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VTK 程式設計簡介
黃為鵬
0 如何利用文件
VTK 是由 Will Schroeder 等創立的 Kitware Inc. 的開放原始碼產品。Kitware 提供關於VTK 的技術支援和各種服務產品，包括教科書和使用者指南：The Visualization Toolkit An Object-Oriented Approach To 3D Graphics, 3rd edition 和 The Visualization Toolkit User's Guide 。兩本書的內容各有側重，教科書主要介紹視覺化的各種演算法以及 VTK 中的資料結構，而使用者指南強調軟體的使用方法。可以根據使用過程中遇到的不同問題參考兩本書中的相應章節。程式設計中對具體的類、函式等的使用可以參考電子版的手冊。程式設計中遇到的問題，可以在 VTK 的 maillist 上提出，一般都會有解答。
1 編譯 VTK 庫
1.1 準備原始碼
從

http://www.vtk.org/ 下載原始碼。原始碼按成熟度依次分為官方發行版、每日打包版和 CVS 開發版，其中官方發行版最穩定，CVS 開發版最新。一般應用使用官方發行版即可。
1.2 用 CMake 產生具體平臺下的工程檔案
VTK 是用 C++ 語言開發的平臺無關的圖形庫。為了使相互關聯的 VTK 庫程式碼能在不同平臺（如 Windows 和 Unix）和不同編譯器（如 Visual Studio 6.0 和 Borland）下方便使用，Kitware 開發了 CMake 這一轉換工具。比如使用 CMake，可以為 Windows 平臺下的 Visual Studio 6.0 產生相應的工程檔案（.dsp 或 .dsw 檔案），此後就可以在 Visual Studio的整合開發環境(IDE)下進行編譯連線了。
CMake 提供一個使用者介面，使用者可以定製某些變數，其中比較重要的是 BUILD_SHARED_LIBS，根據它的選擇可以生成 VTK 的靜態庫或者動態連結庫。如果編譯成靜態庫，那麼在開發應用程式時要將相應庫程式碼加入可執行程式；如果是動態庫，則可執行程式與動態連結庫是分離的。用動態庫的好處是可以減小主程式的體積，缺點是可執行程式不能獨立執行。不過在有些情況下，因為某些專利演算法在商業用途裡只能授權使用，所以 VTK 提供的部分程式碼只能以動態連結庫的方式使用，所以應該熟悉編譯動態連結庫的方法。其他較常見的重要變數有 VTK_USE_PATENTED 、VTK_USE_HYBRID 等，編譯時使它們開啟開關，就可以編譯出相應的庫以便日後使用了。

圖 1
1.3 編譯庫
以下以 Windows 平臺下的 Visual Studio 6.0 編譯環境為例來說明使用方法，不再宣告。
開啟用 CMake 產生的 .dsw 檔案，選擇工程型別進行編譯。工程型別主要分兩類：Release 和 Debug ，開發過程中一般用 Debug ，到發行時再用 Release ，所以在此用Debug即可。編譯整個工程產生全部庫，這個過程所需時間很長。編譯完成後，會在 CMake 裡面指定的目標目錄內（如 vtkbin ）產生編譯出的庫檔案（預設在 vtkbin/bin/Debug 目錄內）。
2 在 Visual Studio 6.0開發環境下使用 VTK 庫
VTK 庫編譯好了以後，就可以在 Visual Studio 開發環境下使用 VTK 庫了。使用 VTK庫首先要設定標頭檔案和庫檔案的路徑，以便使用 VTK 庫的程式在編譯和連結的時候可以搜尋到。標頭檔案的位置即原始碼的各個子目錄，裡面包含了大量的 .h 檔案。將其路徑加入到 Visual Studio 6.0 的 Tools -> Options -> Directories 內，如圖 2。注意除了原始碼的各個子目錄外，還要加上一個 vtkConfigure.h 檔案的路徑，它在 CMake 產生的目標目錄內。庫檔案的設定與此類似，也在 Directories 頁面進行，其路徑是前述編譯產生庫檔案的目錄（如 vtkbin/bin/Debug ）。這樣設定好路徑以後，使用 VTK 庫的程式就可以正確地編譯和連結了。對於使用動態連結庫的程式來說，此時還不能執行編譯出來的可執行程式（ .exe），還需要一步，即把 VTK 的動態連結庫檔案所在路徑加入作業系統的環境變數 PATH ，或直接將這些庫檔案拷貝到系統目錄。

