  24.   
  25.                           hwnd,(HMENU)2,  
  26.   
  27.                          (HINSTANCE)vtkGetWindowLong(hwnd,vtkGWL_HINSTANCE),  
  28.   
  29.                           NULL);  
  30.   
  31.       theVTKApp = new myVTKApp(hwnd);  
  32.   
  33.       return 0;  
  34.   
  35.       }  
  36.   
  37.        
  38.   
  39.     case WM_COMMAND:  
  40.   
  41.       switch (wParam)  
  42.   
  43.         {  
  44.   
  45.         case 2:  
  46.   
  47.           PostQuitMessage (0);  
  48.   
  49.           if (theVTKApp)  
  50.   
  51.             {  
  52.   
  53.             delete theVTKApp;  
  54.   
  55.             theVTKApp = NULL;  
  56.   
  57.             }  
  58.   
  59.           break;  
  60.   
  61.         }  
  62.   
  63.       return 0;  
  64.   
  65.        
  66.   
  67.     case WM_DESTROY:  
  68.   
  69.       PostQuitMessage (0);  
  70.   
  71.       if (theVTKApp)  
  72.   
  73.         {  
  74.   
  75.         delete theVTKApp;  
  76.   
  77.         theVTKApp = NULL;  
  78.   
  79.         }  
  80.   
  81.       return 0;  
  82.   
  83.     }  
  84.   
  85.   return DefWindowProc (hwnd, message, wParam,lParam);  
  86.   
  87. }  

Unix： Unix下主要通过运行CMake和make来创建应用程序。CMake生成一个makefile文件，该文件中设置了包含路径、链接路径（link lines）和依赖库等。然后make程序利用makefile文件编译应用程序，生成一个可执行文件。如果Cone.txx编译失败，则需要检查和改正代码中的错误。确保CMakeCache.txt文件中开始的变量值是有效的。如果可以编译，但是运行出错的话，则需要参考第二章中设置LD_LIBRARY_PATH变量。

C++中的用户方法：通过实例化vtkCommand的派生类，并重载Execute()函数，你可以添加自己的用户方法（利用Observer/Command设计模式）。下面例子截取自VTK/Examples/Tutorial/Step2/Cxx/Cone2.cxx。

[cpp] view plain copy 在CODE上查看代码片 派生到我的代码片
  1. class vtkMyCallback : public vtkCommand  
  2.   
  3. {  
  4.   
  5. public:  
  6.   
  7.   static vtkMyCallback *New()  { return new vtkMyCallback; }  
  8.   
  9.   virtual void Execute(vtkObject *caller,unsigned long, void*)  
  10.   
  11.     {  
  12.   
  13.       vtkRenderer *renderer =reinterpret_cast<vtkRenderer*>(caller);  
  14.   
  15.       cout <<renderer->GetActiveCamera()->GetPosition()[0] << " "  
  16.   
  17.            <<renderer->GetActiveCamera()->GetPosition()[1] << " "  
  18.   
  19.            <<renderer->GetActiveCamera()->GetPosition()[2] << "\n";  
  20.   
  21.     }  
  22.   
  23. };  

Execute()函数会传递一个不常使用的caller对象。当你的确需要调用caller时，你需要使用SafeDownCast函数将其转换为其实际的类型。例如：

[cpp] view plain copy 在CODE上查看代码片 派生到我的代码片
  1. virtual void Execute (vtkObject *caller, unsigned long, void *callData)  
  2.   
  3. {  
  4.   
  5.   vtkRenderer *ren = vtkRenderer::SafeDownCast(caller);  
  6.   
  7.   if (ren) { ren->SetBackground(0.2, 0.3,0.4); }  
  8.   
  9. }  

当创建了你的vtkCommand派生类对象时，你就可以添加一个Observer来监听某个事件。当事件发生时，就会通过Observer执行你的Command命令。如下所示。

[cpp] view plain copy 在CODE上查看代码片 派生到我的代码片
  1. //Hereis where we setup the observer  
  2.   
  3. //wedo a new and ren1 will eventually free the observer  
  4.   
  5. vtkMyCallback*mol = vtkMyCallback::New();  
  6.   
  7. ren1->AddObserver(vtkCommand::StartEvent,mol);  

上面代码创建了一个myCallback实例，然后为ren1添加了一个Observer来监听StartEvent事件。当ren1开始渲染时，vtkMyCallback的Execute方法就会被调用。ren1被删除后，Callback对象也会相应的删除。

