Introdução ao VTK

Visualização Científica – 

Introdução ao VTK 

João Manuel R. S. Tavares 

Jorge Gomes Barbosa 

url: http://www.fe.up.pt/~tavares/ensino/VISCI/visci.html

Sumário 

1. Bibliografia 

2. O que é o VTK 

3. Recursos sobre o VTK 

4. Obter o VTK 

5. Características técnicas do VTK 

6. Exemplos de aplicação do VTK 

7. Arquitectura do sistema VTK 

8. Modelo de visualização do VTK 

9. Modelo de imagem do VTK 

10. Pipeline de execução do VTK 

11. Modelo gráfico do VTK 

12. Pipeline de visualização do 

VTK 

13. Dados suportados no VTK: 

Células 


Conjuntos de dados 


Tipos de atributos associados 

aos pontos e às células 

16. Formato de ficheiros do VTK 

J. Tavares / J. Barbosa Visualização Cientifíca - Introdução ao VTK 2

Bibliografia 

The Visualization Toolkit (3rd Edition) 

Will Schroeder, Ken Martin, Bill Lorensen 

ISBN 1-930934-07-6 

Kitware, Inc. publishers 

VTK User’s Guide (VTK 4.2) 

Will Schroeder, Ken Martin 

ISBN 1-930934-08-4 

Kitware, Inc publishers 

Mastering CMake (CMake 1.8) 

Ken Martin, Bill Hoffman 

ISBN 1-930934-09-2 

Kitware, Inc publishers 

Disponíveis para compra on-line em: http://www.vtk.org/buy-books.php 


O que é o VTK? 

O VTK – The Visualization ToolKit é um sistema de 

software aberto para computação gráfica 3D, 

processamento de imagem e visualização. 

O VTK inclui uma biblioteca de classes C ++ e várias 

interfaces de interpretação, incluindo para as 

linguagens Tcl/Tk, Java, e Python. 

O VTK tem vindo a ser implementado em plataformas 

Unix, MS Windows (95/98/NT/2000/XP) e Mac (OSX 

Jaguar). 

A arquitectura e o desenvolvimento da 

biblioteca têm sido fortemente influenciados 

pelos princípios do desenvolvimento / 

programação orientado para objectos. 



O modelo gráfico do VTK está num nível de 

abstracção mais elevado quando comparado 

com os modelos das bibliotecas de 

renderização como a OpenGL ou a PEX. Tal 

significa que é muito mais fácil desenvolver 

aplicações gráficas e de visualização. 

Com o VTK as aplicações podem ser 

implementadas indiferentemente em 

C ++ , Tcl, Java, ou Python. 



Nível de aplicação (C ++ ,Tcl/Tk, ...) 


Biblioteca Gráfica (openGL) 

Interface para as linguagens 

interpretadas: Tcl/Tk, Java, 

Python 

Biblioteca de 

classes C ++ 

(compilada) 

Sistema Orientado 

para Objectos 



A biblioteca VTK é um verdadeiro sistema de 

visualização, pois não permite apenas a representação 

da geometria dos objectos. 

O VTK suporta uma ampla variedade de algoritmos de 

visualização, incluindo: métodos escalares, vectoriais, 

tensoriais, de textura e volumétricos; e técnicas de 

modelamento avançado como o modelamento implícito, 

a redução poligonal, a suavização de malhas, o corte, a 

definição de contornos e a triangulação de Delaunay. 

Estão também integrados dezenas de algoritmos de 

processamento de imagem, de tal forma que é possível 

“combinar” algoritmos de imagem e algoritmos gráficos. 



A biblioteca VTK é utilizada por estudantes, 

académicos, programadores, analistas de dados, 

utilizadores e investigadores de computação gráfica e 

visualização, engenheiros, cientistas, investigadores, 

etc. 

Apesar do VTK ser disponibilizado livremente, o suporte 

comercial é assegurado pela empresa Kitware. 

Dezenas de empresas utilizam o VTK no 

desenvolvimento dos seus programas comerciais. 

O VTK também é muito utilizado em ambiente 

académico, em investigação e em cursos de 

computação gráfica e de visualização. 


Recursos sobre o VTK 

Livros 

The Visualization Toolkit, An Object-Oriented 

Approach to 3D Graphics (Third Edition) 

Will Schroeder, Ken Martin and Bill Lorensen 

Kitware, Inc., ISBN 1-930934-07-6 

http://www.kitware.com/products/vtktextbook.html 

The VTK User's Guide (VTK 4.2 Edition) 

Kitware, Inc. 