圖 2
3 VTK 庫程式設計特點
VTK 庫是用面向物件的 C++ 語言寫成的，由於主要開發者有著十數年涉及視覺化系統的經驗，所以 VTK 擁有非常合理的模型和結構。
VTK 的程式設計風格在教科書的附錄 A，包括命名規範、術語定義、各類物件的用途說明等。值得注意的，比如它的物件工廠（Object Factory）概念。在 VTK 裡，是用<class>::New() 的方式來初始化物件的，而不是用 C++ 中的 new 來新建物件，物件工廠不僅可以做到程式碼與裝置無關，而且通過引用計數（reference counting），可以使程式清晰簡明，不容易發生記憶體洩漏或崩潰的問題。
VTK 中實現了數百個類及其方法，它們之間簡化的繼承和關聯關係可以從教科書附錄 A.3 的圖中看到。熟悉不同的類的用途和它們之間的關係，對程式設計十分有利。
對開發者來說，如何擴充這個類庫是重要的，教科書的附錄 A.4 介紹了這個問題，而使用者指南的開發者指南部分有一章來講具體的做法。
4通過例子學習 VTK 概念及程式設計
要用 VTK 庫進行視覺化程式設計首先要對視覺化要有一定的概念和基礎。除了普通的視覺化教科書以外，VTK 提供的教科書本身就非常好。VTK 源程式包的 Example 目錄包括了一系列例子，它們都有詳盡的註釋。一步步學習這些例子，可以很容易理解 VTK 涉及的視覺化概念和 VTK 程式設計的一般特點。
學習這些例子首先要成功編譯執行它們。這個步驟跟編譯庫類似，也需要先用 CMake 工具生成 Visual Studio 的工程檔案，然後編譯；而要保證程式能正確執行，還得保證 VTK 庫檔案在環境變數的 PATH 內。
初學者應該從 Tutorial 目錄內的 Step x 例子入手，它們從最簡單的 VTK 程式開始，一步步地增加概念，演示了各種視覺化概念。注意例子裡的註釋，以第一個程式（Step1 的 Cone 程式）為例，看一下源程式：

源程式：Example/Tutorial/Step1/Cxx/Cone.cxx
//
// This example creates a polygonal model of a cone, and then renders it to
// the screen. It will rotate the cone 360 degrees and then exit. The basic
// setup of source -> mapper -> actor -> renderer -> renderwindow is
// typical of most VTK programs.
//

// First include the required header files for the VTK classes we are using.
＃i nclude "vtkConeSource.h"
＃i nclude "vtkPolyDataMapper.h"
＃i nclude "vtkRenderWindow.h"
＃i nclude "vtkCamera.h"
＃i nclude "vtkActor.h"
int main( int argc, char *argv[] )
{
//
// Next we create an instance of vtkConeSource and set some of its
// properties. The instance of vtkConeSource "cone" is part of a
// visualization pipeline (it is a source process object); it produces data
// (output type is vtkPolyData) which other filters may process.
//
vtkConeSource *cone =
cone->SetHeight( 3.0 );
cone->SetRadius( 1.0 );
cone->SetResolution( 10 );
//
// In this example we terminate the pipeline with a mapper process object.
// (Intermediate filters such as vtkShrinkPolyData could be inserted in
// between the source and the mapper.) We create an instance of
// vtkPolyDataMapper to map the polygonal data into graphics primitives. We
// connect the output of the cone souece to the input of this mapper.
//
vtkPolyDataMapper *coneMapper =
coneMapper->SetInput( cone->GetOutput() );

