Python編程之VTK庫入門指南：學會使用Python編寫3D可視化程序
作者：小乖獸技術
VTK主要應用于科學可視化領域，例如醫學圖像處理、工程可視化、數學計算和物理仿真等領域。在醫學領域，VTK可用于可視化影像數據，支持對CT、MRI、PET等圖像數據進行分析和處理，并能生成3D圖像。在工程可視化領域，VTK可用于渲染CAD模型、地形數據、氣象數據以及高性能計算領域的數值模擬結果等。同時，VTK還廣泛應用于流體動力學、分子動力學、電磁場仿真等科學計算領域。
1、VTK庫的介紹
VTK（Visualization Toolkit）是一個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計算數據，包括醫學、地球科學、數學等領域。它提供了一組可重用的算法和工具，支持2D和3D圖形、動畫和交互式虛擬現實應用程序的創建。VTK庫是一個功能強大的可視化庫，可以創建復雜的2D和3D可視化效果。它包含各種提供高級可視化的算法和工具，例如等值面、體數據渲染、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的使用場景
VTK主要應用于科學可視化領域，例如醫學圖像處理、工程可視化、數學計算和物理仿真等領域。在醫學領域，VTK可用于可視化影像數據，支持對CT、MRI、PET等圖像數據進行分析和處理，并能生成3D圖像。在工程可視化領域，VTK可用于渲染CAD模型、地形數據、氣象數據以及高性能計算領域的數值模擬結果等。同時，VTK還廣泛應用于流體動力學、分子動力學、電磁場仿真等科學計算領域。
3、VTK庫的組成模塊
VTK庫包含許多功能模塊，每個模塊都有其特定的功能，其中常用的模塊包括：
- Common：提供了VTK庫的基礎結構和工具，例如數據類型、文件讀寫等。
- Filters：提供了大量可重用的數據處理算法，例如過濾器、截取器、變換器等。
- IO：提供了讀寫數據的功能，例如讀寫圖像數據、網格數據等。
- Rendering：提供了渲染2D和3D圖像的功能，例如光源、材質、紋理、陰影等。
- Graphics：提供了繪制和顯示基本圖形的功能，例如點、線、面等。
4、VTK庫支持多種數據結構
VTK支持多種數據結構，常用的數據結構包括：
- 點數據（vtkPoints）：一組坐標點的集合，每個點可以使用一至三個浮點數來表示自身的坐標，例如三維坐標系中的(x,y,z)。
- 單元格數據（vtkCell）：一個或多個連接在一起的點數據，描述了一個封閉的幾何體，例如直線、三角形、四面體等。
- 網格數據（vtkDataSet）：由點數據和單元格數據組成的復雜數據結構，例如多邊形、曲面等。
5、VTK使用流程
使用Python語言進行VTK可視化的基本流程如下：
- 導入所需庫：首先需要導入Python語言中的VTK庫和相關擴展庫，例如numpy、matplotlib等。
- 創建數據：根據實際需要創建數據，例如使用numpy創建隨機數據集。
- 創建數據源：使用vtk庫中提供的數據源，例如使用vtkSphereSource創建一個球體。
- 過濾器：對數據進行過濾，例如使用vtkContourFilter生成等值面。
- 渲染器：設置渲染的參數，例如設置光照、材質、顏色等。
- 渲染窗口：將渲染結果展示在窗口中，例如使用vtkRenderWindow將渲染結果顯示出來。
6、Python使用VTK庫代碼案例
案例一：創建一個簡單的3D立方體。
# 導入必要的庫
import vtk
# 創建立方體，設置大小和位置
cube = vtk.vtkCubeSource()
cube.SetXLength(1.0)
cube.SetYLength(2.0)
cube.SetZLength(3.0)
cube.SetCenter(0.0, 0.0, 0.0)
# 創建渲染器和窗口
ren = vtk.vtkRenderer()
renWin = vtk.vtkRenderWindow()
renWin.AddRenderer(ren)
# 創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：創建一個由多個點組成的二維圖形。
# 導入必要的庫
import vtk
# 創建點數據并設置坐標
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)
# 創建線數據，兩點之間連線
lines = vtk.vtkCellArray()
lines.InsertNextCell(4)
lines.InsertCellPoint(0)
lines.InsertCellPoint(1)
lines.InsertCellPoint(2)
lines.InsertCellPoint(3)
# 創建polydata數據
polydata = vtk.vtkPolyData()
polydata.SetPoints(points)
polydata.SetLines(lines)
# 顯示數據
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：創建一個球形并打印出其三角面片的數量。
# 導入必要的庫
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量
triangles = sphere.GetOutput().GetNumberOfPolys()
print("Number of triangles: ", triangles)
# 創建渲染器和窗口
ren = vtk.vtkRenderer()
renWin = vtk.vtkRenderWindow()
renWin.AddRenderer(ren)
# 創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3D模型文件。
# 導入必要的庫
import vtk
# 加載模型文件
reader = vtk.vtkSTLReader()
reader.SetFileName("model.stl")
# 創建渲染器和窗口
ren = vtk.vtkRenderer()
renWin = vtk.vtkRenderWindow()
renWin.AddRenderer(ren)
# 創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：創建一個3D圖形，其中包含多個不同的幾何體。
# 導入必要的庫
import vtk
# 創建不同的幾何體
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)
# 將多個幾何體組成一個polydata數據
appendFilter = vtk.vtkAppendPolyData()
appendFilter.AddInputConnection(coneSource.GetOutputPort())
appendFilter.AddInputConnection(sphereSource.GetOutputPort())
appendFilter.AddInputConnection(cubeSource.GetOutputPort())
# 創建渲染器和窗口
ren = vtk.vtkRenderer()
renWin = vtk.vtkRenderWindow()
renWin.AddRenderer(ren)
# 創建渲染窗口交互工具
iren = vtk.vtkRenderWindowInteractor()
iren.SetRenderWindow(renWin)
# 將可視化對象加入渲染器中
mapper = vtk.vtkPolyDataMapper()
mapper.SetInputConnection(appendFilter.GetOutputPort())
actor = vtk.vtkActor()
actor.SetMapper(mapper)
ren.AddActor(actor)
# 設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
官方網址：https://vtk.org/。
源碼庫：https://github.com/Kitware/VTK。
責任編輯：姜華
來源：
今日頭條