ISBN 1-930934-08-4 

http://www.kitware.com/products/vtkguide.html 



Página web oficial 

http://www.vtk.org 

Software (http://public.kitware.com/VTK/files/); 

FAQ’s (http://public.kitware.com/cgi-bin/vtkfaq); 

Lista de discussão 

(http://public.kitware.com/mailman/listinfo/vtkusers); 

Motor de procura (http://www.kitware.com/search.html); 

Documentação on-line (http://www.vtk.org/doc/nightly/html/); 

Exemplos de programas 

(http://www.vtk.org/example-code.php); 

Exemplos de utilização 

(http://www.kitware.com/case/vtkinuse.html); 

Ficheiros de dados (http://public.kitware.com/VTK/files/); 

Links (http://www.vtk.org/links.php); 

etc. 



Exemplos distribuídos em conjunto com o código fonte 

(...VTK\Examples). 

Vários testes distribuídos em conjunto com o código 

fonte (por exemplo, ...VTK\Graphics\Testing\Tcl, 

...VTK\Graphics\Testing\Cxx). 

Sistemas de ajuda distribuídos em conjunto com o 

código fonte: em html (...vtkhtml\html\index.html) e em 

documentação compilada (MS Windows) 

(...vtkhtml\VTK4.2Documentation.chm). 

Páginas de utilizadores com vários recursos 

disponíveis, por exemplo, http://www.barre.nom.fr/vtk). 



Sistema de ajuda, distribuído em conjunto com o código 

fonte, em html. 



Sistema de ajuda, distribuído em conjunto com o código 

fonte, compilado (MS Windows). 


Obter o VTK 

A partir dos CD’s que acompanham os livros da 

Kitware sobre o VTK; 

Fazendo o download: 

http://public.kitware.com/VTK/get-software.php 

ftp://public.kitware.com/pub/vtk 

http://public.kitware.com/VTK/files/ 

Existem diferentes versões disponíveis: 

VTK 4.X (versão oficial); 

VTK Nightly Release (versão diária – não oficial) 

VTK CVS (últimas modificações – não oficial) 

Verificar a estado da versão CVS (estável ou não) 


Obter o VTK 

Ficheiros a obter (sistemas Windows): 

Instalação dos executáveis (Binary) 

Descarregar as versões executáveis: 

Núcleo: vtkXXCore.exe (ou vtkXX-LatestRelease.exe) 

Suporte para linguagens interpretadas: vtkXXTcl.exe, 

vtkXXJava.exe, vtkXXPython.exe 

Executar vtkXXXCore.exe, vtkXXTcl.exe, ... 

Instalação do código fonte 

Descarregar as fontes do VTK: vtkXXSrc.zip (ou VTK- 

XX-LatestRelease.zip) 

Descarregar o CMake: CMSetupXXX.exe 

Executar o CMake e configurar o projecto VTK 

Extrair, e compilar o projecto (compilador necessário, por 

exemplo o Microsoft VC ++ 6.0) 


Características técnicas do VTK 

Software: 

Mais de 700 classes C ++ . 

Mais de 350,000 linhas de código C ++ (110,000 

linhas executáveis). 

Arquitectura orientada para objectos (baseada na 

proposta no livro Object-Oriented Modelling and 

Design de Rumbaugh et al da Prentice-Hall). 

Mais de 215,000 linhas geradas automaticamente 

para a interface Tcl (e também para Python e 

Java). 

... 



Software: 

... 

Documentação in-line (no código e em páginas do 

manual em html ou compiladas - MS Windows). 

Código C ++ fácil de entender. 

Desenhado para ser expandido. 

Inclusão de vários exemplos: aplicações, casos de 

teste e vários conjuntos de dados. 

Suporta multithreading e memória distribuída para 

algoritmos paralelos. 



Interacção e GUI 

Integração pacifica com uma vasta variedade de 

sistemas windows incluindo: Qt, FLTK, 

wxWindows, Tcl/Tk, Python/Tk, Java, X11, Motif, 

Windows, Cocoa e CARBON. 

Suporta uma grande variedade de estilos de 

interacção, incluindo os modos trackball e joystick 

para as câmaras e para os actores. Os estilos de 

interacção podem ser configurados e novos estilos 

podem ser facilmente adicionados. 

... 



Interacção e GUI 

... 

Implementa um mecanismo de gestão de eventos 

de comando/observação. Os objectos podem 

interrogar outros objectos por um evento particular 

e evocar rechamadas quando apropriadas. Os 

eventos podem ter prioridades associadas e ser 

abortados. As classes do VTK definem uma vasta 

gama de eventos evocados através do sistema. 

Inclui um conjunto extenso de objectos 3D 

predefinidos, incluindo: ponto, linha, plano, plano 

implícito, caixa, esfera, cone, barra escalar, plano 

de imagem, e spline. 



Computação Gráfica 3D 

Renderização de superfícies. 

Renderização de volumes (suporta textura e 

combinação de superfícies opacas com volumes). 

Primitivas de renderização: pontos, linhas, 

polígonos, faixas de triângulos, volumes. 

Renderização interactiva. 

... 




... 

Propriedades: cor ambiente, cor difusa, cor 

especular, cor das luzes e dos objectos, 

transparência, mapeamento de textura, sombreado 

- flat/Gouraud, luz anterior. 