Java

创建Java应用程序，首先需要一个Java开发环境。本小节主要为Windows或者Unix下利用sun公司JDK1.3或者后续版本开发VTK应用程序提供指导。当JDK和VTK都成功安装后，你需要设置CLASSPATH环境变量来包含VTK类库。微软Windows系统下右击“我的电脑”图标，选择“属性”选项卡，然后选择“高级”tab页，点击“环境变量”按钮。然后添加一个CLASSPATH环境变量，设置值vtk.jar文件路径、Wrapping/java路径及当前路径。Windows下其值如“C:\vtk-bin\bin\vtk.jar;C:\vtk-bin\Wrapping/java;.”。Unix系统下CLASSPATH应设置如“/yourdisk/vtk-bin/bin/vtk.jar;/yourdisk/vtk-bin/Wrapping/java;.”。

接着是字节编译（ByteCompile）Java应用程序。对于新手可以尝试编译（用javac命令）VTK自带例子VTK/Examples/Tutorial/Step1/Java/Cone.java。编译完成后，通过java命令即可运行生成的应用程序。该程序绘制了一个旋转360度的圆锥，然后退出。以该例子作为起点，可以开始创建自己的应用程序了。

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  1. public void myCallback()  
  2.   
  3. {  
  4.   
  5.   System.out.println("Starting torender");  
  6.   
  7. }  

设置Callback需要三个参数。首先是你关心的事件，第二是类的实例，第三是调用的函数名。在本例中我们设置监听StartEvent事件以调用me（Cone2的实例）的方法myCallback。为了避免错误，确保myCallback函数是Cone2的成员函数（该例子源码见VTK/Examples/Tutorial/Step2/Java/cone2.java）。

[java] view plain copy 在CODE上查看代码片 派生到我的代码片
  1. Cone2 me = new Cone2();  
  2.   
  3. ren1.AddObserver("StartEvent",me, "myCallback");  

Python

如果编译VTK时设置支持Python，那么编译后会生成一个vtkpython可执行文件。利用这个可执行文件，可以如下运行“Examples/Tutorial/Step1/Python/Cone.py”。

[python] view plain copy 在CODE上查看代码片 派生到我的代码片
  1. vtkpython Cone.py  

以VTK自带的示例脚本作为参照来创建Python脚本会比较简单。用户方法通过定义一个函数并将其作为参数传入AddObserver来定义，如下：

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  1. def myCallback(obj, event)  
  2.   
  3.    print "Starting to render"  
  4.   
  5. ren1.AddObserver("StartEvent",myCallback)  

完整的源代码见VTK/Examples/Tutorial/Step2/Python/Cone2.py。

3.3语言间的转换

VTK核心代码采用C++语言实现，然后用Tcl，Java和Python编程语言包装。这样在应用程序开发时，你可以有多种语言选择。语言选择主要依赖于个人的语言习惯，应用程序的特点，是否需要访问内部数据以及是否对性能有特殊要求。与其他语言相比，C++在访问内部数据结构、应用程序执行效率方面具有更多的优势。但是，采用C++语言也带来了编译/链接循环的负担，从而降低了软件开发效率。

你可以使用解释性语言如Tcl来开发应用程序原型，然后再转换为C++程序。或者搜索示例代码（VTK目录或者其他用户）然后将其转换为最终的实现语言。

VTK代码的语言转换比较直接。各个语言中都采用相同的类名和方法名；不同的只是实现细节和GUI接口。例如：

C++语言：

[cpp] view plain copy 在CODE上查看代码片 派生到我的代码片
  1. anActor->GetProperty()->SetColor(red,green, blue)  

Tcl语言则为：

[plain] view plain copy 在CODE上查看代码片 派生到我的代码片
  1. [anActorGetProperty] Set Color $red $green $blue  

Java语言为：

[java] view plain copy 在CODE上查看代码片 派生到我的代码片
  1. anActor.GetProperty().SetColor(red,green, blue);  

Python为：

[python] view plain copy 在CODE上查看代码片 派生到我的代码片
  1. anActor->GetProperty().SetColor(red,green, blue);  

由于指针操作问题，一些C++应用程序不能转换为其他三种语言，这也是语言转换时的一个主要限制。包装语言可以方便的获取或者设置对象的值，但是不能直接获取一个指针来快速遍历、检查或者修改大的数据结构。如果你的应用程序需要类似的操作，那你可以直接采用C++语言实现，或者利用C++扩展VTK生成你需要的类，然后使用你喜欢的解释性语言来使用新的类。


【第3章 翻译完毕】
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