VTK- 可视化过程 & 四种坐标系统

可视化工具包 VTK(Visualization Toolkit),是一种开源的可视化软件系统,主要实现计算机图形学、图像分析、渲染、图像处理等功能。VTK 包含一个 C++类库和多个不同语言调用接口层，主要针对2D、3D 图像和可视化用图设计。

VTK设计作为一个工具包，不依赖于特定的平台，VTK可以在多种操作系统上运行，包括Windows、Linux和macOS。可以结合各种语言开发。VTK 的源码提供清晰的子模块化结构，开发人员可以使用编译好的动态或静态库，也可以直接将源码集成到相关开发工具中使用，从而方便对整个算法实现过程做调试和修改。

一、VTK可视化过程：

    数据源 (Source)：

        数据源组件是整个可视化管线的起点，它可以是任何生成或读取数据的对象。

例如，vtkSphereSource用于生成球体网格，而vtkDICOMImageReader用于读取医学图像数据。

    过滤器 (Filter)：

        过滤器用于修改或操作数据。   这可能包括几何变换、数据采样、切割、等值面提取、流线追踪等。例如，vtkContourFilter用于从体积数据中提取等值面。

    映射器 (Mapper)：

        映射器负责将过滤后的数据转换成图形表示，这通常涉及决定如何渲染数据，比如颜色映射、光照模型和纹理映射。例如，vtkPolyDataMapper用于将多边形数据映射到图形上。

    演员 (Actor)：

        演员是将映射器的结果呈现到屏幕上的对象，它控制了诸如位置、比例和旋转等属性。例如，vtkActor用于显示映射器的数据。

    渲染器 (Renderer)：

        渲染器管理一个或多个演员，设置背景色，以及决定如何将所有元素组合成一个图像。例如，vtkRenderer用于渲染场景。

    渲染窗口 (RenderWindow)：

       渲染窗口是最终显示渲染结果的地方，它可以包含一个或多个渲染器的输出。例如，vtkRenderWindow用于显示渲染器生成的画面。

    交互控制器 (Interactor)：

     交互控制器允许用户与场景进行交互，例如平移、缩放和旋转视图。例如，vtkRenderWindowInteractor用于处理用户输入并更新渲染窗口。

在实际应用中，这些组件通过连接接口（如SetInputConnection和Update）链接在一起，形成一个从数据源到最终图像的完整流水线。当数据发生变化时，VTK会自动更新管线中的每个组件，确保最终输出是最新的可视化结果

在Visualization Toolkit (VTK) 中，处理三维数据和渲染时，会涉及到四种主要的坐标系统。这些坐标系统帮助管理数据从原始状态到最终屏幕显示的转换过程。

二、四种坐标系统及其用途的概述：

    Model坐标系统：

        这个坐标系统与具体的模型相关联，是定义模型时使用的坐标系统，通常是局部的笛卡尔坐标系。每个模型（如通过vtkPolyData或vtkImageData表示的数据集）都在自己的模型坐标系统中定义。例如，一个球体可能在其模型坐标系统中定义为以原点为中心、半径为1的单位球。

    World坐标系统：

        World坐标系统是一个全局的坐标框架，所有模型、Actor、相机和光照都在这个系统中被放置和定位。Actor类负责将模型坐标系统中的数据转换到世界坐标系统中，以便在三维空间中正确放置。World坐标系统提供了一个统一的空间参照系，使得不同模型之间能够相互关联和交互。

    View坐标系统：

        又称为“Normalized Device Coordinates”（NDC）系统，是相机视角下的坐标系统。在这个系统中，坐标值被归一化到范围[-1, 1]内，其中X和Y轴表示像素平面上的位置，而Z轴则表示深度或距离。View坐标系统是将世界坐标转换为适合渲染的角度和深度的中间步骤。

    Display坐标系统：

        这是最终屏幕上的坐标系统，坐标值直接对应于屏幕像素的位置。原点位于屏幕左下角，X轴向右，Y轴向上，与VTK中的其他坐标系统一样，它遵循右手定则。

在Display坐标系统中，X和Y的值对应于屏幕的宽度和高度的像素值。

VTK中的vtkCoordinate类提供了在这些坐标系统之间进行转换的功能。

例如，可以使用vtkCoordinate的SetValue()方法设置一个坐标值，并使用GetComputedDisplayValue()或GetComputedWorldValue()等方法来获取在Display坐标系统或World坐标系统中的相应坐标值。

这些坐标系统之间的转换是三维可视化和渲染流程的核心部分，确保了数据的正确呈现和交互。

在VTK里，Model坐标系统用得比较少，其他三种坐标系统经常使用。他们之间的变换则是由类vtkCoordinate进行管理。

三、VTK主要子模块及其功能

vtkIO

    提供读取和写入不同格式的文件接口，支持多种数据格式，包括DICOM、PLY、STL、VTK XML等。

vtkImaging

    负责图像处理任务，包括滤波、转换和其他图像操作。

vtkGraphics

    包含了图形输出相关的类，例如颜色映射、标签映射、图元集合等。

vtkFilters

    分为多个子模块，例如vtkFiltersCore、vtkFiltersGeneral、vtkFiltersGeometry等，提供各种数据过滤和转换功能。

vtkRendering

    负责渲染功能，包括场景管理、摄像机控制、光照模型、纹理映射等。

vtkViews

    提供高级视图组件，例如图表、表格和科学可视化视图。

vtkHybrid

    包括混合渲染和复合可视化技术。

vtkInfovis

    专注于信息可视化，如图布局算法和网络可视化。