Luzes: infinitas, pontuais. 

Câmaras: projecção paralela e perspectiva, 

controlo do azimute, do zoom e da elevação, reset. 

Criação automática de câmaras e de luzes. 

... 




... 

A programação é independente do tipo do 

renderizador (definido automaticamente em função 

da plataforma computacional). 

Modelo Gráfico: luzes iluminam a cena, câmaras 

definem o ponto de vista e o nível de zoom, actores 

definem a geometria e as propriedades – 

“semelhante a Hollywood”. 

... 




... 

Modelo Gráfico: ... possibilidade de geração automática 

ou manual do nível de detalhe dos actores, de forma a 

suportar renderização interactiva mesmo com grandes 

modelos; possibilidade de criação de grupos de 

actores; os mapeadores (Mappers), fazem a ligação da 

geometria com o pipeline de visualização; os 

renderizadores, coordenam as luzes, as câmaras e os 

actores de forma a criar imagens; volumes, são um tipo 

particular de actores, com propriedades especiais. 

Outras características: janelas e pontos de vista 

múltiplos; gravação de imagens em vários formatos 

(incluindo png, jpeg, tiff, bmp e ppm). 



Visualização 

Tipos de dados: poligonais (pontos, linhas, 

polígonos, faixas de triângulos), imagens e 

volumes (conjuntos de pontos estruturados), 

grelhas estruturadas, grelhas não estruturadas, 

pontos não estruturados, grelhas rectangulares. 

Tipos de células (2D/3D): vértice, polivértice, 

triângulo, faixa de triângulos, pixel, quadrilátero, 

polígono, tetraedro, voxel, hexaedro, cunha, 

pirâmide. 

... 




... 

Tipos de atributos: escalares, vectores, tensores 

(3x3), normais, coordenadas de textura. 

Algoritmos escalares: mapeamento colorido, 

isocontorno, binarização, geração de escalares a 

partir de outros dados. 

... 




... 

Alguns algoritmos vectoriais incluídos: hedgehogs, 

streamlines, dashed streamlines, stream points, 

stream surfaces, streampolygon, displacement 

plots/warping. 

Alguns algoritmos tensoriais incluídos: tensor 

ellipsoids, tensor glyphs, hyper-streamlines. 

... 




... 

Visualização de informação (coordenadas paralelas, 

redução dimensional, etiquetas programáveis). 

Algoritmos de modelamento incluídos: esferas, 

cones, cilindros, cubos, linhas, planos, ..., eixos, 

cursores, texto, modelamento implícito, decimização, 

binarização, operações booleanas, etiquetas, corte, 

geração das normais, conectividade, geração de 

faixas de triângulos, extrusão linear e de rotação, 

varrimento de superfícies e de volumes, ... 




... visualização de pontos não estruturados, 

acrescentar, fundir e filtrar dados, triangulação 

2D/3D de Delaunay, suavização de malhas, 

reconstrução de superfícies. 

Importação e exportação de dados em vários 

formatos: stereo-lithography, MOVIE.BYU, 

Cyberware, Inventor, 3D Studio, PLOT3D, PNM, 

RIB, SLC, TIFF , VRML, Wavefront. 

Visualização de anotações: texto 2D/3D, barras 

escalares, gráficos x-y. 



Imagem 

Pode ser utilizado com grandes volumes de dados. 

A maior parte dos filtros são de implementação 

paralela (transparente ao utilizador). 

Integração total com o pipeline gráfico. 

Tipos de filtros de imagem incluídos: difusão, 

Butterworth, dilatação, erosão, esquelitização, 

convolução, diferença, aritmético, magnitude, 

divergência, gradiente, média, distância, FFT, 

Fourier, Gaussian, Sobel, histograma, binarização, 

permutação, conversão. 



Vantagens 

Gratuito; 

Facilmente criam-se aplicações gráficas, de 

processamento de imagem ou de visualização; 

Código fonte C ++ disponibilizado; 

Facilmente derivam-se novas classes; 

Possibilidade de prototipagem ou 

desenvolvimento de aplicações utilizando 

linguagens interpretativas (Tcl, Python, e Java); 

... 



Vantagens 

... 

Interfaces podem ser criadas rapidamente com 

bibliotecas adequadas para o desenvolvimento 

de interfaces, por exemplo, Tk ou Java; 

Biblioteca de renderização independente da 

plataforma (MS Windows, Unix, Mac); 

Vários algoritmos úteis e avançados incluídos; 

Sistema integrado de software; 

Permite a conversão de dados em imagens; 

... 



Vantagens 

... 

Filosofia orientada para objectos; 

Fortemente testado em aplicações reais; 

Elevado suporte disponível; 

Suporte comercial existente. 

Desvantagens 

Um motor gráfico não “super rápido”; 

Código C ++ ; 

Pesado, é preciso um sistema “decente” para o utilizar 

com eficácia. 


