VTK 动画：面向对象的设计

最新推荐文章于 2025-05-26 06:18:03 发布
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#C++ #VTK #动画 #面向对象思想

VTK 动画：面向对象的设计

VTK 动画：面向对象的设计

上一篇文章 《VTK 动画：框架、流程与实现》 讲到了 VTK 的动画框架、动画流程，并给出了一个简单的 VTK 动画程序。

参考视频：https://www.bilibili.com/video/BV1vh411E7Qm

问题

这样做会出现几个问题：

  1. 对于动画的“主角”没有问题，但是短暂出现的“配角”会让场景变得复杂。
  2. 添加新的“角色”需要同时修改场景和动画。

面向对象的设计

  1. 动画中的每个“角色”或一组“角色”自主管理。
  2. 场景只提供框架，不管理内容。

实例：CueAnimator 和 vtkAnimationCueObserver

修改上一篇文章中的实例程序，主要关注 ueAnimator 和 vtkAnimationCueObserver 两个类的实现。

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
#include <vtkInteractorStyleTrackballCamera.h>
#include <vtkSphereSource.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkActor.h>
#include <vtkProperty.h>

#include "vtkAutoInit.h"
VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL2);
VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);

#include <vtkAnimationScene.h>
#include <vtkAnimationCue.h>

class CueAnimator
{
public:
	CueAnimator() : Sphere(nullptr), Mapper(nullptr), Actor(nullptr) {}
	~CueAnimator() { this->CleanUp(); }

	void StartCue(vtkAnimationCue::AnimationCueInfo* vtkNotUsed(info), vtkRenderer* renderer)
	{
		this->Sphere = vtkSphereSource::New();
		this->Mapper = vtkPolyDataMapper::New();
		this->Mapper->SetInputConnection(this->Sphere->GetOutputPort());
		this->Actor = vtkActor::New();
		this->Actor->SetMapper(this->Mapper);
		renderer->AddActor(this->Actor);
		renderer->ResetCamera();
		renderer->Render();
	}

	void Tick(vtkAnimationCue::AnimationCueInfo* info, vtkRenderer* renderer)
	{
		double new_st = info->AnimationTime * 180;
		this->Sphere->SetStartTheta(new_st);
		renderer->Render();
	}

	void EndCue(vtkAnimationCue::AnimationCueInfo* vtkNotUsed(info), vtkRenderer* renderer)
	{
		this->CleanUp();
	}

protected:
	vtkSphereSource* Sphere;
	vtkPolyDataMapper* Mapper;
	vtkActor* Actor;

	void CleanUp()
	{
		if (this->Sphere)
		{
			this->Sphere->Delete();
			Sphere = nullptr;
		}
		if (this->Mapper)
		{
			this->Mapper->Delete();
			Mapper = nullptr;
		}
		if (this->Actor)
		{
			this->Actor->Delete();
			Actor = nullptr;
		}
	}
private:

};

// 观察者/命令模式（Observer/Command）
class vtkAnimationCueObserver : public vtkCommand
{
public:
	// VTK 对象都是通过内部定义静态函数 New() 来生成，用 Delete() 方法删除
	static vtkAnimationCueObserver* New() { return new vtkAnimationCueObserver; }

	vtkRenderer* Renderer;
	vtkRenderWindow* RenWin;
	CueAnimator* Animator;

	// Execute() 是纯虚函数，所以从 vtkCommand 派生的类都必须实现这个方法
	virtual void Execute(vtkObject* vtkNotUsed(caller), unsigned long event, void* calldata)
	{
		if (this->Animator && this->Renderer)
		{
			vtkAnimationCue::AnimationCueInfo* info = static_cast<vtkAnimationCue::AnimationCueInfo*>(calldata);
			switch (event)
			{
			case vtkCommand::StartAnimationCueEvent:
				this->Animator->StartCue(info, this->Renderer);
				break;
			case vtkCommand::EndAnimationCueEvent:
				this->Animator->EndCue(info, this->Renderer);
				break;
			case vtkCommand::AnimationCueTickEvent:
				this->Animator->Tick(info, this->Renderer);
				break;
			default:
				break;
			}
		}
		// 刷新窗口
		if (this->RenWin)
			this->RenWin->Render();
	}

protected:
	vtkAnimationCueObserver() : Renderer(nullptr), RenWin(nullptr), Animator(nullptr) {}
	~vtkAnimationCueObserver()
	{
		if (this->Renderer)
		{
			this->Renderer->Delete();
			Renderer = nullptr;
		}
		if (this->RenWin)
		{
			this->RenWin->Delete();
			RenWin = nullptr;
		}
		if (this->Animator)
		{
			Animator = nullptr;
		}
	}
};