程式段 1
這個簡單的例子是一個控制檯下的程式，建立一個稜錐，在螢幕上繪製，旋轉360度後退出。程式雖簡單，但已經包括了資料來源、對映器、演員、繪製器、繪製視窗等概念，這些概念在 VTK 程式設計中幾乎都是必然涉及的。通過這個例子，就可以對教科書裡講到的各種視覺化概念（如相機、演員），程式設計模型（如管道）等有直觀的瞭解了。
這裡僅舉這個最簡單的例子，事實上，VTK 自帶的例子循序漸進，從簡單的概念，到各種複雜的概念、演算法和資料結構、GUI 程式設計、直到具體的應用等，都做了很好的例證。結合教科書和例子，可以較快地理解 VTK 的各個方面。
比如說，如果要用 VTK 在 Win32 環境下程式設計，應該學習 Example/GUI/Win32 下的例程，如果要用 MFC 框架，那麼可以參考其中的 vtkMFC 例程。體會 VTK 庫和 Win32 的關係、和 MFC 框架的關係，以便在這些平臺上開發自己的程式。這需要對 VTK和作業系統、程式設計環境本身有比較深入的瞭解，而這種瞭解對自行開發程式是十分必要的。
5 用 VTK 進行 CT 片三維重構
VTK 作為一種通用的視覺化類庫，在科學和工程界有著廣泛的應用。其中一種重要而常見的應用就是在醫學領域，比如著名的“視覺化人”專案，就有 VTK 的應用。實際上，VTK 在醫學方面的應用是是 VTK 比較強調的，在它提供的例程應用中，就有專門的醫學目錄。學習它們，並應用於我們的專案中，是一條合適的途徑。
比如，如果要做一個 3D 的醫學影像系統，其中重要的一個環節就是三維重構，這也是在全膝置換手術中需要的。所以，用 VTK 進行 CT 片的三維重構，就是一個合適的應用的例子。
利用 VTK 做 CT 片的三維重構，從演算法和資料結構來看，就是一個讀取資料問題和一個圖形顯示問題。
對於我們手裡的 CT 片，因為它們符合 DICOM 3.0 標準，所以對它們的讀取還是相對容易的。VTK 已經實現了這類資料的讀取，vtkImageSource類的很多子類都可以完成這種工作，如vtkImageReader 類或者 vtkVolumeReader 等。這樣我們程式設計的時候只要指定必須的引數，就可以實現對單張 CT 片乃至 CT 片序列的讀取了。根據 VTK 的資料管道，原始資料讀取入了以後，就可以使用各種各種過濾器進行資料轉換，在這個例子裡，即進行表面抽取、影射，然後就可以繪製了。因為是三維重建，所以還應該加入互動器，以便可以在繪製窗口裡進行互動。
關於重建演算法，對於 CT 片這種三維規則資料場，可以採取成熟、基本的演算法來進行三維重建，比如 MarchingCubes 演算法。
我們使用 Visual Studio 6.0 開發平臺來完成上述的工作，使對 CT 片的讀取、重建及顯示、互動等功能融合到 MFC 的框架中，以便提供一個方便的使用者介面。具體的程式另件給出，各部分的功能可以參考註釋。

[參考文獻]
1.The Visualization Toolkit An Object-Oriented Approach To 3D Graphics, 3rd edition
2.The Visualization Toolkit User's Guide
3.VTK 原始碼：http://www.vtk.org/get-software.php
4.VTK 電子文件：http://www.vtk.org/get-software.php
5.VTK 郵件列表：http://public.kitware.com/mailman/listinfo/vtkusers
6.http://digitalne.nju.edu.cn/new/course/vtk/index.htm

一些三維方面的開原始碼

1 microterra
      http://microterra.sourceforge.net/index.html

2 Demeter Terrain Engine
   http://www.terrainengine.com/
     

3 http://dmoz.org/Computers/Software/Graphics/3D/Terrain/

4 blue marblevierer an OSG example

   http://www.andesengineering.com/BlueMarbleViewer

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