Exemplos de aplicação do VTK 

Simulação 

Área Médica 

CT / MRI / Ultrasound 

Área Financeira 

Modelamento 



Visualização Médica 

Visualização de fluxo 

C.F.D 

G.I.S 

Visualização Tensorial Renderização de volumes 



Imagem Médica 

Modelamento 



Mapeamento 

Geofísico 

Visualização do fluxo de componentes 



Renderização de volumes 

Dados 

Software 

Hardware 



Extracção de Iso-superfícies 



Visualização de campos 

vectoriais 


Exemplos de aplicação do VTK (algoritmos) 

Sample F(x,y,z) Point Array 

Surface 

countour 

Renderer 

Extract Plane 

Line Contour 

Superfícies de contorno Planos extraídos Linhas de contorno 



CT Scan de uma cabeça humana 

Filtros/classes vtk: vtkContourFilter e vtkCutter 



Energia e densidade de fluxo numa câmara de combustão 

Filtros/classes vtk: 

vtkProbeFilter e vtkContourFilter 


vtkCutter e vtkWarpVectors 



Filtros/classe vtk: vtkHedgeHog 

Fluxo do sangue numa artéria 

Filtros/classes vtk: vtkContourFilter, 

vtkStreamLines e vtkTubeFilter 



Escoamento em torno de um elemento 

Filtros/classes vtk: vtkStreamLines, 

vtkTubeFilter, vtkDataSetMapper 

e vtkCutter 

Modelo CAD de um motor 


vtkPolyDataMapper 

e vtkTextureThreshold 


Arquitectura do sistema VTK 

O VTK é composto por um núcleo (core) compilado (escrito em 

linguagem C ++ ) com as devidas interfaces para várias linguagens 

interpretadas. 

Interpreter 

C ++ 

core 

Interpreted Wrapper (Tcl, Java, Python) 

•Tcl/Tk shell 

•Interpretador Java 

•Interpretador Python 

Bibliotecas e includes 

(ficheiros dll, bin e .h) 

ou 

(ficheiros .a e .h) 

Instalação Binária: para utilizar 

as classes no desenvolvimento 

de uma aplicação 

Núcleo C ++ 

•Fonte Tcl/Tk 

•Java JDK 

•Fonte Python 

Código fonte de todas 

as classes (pode levar 

horas a compilar) 

Instalação do código 

fonte: para estender o 



Modelos do VTK 

Modelo Gráfico - criação da cena; 

Modelo de Visualização - transformação da 

informação em dados gráficos. 

Objectos Gráficos: Renderização (rendering); 

Objectos de Visualização: Geração da 

Geometria. 

Sistema do fluxo de dados: pipeline de execução 

Dados (fonte) Visualização Gráficos 



Dados 

Leitura 

Source 

(Reader) 

Modelo de Visualização 

Source 

(Procedural) 

Processamento 

Filter 

Mapper 

(Writer) 

Escrita 

Criação de 

novos dados 

Mapper 

Transformação 

dos dados em 

primitivas 

gráficas 

Modelo Gráfico 

Representação 



Exemplo: 

f(x,y,z) 

amostragem 


computacional 

Transformação 

(visualização) 


gráfica 

(renderização) 


Modelo de visualização do VTK 

Objectivos: 

Transformar os dados em primitivas gráficas; 

Construir a representação geométrica dos objectos a 

representar. 

Baseado numa filosofia de pipeline 

A transformação dos dados é decomposta em módulos; 

Cada módulo realiza uma operação precisa sobre os 

dados (transformação); 

Os módulos são ligados entre si de forma a formarem 

uma saída do pipeline; 

Os dados fluem no interior do pipeline, passando de um 

módulo para outro. 



Dois tipos de objectos: 

Objectos data (dados) 

Dados que fluem no interior do pipeline; 

Designados por datasets (conjuntos de dados). 

Objectos process (processos) 

Módulos ou composições algorítmicas do pipeline. 

Process A 

saída 

entrada 

Process B Process C 

dataset A dataset B 



Objectos process 

Source 

Início do pipeline 

•Leitura de dados externos; 

•Geração de novos dados. 

Source 

nenhuma entrada 

≥ 1 saída 

Objecto 

Process 

Filter 

Processamento dos 

objectos dados 

•Recebe uma ou mais 

entradas; 

•Gera uma ou mais saídas. 

Filter 

≥ 1 entrada 

≥ 1 saída 

Mapper 

Fim do pipeline 

•Gerar primitivas gráficas; 

•Comunicação com o 

modulo gráfico. 

