Python 使用vtk三维3d图形绘制

简介

在科学研究、医学、工程领域等许多领域中，需要使用三维图形来可视化和展示数据。vtk（Visualization Toolkit）是一个强大的开源软件包，提供了丰富的三维图形绘制和可视化功能。本文将介绍如何使用Python和vtk来进行三维图形绘制。

安装vtk库

在开始之前，我们首先需要安装vtk库。可以使用pip命令来进行安装：

pip install vtk

安装完成后，我们就可以开始使用vtk进行三维图形绘制了。

简单示例

让我们从一个简单的示例开始。下面的代码将绘制一个简单的立方体，并将其保存为STL文件。

import vtk

# 创建一个立方体
cube = vtk.vtkCubeSource()

# 创建一个mapper将立方体转换为图形数据
cubeMapper = vtk.vtkPolyDataMapper()
cubeMapper.SetInputConnection(cube.GetOutputPort())

# 创建一个actor将图形数据转换为可视化对象
cubeActor = vtk.vtkActor()
cubeActor.SetMapper(cubeMapper)

# 创建一个renderer用于渲染场景
renderer = vtk.vtkRenderer()
renderer.AddActor(cubeActor)
renderer.SetBackground(0, 0, 0)  # 设置背景颜色为黑色

# 创建一个render window用于显示场景
renderWindow = vtk.vtkRenderWindow()
renderWindow.AddRenderer(renderer)

# 创建一个render window interactor用于与用户交互
interactor = vtk.vtkRenderWindowInteractor()
interactor.SetRenderWindow(renderWindow)

# 开始渲染和交互
interactor.Initialize()
renderWindow.Render()
interactor.Start()

# 将立方体保存为STL文件
stlWriter = vtk.vtkSTLWriter()
stlWriter.SetFileName("cube.stl")
stlWriter.SetInputConnection(cube.GetOutputPort())
stlWriter.Write()

运行上述代码，会生成一个名为cube.stl的STL文件，该文件包含了所绘制的立方体的几何形状信息。

基本概念

数据源（Data Source）

vtk中的数据源是指数据的来源，可以是几何图形、图片、等值曲面等。常见的一些数据源包括Cube、Cylinder、Sphere等。

数据源作为vtk pipeline的起点，会生成一些满足特定几何形状或坐标关系的数据。

Mapper

Mapper将数据源生成的数据转换为可视化对象。它负责将数据源产生的数据转换成图形几何数据，以便能够在渲染器中进行可视化。

Actor

Actor是指可视化对象，它可以是几何图形、坐标轴、文本等。一个Actor包括了几何数据和相关的属性，如颜色、透明度等。

Renderer

Renderer是渲染器，它负责渲染可视化对象并将它们显示在屏幕上。

RenderWindow

RenderWindow是渲染窗口，它用于显示渲染器所渲染的内容。

Interactor

Interactor是与用户进行交互的接口，可以通过鼠标和键盘来实现交互操作，如旋转、缩放、平移等。

坐标系

在进行三维图形绘制时，我们通常需要了解vtk中的坐标系。vtk的坐标系与一般的坐标系有一些差异。

vtk使用右手坐标系，其中x轴指向右侧，y轴指向前方，z轴指向上方。这一点需要注意，以免出现坐标系错误。

在vtk中，我们可以使用vtkAxesActor来绘制坐标轴，以便更直观地了解坐标系。

下面是一个简单的示例代码，演示了如何绘制vtk坐标轴：

import vtk

# 创建一个默认的vtk渲染器
renderer = vtk.vtkRenderer()

# 创建一个vtk坐标轴
axes = vtk.vtkAxesActor()

# 将vtk坐标轴添加到渲染器中
renderer.AddActor(axes)

# 创建一个vtk渲染窗口并设置渲染窗口的渲染器
renderWindow = vtk.vtkRenderWindow()
renderWindow.AddRenderer(renderer)

# 创建一个vtk渲染窗口交互器
interactor = vtk.vtkRenderWindowInteractor()
interactor.SetRenderWindow(renderWindow)

# 初始化交互器并开始渲染
interactor.Initialize()
renderWindow.Render()
interactor.Start()

运行上述代码，会显示一个带有vtk坐标轴的窗口。

常用的几何图形

立方体（Cube）

立方体是vtk中最简单的几何图形之一。我们可以使用vtkCubeSource来创建一个立方体。

以下是一个绘制立方体的示例代码：

import vtk

# 创建一个立方体
cube = vtk.vtkCubeSource()

# 创建一个mapper将立方体转换为图形数据
cubeMapper = vtk.vtkPolyDataMapper()
cubeMapper.SetInputConnection(cube.GetOutputPort())

# 创建一个actor将图形数据转换为可视化对象
cubeActor = vtk.vtkActor()
cubeActor.SetMapper(cubeMapper)

# 创建一个render window和renderer
renderer = vtk.vtkRenderer()
renderer.AddActor(cubeActor)
renderer.SetBackground(0, 0, 0)  # 设置背景颜色为黑色

renderWindow = vtk.vtkRenderWindow()
renderWindow.AddRenderer(renderer)

# 创建一个render window interactor用于与用户交互
interactor = vtk.vtkRenderWindowInteractor()
interactor.SetRenderWindow(renderWindow)

# 开始渲染和交互
interactor.Initialize()
renderWindow.Render()
interactor.Start()