// Factory 设计模式
/*
class vtkCustomAnimationCue : public vtkAnimationCue
{
public:
	// VTK 对象都是通过内部定义静态函数 New() 来生成，用 Delete() 方法删除
	static vtkCustomAnimationCue* New();
	// 父子继承类型宏，用来追踪父子关系。借助该宏，不需要重新实现 vtkAnimationCue 的基本函数
	vtkTypeMacro(vtkCustomAnimationCue, vtkAnimationCue);
	vtkRenderWindow* RenWin;
	vtkSphereSource* Sphere;

protected:
	// 因此构造函数、析构函数都要定义为 protected 类型
	vtkCustomAnimationCue() : RenWin(nullptr), Sphere(nullptr) {}
	~vtkCustomAnimationCue() {}
	// Overridden to adjust the sphere'sradius depending on the frame we
	// are rendering. In this animation wewant to change the StartTheta
	// of the sphere from 0 to 180 over thelength of the cue.
	virtual void TickInternal(double currenttime, double deltatime, double clocktime)
	{
		double new_st = currenttime * 180;
		// since the cue is in normalizedmode, the currenttime will be in the
		// range[0,1], where 0 is start ofthe cue and 1 is end of the cue.
		this->Sphere->SetStartTheta(new_st);
		this->RenWin->Render();
	}

private:
	// 而对与赋值运算符和拷贝构造函数定义为 private 类型，只做声明不用实现
	vtkCustomAnimationCue(const vtkCustomAnimationCue&); // Not implemented
	void operator=(const vtkCustomAnimationCue&); // Not implemented
};
// vtkStandardNewMacro 是 VTK 的一个宏，作用是定义一个通用的 New() 函数，
// 使用时需要将实际的类名传递给它，确保你创建的对象是实际类的实例，而不是基类的实例
vtkStandardNewMacro(vtkCustomAnimationCue);
*/

int main()
{
	/*
	// 新建一个 Source 数据源对象
	vtkSmartPointer<vtkSphereSource> sphere = nullptr;
	sphere = vtkSmartPointer<vtkSphereSource>::New();
	// 设置属性
	sphere->SetPhiResolution(30); // 设置纬度方向上的点数，默认值为 8
	sphere->SetThetaResolution(30); // 设置经度方向上的点数，默认值为 8
	// 新建一个 Mapper 映射器对象
	vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> sphereMapper = nullptr;
	sphereMapper = vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
	// 接受 cylinder 的输出，将数据映射为几何元素
	sphereMapper->SetInputConnection(sphere->GetOutputPort());
	// 新建一个 Actor 演示对象
	vtkSmartPointer<vtkActor> sphereActor = nullptr;
	sphereActor = vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
	// vtkActor 派生自 vtkProp 类，渲染场景中数据的可视化表达是通过 vtkProp 的子类负责的
	// vtkProp 子类负责确定渲染场景中对象的位置、大小和方向信息
	sphereActor->SetMapper(sphereMapper);
	sphereActor->GetProperty()->SetColor(0.0, 0.0, 1.0);
	*/
	// 创建一个 Renderer 渲染器对象，负责管理场景的渲染过程
	vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer = nullptr;
	renderer = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
	// 添加 vtkProp 类型的对象到渲染场景中
	// renderer->AddActor(sphereActor);
	// 设置渲染场景的背景颜色
	renderer->SetBackground(1.0, 1.0, 1.0); // R、G、B，全 0 为黑色，全 1 为白色
	// 创建一个 Window 窗口对象，负责本地计算机系统中窗口创建和渲染过程管理
	vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> window = nullptr;
	window = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
	window->AddRenderer(renderer);
	window->SetSize(640, 480); // 设置窗口大小
	window->Render();
	window->SetWindowName("Sphere");

	// 新建一个 Interactor 交互器对象，提供平台独立的响应鼠标、键盘和时钟事件的交互机制
	vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> interactor = nullptr;
	interactor = vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
	// 设置渲染窗口，消息是通过渲染窗口捕获到的，所以必须要给交互器对象设置渲染窗口
	interactor->SetRenderWindow(window);
	// 新建一个交互器样式对象，该样式下，用户通过控制相机对物体作旋转、放大、缩小等操作
	vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleTrackballCamera> style = nullptr;
	style = vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleTrackballCamera>::New();
	// 定义交互器样式，默认的交互样式为 vtkInteractorStyleSwitch
	interactor->SetInteractorStyle(style);

	vtkNew<vtkAnimationScene> scene; // 创建动画场景
	//scene->SetModeToRealTime(); // 设置实时播放模式
	scene->SetModeToSequence(); // 设置顺序播放模式
	scene->SetFrameRate(30); // 设置帧率，单位时间内渲染的帧数
	scene->SetStartTime(0); // 动画开始时间
	scene->SetEndTime(60); // 动画结束时间