Mapper 

≥ 1 entrada 

nenhuma saída 



Fonte 

Objecto 

data 

Fonte 

Objecto 

data 

Filtro 

Objecto 

data 

Filtro 

Objecto 

data 

Filtro 

Objecto 

data 

Exemplo 

Mapeador 

Modelo 

gráfico 



Exemplo (Tcl) 

vtkSphereSource sphere 

sphere SetRadius 5 

sphere SetThetaResolution 36 

sphere SetPhiResolution 18 

vtkPolyDataMapper isoMapper 

isoMapper SetInput [sphere GetOutput] 

isoMapper ScalarVisibilityOn 

vtkActor isoActor 

isoActor SetMapper isoMapper 

eval [isoActor GetProperty] SetColor 0.2 0.63 0.79 

vtkRenderer ren1 

ren1 AddActor isoActor 

ren1 SetBackground 1 1 1 

vtkRenderWindow renWin 

renWin AddRenderer ren1 

renWin SetSize 500 500 

vtkRenderWindowInteractor iren 

iren SetRenderWindow renWin 

iren Initialize 

Source - Fonte 

Mapper - Mapeador 

Actor 

Renderer 

Render Window 



Objectos data ou dataset 

Um dataset (conjunto de dados) é constituído por: 

Estrutura topológica (lista de células) 

Determina a forma do objecto (triangular, esférica, de malha, 

etc.); 

Invariável a certas transformações geométricas (translação, 

rotação e escalamento); 

Um objecto é composto por uma ou mais células. 

Estrutura geométrica (lista de pontos) 

Instância da estrutura topológica; 

Coordenadas dos pontos que constituem as células (vértices). 

Atributos 

objecto data 

ou dataset 

Informação complementar associada aos pontos e às células 

(ex. temperatura num ponto, massa de uma células, etc.) 


Modelo de imagem do VTK 

Pipeline de imagem – um caso especial do pipeline de 

visualização; 

Desenhado apenas para suportar dados do tipo 

vtkStructuredPoints (pontos estruturados); 

Um conjunto de pontos estruturados são dados distribuídos 

regularmente num array alinhado com o sistema de eixos; 

Conjunto de pontos 2D – imagens, mapas de pixéis (pixmaps) e 

mapas de bits (bitmaps); 

Conjunto de pontos 3D – volumes (uma pilha “stack” de 

imagens 2D - slices); 

Os filtros envolvidos têm sempre à entrada e à saída conjuntos 

de pontos estruturados; 

Devido à natureza regular dos dados: 

Os dados podem ser “divididos em parcelas rectangulares”; 

O pipeline de imagem pode ser multithreaded. 


Pipeline de execução do VTK 

Direcção do método Update() 

Modelo de Visualização Modelo Gráfico 

Source Filter Mapper Actor 

Direcção do fluxo de dados 

(geração dos dados através do método ExecuteData()) 

Render 


Modelo gráfico do VTK 

Objectivo 

Transformar dados gráficos em imagens e representar no 

ecrã. 

Reagrupa as características de um sistema gráfico 3D. 

Principais classes do modelo gráfico do VTK: 

Render Window 

Renderer 

Light 

Camera 

Actor 

Property 

Transform 

Mapper 



Ecrã 

O objectivo é renderizar a geometria (volume) no ecrã. 

Câmara 

Actor 

J. Tavares / J. Barbosa Visualização Cientifíca - Introdução ao VTK 58 

Luz


O objectivo é renderizar a geometria (volume) no ecrã. 

Classes VTK 

vtkCamera 

vtkRenderWindow 

vtkRenderWindowInteractor 

vtkActor 

•vtkProperty 

•vtkMapper 

•vtkTransform 

vtkLight 

vtkRenderer 



Exemplo 

vtkCamera 

2 vtkRenderer vtkLight 

vtkActor 

1 vtkRenderWindow 

(property, geometry (mapper), transformation, etc.) 



Exemplo 

Viewport 

Actor : Property 

Transform 

Mapper 

Render Window 

Renderer : 

Camera 

Light 



Render Windows 

Renderer 

Gere a(s) janela(s) na qual serão 

representados as imagens ou os 

objectos gráficos; 

Assegura as funcionalidades por 

defeito de uma janela windows; 

Independente dos dispositivos gráficos (hardware); 

Gere o agrupamento dos renders contidos na janela: 

Vários renders podem ser agrupados numa mesma 

janela (render window) de forma a criar uma cena 

(imagem final). 



Classe vtkRenderWindow 

Métodos: 

Adicionar / remover um renderer: 

AddRenderer (vtkRenderer) 

RemoveRenderer (vtkRenderer) 

Configuração do ecrã: 

FullScreenOn () / FullScreenOff () 

BordersOn () / BordersOff () 



Renderer 

Coordena a(s) fonte(s) de luz, a câmara e os actores de forma a 

gerar a imagem de uma cena. 

Um cena é composta: 

Pelo menos por um actor, uma câmara e uma fonte de luz; 

Se os objectos câmara e luz não são definidos, então são 

criados automaticamente pelo renderer. 

Actor: o objecto visível 

Luz: representa e 

manipula a 

Câmara: determina a 

iluminação da cena 

projecção da geometria 

(em 3D) 

3D numa imagem 2D 



Classe vtkRenderer 

Métodos 

Adicionar / remover actores e luzes: 

AddActor (vtkActor) / RemoveActor (vtkActor) 

AddLight (vtkLight) / RemoveLight (vtkLight) 

Determinar a câmara a utilizar na renderização: 

SetActiveCamera (vtkCamera) 

Criar as imagens resultantes da renderização: 

Render 

Conversão de coordenadas: 

ViewToWorld (float, float, float) / WorldToView (float, float, float) 

y 

y 

Mundo Vista 

x 

x 

z 



Classe vtkLight 

Métodos 

Definir / obter a cor da iluminação: 

SetColor (float , float , float) / GetColor () 

Definir / obter a posição da fonte de luz: 

SetPosition (float , float , float ) / GetPosition () 

Definir / obter a intensidade (de 0 a 1): 

SetIntensity (float ) / GetIntensity () 

Ligar / Desligar uma fonte de luz: 

SwitchOn () / SwitchOff () 



Classe vtkCamera 

Métodos 

Definir / obter a posição da câmara em coordenadas mundo: 

SetPosition (float ,float ,float ) / GetPosition () 

Definir / obter a posição do ponto focal da câmara: 

SetFocalPoint (float ,float ,float ) / GetFocalPoint () 

Calcular a distância entre a posição da câmara e o seu ponto 

focal: 

ComputeDistance () 

Posição 

Plano anterior 

de clipping 

Plano posterior 

de clipping 

Ponto focal 

Direcção de 

projecção 



Actor 

O objecto representado por um 

renderer numa cena. 

Um actor não representa 

directamente a sua geometria 

nem a sua aparência. 

Tais características são definidas 

utilizando os objectos: 

Property 

Mapper 

Transform 

Actor 



Classe vtkActor 

Métodos 

Associar / obter o objecto property que determina as 

propriedades de aparência do actor: 

SetProperty (vtkProperty) / GetProperty () 

Por defeito um objecto property é criado; 

Vários actores podem partilhar o mesmo objecto property. 

Associar / obter o objecto mapper que determina a geometria 

do actor: 

SetMapper (vtkMapper) / GetMapper () 

Definir a matriz de transformação que determina a escala, 

a posição e a orientação do actor: 

SetUserMatrix (vtkMatrix4x4 *) 



Classe vtkActor 

Geralmente, as propriedades e as transformações não são 

definidas explicitamente. Os seus valores são determinados 

durante a criação do actor. 



Property 

Determina a aparência da superfície do actor. 

Classe VTK : vtkProperty. 

Métodos 

Tipo de representação da geometria da superfície: 

SetRepresentationToPoints () 

SetRepresentationToWireframe () 

SetRepresentationToSurface () 

Definição da cor da superfície: 

SetColor (float , float , float ) 

Definir a transparência da superfície (0 - transparente, 

1.0 - opaca): 

SetOpacity (float ) 



Mapper 

Liga o modelo de visualização e o modelo gráfico. 

Determina a geometria do actor. 

Combinação de pontos (nodos), linhas, polígonos, 

etc. 

Definição da cor dos nodos (vértices). 

Faz referência a uma palete de cores. 

Todos os actores devem ter um objecto mapper 

associado de forma a serem representados no ecrã. 

Classes VTK : vtkMapper, vtkPolyDataMapper, 

vtkDataSetMapper. 



Classe vtkPolyDataMapper 

Métodos 

Especificar os dados de entrada para o mapper (nodos): 

SetInput (vtkPolyData) 

Associar uma palete de cores: 

SetLookupTable (vtkLookupTable) 

Criar uma palete de cores por defeito: 

CreateDefaultLookupTable () 

Determinar se a renderização é de maneira imediata ou 

não: 

ImmediateModeRenderingOn () 

ImmediateModeRenderingOff () 

(Usada para estruturas poligonais.) 



Classe Transform 

Guarda uma pilha de matrizes de transformação; 

Apenas uma matriz de transformação activa 

(corrente); 

Disponibiliza métodos para efectuar as operações de 

translação, escalamento e rotação. 

Translação Escalamento Rotação 



Classe Transform 

Translação 

⎡x'⎤ 

⎡1 

0 0 tx⎤ 

⎡x⎤ 

⎢ 

y' 

⎥ ⎢ 

0 1 0 ty 

⎥ ⎢ 

y 

⎥ 

⎢ ⎥ = ⎢ ⎥• 

⎢ ⎥ 

⎢z' 

⎥ ⎢0 

0 1 tz⎥ 

⎢z⎥ 

⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ 

⎣w'⎦ 

⎣0 

0 0 1⎦⎣1⎦ Translação (tx,ty,tz) 

Escalamento 

⎡sx 

0 0 0⎤ 

⎢ 

0 sy 0 0 

⎥ 

Ts = ⎢ 

⎥ 

⎢ 0 0 sz 0⎥ 

⎢ 

⎥ 

⎣ 0 0 0 1⎦ 

Escalamento (sx,sy,sz) 