	//vtkCustomAnimationCue* cue = vtkCustomAnimationCue::New(); // 创建动画实例
	vtkNew<vtkAnimationCue> cue;
	// 对于类中需要操作的对象进行赋值
	//cue->Sphere = sphere;
	//cue->RenWin = window;
	cue->SetTimeModeToNormalized(); // 按照场景时间标准化实例的动画时间，0 对应动画场景的开始，1 对应结束
	cue->SetStartTime(.0);
	cue->SetEndTime(1.0);

	scene->AddCue(cue); // 添加动画实例到动画场景中

	CueAnimator animator;
	vtkNew<vtkAnimationCueObserver> observer;
	observer->Renderer = renderer;
	observer->RenWin = window;
	observer->Animator = &animator;

	// 针对某个事件添加观察者到某个 VTK 对象中，如果所监听的事件会发生，会调用 vtkCommand 子类中的 Execute() 函数
	cue->AddObserver(vtkCommand::StartAnimationCueEvent, observer);
	cue->AddObserver(vtkCommand::EndAnimationCueEvent, observer);
	cue->AddObserver(vtkCommand::AnimationCueTickEvent, observer);

	//scene->SetLoop(1); // 设置循环播放模式
	scene->Play(); // 动画场景开始播放
	scene->Stop(); // 结束播放

	interactor->Initialize();
	interactor->Start();

	return EXIT_SUCCESS;
}

运行结果：动画效果与上一篇文章的效果一样，只是动画播放完后，我们启动了交互器，于是可以对一个半球壳进行交互，比如放大、缩小、旋转、拖动等操作。

在这里插入图片描述

进一步优化：抽象出一个 ICueAnimator 接口类

在上面的程序中，我们实现了 CueAnimator 类，里面定义了动画的内容。我们实现了 vtkAnimationCueObserver 类，它继承自 vtkCommand 类，里面有一个 CueAnimator 指针 Animator，在其 Execute() 函数中实现了自定义动画逻辑，调用 Animator 的函数完成相应的动画。

在主程序中，将动画实例 cue 添加观察者 observer，如果所监听的事件会发生，会调用 vtkAnimationCueObserver 类中的 Execute() 函数，从而实现动画。

之后想要修改动画的内容，只需要修改 CueAnimator，而不需要修改 vtkAnimationCueObserver 和场景，从而实现了动画场景和动画内容的隔离。

但是这个框架还存在问题：无法添加新的动画元素。

改进👇：

我们定义一个 ICueAnimator 接口类，里面定义了 CueAnimator 的所有函数：StartCue、Tick、EndCue，并且都是纯虚函数。

// CueAnimator 接口类，无需实现
class ICueAnimator
{
public:
	virtual void StartCue(vtkAnimationCue::AnimationCueInfo* vtkNotUsed(info), vtkRenderer* renderer) = 0;
	virtual void Tick(vtkAnimationCue::AnimationCueInfo* info, vtkRenderer* renderer) = 0;
	virtual void EndCue(vtkAnimationCue::AnimationCueInfo* vtkNotUsed(info), vtkRenderer* renderer) = 0;
};

复制一个 CueAnimator 类，改成 CueAnimator2，作为第二个动画。修改其中的 Tick 函数，实现区别于 CueAnimator 的动画效果。

class CueAnimator2 : public ICueAnimator
{
public:
	CueAnimator2() : Sphere(nullptr), Mapper(nullptr), Actor(nullptr) {}
	~CueAnimator2() { this->CleanUp(); }

	void StartCue(vtkAnimationCue::AnimationCueInfo* vtkNotUsed(info), vtkRenderer* renderer)
	{
		this->Sphere = vtkSphereSource::New();
		Sphere->SetPhiResolution(30);
		Sphere->SetThetaResolution(30);
		this->Mapper = vtkPolyDataMapper::New();
		this->Mapper->SetInputConnection(this->Sphere->GetOutputPort());
		this->Actor = vtkActor::New();
		this->Actor->SetMapper(this->Mapper);
		renderer->AddActor(this->Actor);
		renderer->ResetCamera();
		renderer->Render();
	}