Rotação 

⎡1 

0 0 0⎤ 

⎢ 

− 

⎥ 

TR 

⎢ 

0 cosθ sinθ 

0 

⎥ 

x= ⎢0 

sinθ cosθ 

0⎥ 

⎢ 

⎥ 

⎣0 0 0 1⎦ 

Rotação θ em torno 

de x 



Classe vtkTransform 

Métodos 

Criar uma matriz identidade: 

Identity () 

Criar uma matriz rotação e combina-la com a matriz de 

transformação corrente: 

RotateX (float), RotateY (float ), RotateZ (float ) 

Escalar a matriz de transformação corrente: 

Scale (float , float , float ) 

Transladar a matriz de transformação corrente: 

Translate (float , float , float ) 

Transpor matriz de transformação corrente: 

Transpose () 

Inverter a matriz de transformação corrente: 

Inverse () 


Pipeline de visualização do VTK 

O VTK utiliza o modelo funcional de um pipeline de visualização para 

transformar dados em imagens ou em geometria (ecrã/ficheiros). 

Source Objects Filter Objects Mapper Objects 

O pipeline é composto por: 

•Source Objects: interface para dados externos, ou dados devidamente 

gerados (ex. vtkPLOT3DReader) 

•Filter Objects: operam nos dados dos Source objects e geram a 

geometria e/ou as imagens (ex. vtkContourFilter) 

•Mapper Objects: transformam e processam os dados resultantes de um 

Filter Object de forma a serem representados no ecrã ou escritos num 

ficheiro (ex. vtkPolyDataMapper) 



Conexões 

Os elementos do pipeline de 

visualização são conectados 

em C ++ com os comandos: 

Filter->SetInput(Source->GetOutput()); 

Define a saída de uma fonte 

como entrada de um filtro. 

Em tcl: 

Filter SetInput [Source GetOutput] 



PseudoPrograma Exemplo 

Main() { 

create a window; 

create a renderer; give the renderer 

to the window; 

create procedural geometry; 

create a mapper; give the geometry 

to the mapper; 

create an actor; give the mapper to 

the actor; 

} 

give the actor to the renderer; 

window->render(); 

Window 

Renderer 

Actor 

Mapper 

Geometry 



Exemplo de pipeline 

vtkSphereSource 


vtkConeSource 

vtkGlyph3D 


(2 actores) 

Mace.tcl 



Sources Filters Mappers 

vtkDataSet vtkDataSet 

File Output 

Props 

(continua...) 

Uma source/filter pode ser ligada a mais do que um filter/mapper. 



(...continuação) 

Props 

Props 

Props 

(ex. Actor/Volume) 

vtkProperty 

Renderer 

vtkCamera, 

vtkLight 

(São criados 

por defeito) 

Render 

Window 

vtkRenderWindowInteractor 



Exemplo: Criação de uma isosuperfície de uma proteína 

//Create the RenderWindow and Renderer 

vtkRenderer *ren = vtkRenderer::New(); 

vtkRenderWindow *renWin = 

vtkRenderWindow::New(); 

renWin->AddRenderer(ren); 

//Read in the Data 

vtkStructuredPointsReader *reader = 

vtkStructuredPointsReader::New(); 

reader->SetFileName(“ironProt.vtk”); 

C ++ Tcl 

#Create the RenderWindow, Renderer 

vtkRenderer ren 


renWin AddRenderer ren 

# Read in the Data 

vtkStructuredPointsReader reader 

reader SetFileName “ironProt.vtk” 



...Exemplo: Criação de uma isosuperfície de uma proteína 

//Setup the pipeline 

vtkContourFilter *iso = 

vtkContourFilter::New(); 

iso->SetInput(reader->GetOutput()); 

iso->SetValue(0, 128.0f); 

C ++ Tcl 

vtkPolyDataMapper *isoMapper = 

vtkPolyDataMapper::New(); 

isoMapper->SetInput(iso->GetOutput()); 

isoMapper->ScalarVisibilityOff(); 

# Setup the pipeline 

vtkContourFilter iso 

iso SetInput [reader GetOutput] 

iso SetValue 0 128 


isoMapper SetInput [iso GetOutput] 

isoMapper ScalarVisibilityOff 



C ++ ...Exemplo: Criação de uma isosuperfície de uma proteína 

Tcl 

//Terminate the pipeline 

vtkActor *isoActor = vtkActor::New(); 

isoActor->SetMapper(isoMapper); 

//Set the color of the Actor 

vtkProperty *prop = 

isoActor->GetProperty(); 

prop->SetColor(1, 0, 0); 

//Add the Actor to the renderer 

ren->AddActor(isoActor); 

//Render the image 

renWin->Render(); 

# Terminate the pipeline 



# Set the color of the Actor 

vtkProperty prop 

set prop [isoActor GetProperty] 

prop SetColor 1 0 0 

# Add the Actor the the renderer 

ren AddActor isoActor 

# Render the image 

renWin Render 



... Exemplo: Criação de uma isosuperfície de uma proteína 

Imagem resultante 



Exemplo (C ++ ) 