	void Tick(vtkAnimationCue::AnimationCueInfo* info, vtkRenderer* renderer)
	{
		double new_st = info->AnimationTime;
		this->Sphere->SetCenter(1, new_st, new_st);
		renderer->Render();
	}

	void EndCue(vtkAnimationCue::AnimationCueInfo* vtkNotUsed(info), vtkRenderer* renderer)
	{
		this->CleanUp();
	}

protected:
	vtkSphereSource* Sphere;
	vtkPolyDataMapper* Mapper;
	vtkActor* Actor;

	void CleanUp()
	{
		if (this->Sphere)
		{
			this->Sphere->Delete();
			Sphere = nullptr;
		}
		if (this->Mapper)
		{
			this->Mapper->Delete();
			Mapper = nullptr;
		}
		if (this->Actor)
		{
			this->Actor->Delete();
			Actor = nullptr;
		}
	}
};

因为 vtkAnimationCueObserver 要观察多个 ICueAnimator 子类了，所以我们使用一个 list 数据结构存储这些 ICueAnimator*，构造函数中，不再构造单个的 CueAnimator，析构函数中，将 AnimatorList 的每个遍历赋值空指针，最后清空 AnimatorList。执行函数 Execute 中，遍历 每个 animator，执行相应的函数。

// 观察者/命令模式（Observer/Command）
class vtkAnimationCueObserver : public vtkCommand
{
public:
	// VTK 对象都是通过内部定义静态函数 New() 来生成，用 Delete() 方法删除
	static vtkAnimationCueObserver* New() { return new vtkAnimationCueObserver; }

	vtkRenderer* Renderer;
	vtkRenderWindow* RenWin;
	//CueAnimator* Animator;
	std::list<ICueAnimator*> AnimatorList;

	// Execute() 是纯虚函数，所以从 vtkCommand 派生的类都必须实现这个方法
	virtual void Execute(vtkObject* vtkNotUsed(caller), unsigned long event, void* calldata)
	{
		if (this->AnimatorList.size() > 0 && this->Renderer)
		{
			vtkAnimationCue::AnimationCueInfo* info = static_cast<vtkAnimationCue::AnimationCueInfo*>(calldata);
			switch (event)
			{
			case vtkCommand::StartAnimationCueEvent:
				for (ICueAnimator* animator : AnimatorList)
					animator->StartCue(info, this->Renderer);
				break;
			case vtkCommand::EndAnimationCueEvent:
				for (ICueAnimator* animator : AnimatorList)
					animator->EndCue(info, this->Renderer);
				break;
			case vtkCommand::AnimationCueTickEvent:
				for (ICueAnimator* animator : AnimatorList)
					animator->Tick(info, this->Renderer);
				break;
			default:
				break;
			}
		}
		// 刷新窗口
		if (this->RenWin)
			this->RenWin->Render();
	}

protected:
	vtkAnimationCueObserver() : Renderer(nullptr), RenWin(nullptr) {}
	~vtkAnimationCueObserver()
	{
		if (this->Renderer)
		{
			this->Renderer->Delete();
			Renderer = nullptr;
		}
		if (this->RenWin)
		{
			this->RenWin->Delete();
			RenWin = nullptr;
		}
		if (!this->AnimatorList.empty())
		{
			for (ICueAnimator* animator : AnimatorList)
			{
				animator = nullptr;
			}	
			AnimatorList.clear();
		}
	}
};

在主函数中，新创建一个 CueAnimator2 对象，将 2 个动画对象插入 observer 的 AnimatorList：

observer->AnimatorList.push_back(&animator);
observer->AnimatorList.push_back(&animator2);

运行结果：2 个动画同时播放，互不影响。

在这里插入图片描述

总结

  1. 介绍了面向对象的 VTK 动画框架设计。
  2. 介绍了实现一个继承自 vtkCommand 的 vtkAnimationCueObserver 类来监听 vtkAnimationCue 的动画事件。
  3. 介绍了利用接口类 ICueAnimator 封装动画内容，里面只包含纯虚函数。真正的动画内容 CueAnimator 类继承接口类，自定义动画内容，多个 CueAnimator 对象插入vtkAnimationCueObserver 类的 AnimatorList 实现多个监听。

最终达到了动画场景和动画内容的隔离。

参考

  1. https://www.bilibili.com/video/BV1vh411E7Qm
  2. https://blog.youkuaiyun.com/Littlehero_121/article/details/128683252
  3. https://blog.youkuaiyun.com/weixin_38500110/article/details/78817071
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