// creating a rendering environment… 

vtkRenderer * renderer = vtkRenderer::New(); 

vtkRenderWindow * renderWindow = vtkRenderWindow::New(); 

renderWindow->AddRenderer(renderer); 

// creating an object ( source, mapper, actor )… 

vtkConeSource * cone = vtkConeSource::New(); 

vtkPolyDataMapper * coneMapper = vtkPolyDataMapper::New(); 

coneMapper->SetInput(cone->GetOutput()); 

vtkActor * coneActor = vtkActor::New(); 

coneActor->SetMapper(coneMapper); 

// assign the object to the rendering environment, 

// and render the scene… 

renderer->AddActor(coneActor); 

renderWindow->Render(); 



Exemplo (aplicação de um filtro - C ++ ) 

// creating a sphere object… 

vtkSphereSource * sphere = vtkSphereSource::New(); 

// and a filter to apply to the sphere… 

vtkElevationFilter * elevationFilter = vtkElevationFilter::New(); 

elevationFilter->SetInput((vtkDataSet *) sphere->GetOutput()); 

elevationFilter->SetLowPoint(0,0,-1); 

elevationFilter->SetHighPoint(0,0,1); 

// assign the filter to a mapper… 

vtkDataSetMapper * mapper = vtkDataSetMapper::New(); 

mapper->SetInput(elevationFilter->GetOutput()); 

// create an actor… 

vtkActor * actor = vtkActor::New(); 

Actor->SetMapper(mapper); 



Interacção com o utilizador 

A classe vtkRenderWindowInteractor permite que o utilizador 

interaja com os objectos gráficos; por exemplo: 

Teclas pressionadas: 

w: modo wireframe; 

s: modo surface; 

r: reset da transformação; 

3: comutar para modo stereo; 

c/o: modo câmera ou modo objecto; 

j/t: modo joystick ou modo trackball; 

e: sair da aplicação. 

Botões do rato: 

botão 3 (dir.): zoom; botão 2: pan; botão 1 (esq.): rotate. 



Interacção com o utilizador exemplo (C ++ ): 

vtkRenderWindowInteractor * interactor = vtkRenderWindowInteractor::New(); 

vtkRenderWindow * renderWindow = vtkRenderWindow::New(); 

vtkRenderer * renderer = vtkRenderer::New(); 

// creating an actor, and add it to the renderer… 

renderer->AddActor(actor); 

renderWindow->Render(); 

interactor->SetRenderWindow(renderWindow); 

interactor->Start(); 



Exemplo (Tcl): 

vtkSphereSource sphere 

sphere SetRadius 5 

sphere SetThetaResolution 36 

sphere SetPhiResolution 18 


isoMapper SetInput [sphere GetOutput] 

isoMapper ScalarVisibilityOn 



eval [isoActor GetProperty] SetColor 0 0 0.8 

vtkRenderer ren1 

ren1 AddActor isoActor 

ren1 SetBackground 1 1 1 


renWin AddRenderer ren1 

renWin SetSize 500 500 

vtkRenderWindowInteractor iren 

iren SetRenderWindow renWin 

iren Initialize 

Source 

Mapper 

Actor 

Renderer 

Render Window 


Dados suportados no VTK: Células 

Átomos que constituem um conjunto de dados; 

Uma célula é uma organização topológica de 

pontos (coordenadas x, y, z); 

Definidas por: 

Tipo; 

Lista ordenada 

de pontos. 

Objecto 

Célula 

Tetraedro 

Malha = lista de triângulos 

Triângulo = lista de pontos 

J. Tavares / J. Barbosa Visualização Cientifíca - Introdução ao VTK 92 

2 

3 

0 

1 

4 

7 

0 

3 

1 

5 

2 

6 

Hexaedro

Dados suportados no VTK: Tipos de células 

Vertex 

Polyvertex 

Line 

Polyline 

Triangle 

Triangle Strip 

Quadrilateral 

Pixel 

Polygon 

Tetrahedron 

Hexahedron 

Voxel 


Dados suportados no VTK: Tipos de células 

Classe vtkCell definida 

no VTK 4.2 


Dados suportados no VTK: Conjuntos de dados 

Pontos estruturados 

(Structured Points) 

Grelha estruturada 

(Structured Grid) 

Grelha rectangular 

(Rectilinear Grid) 

Dados poligonais 

(Polygonal Data) 

Pontos não estruturados 

(Unstructured Points) 

Grelha não estruturada 

(Unstructured Grid) 



Pontos estruturados Grelha rectangular 

vtkStructuredPoints 

Imagens 2D e 3D 

vtkRectilinearGrid 

Malha rectangular 

Grelha estruturada Dados poligonais 

vtkStructuredGrid 

Malha 2D 

vtkPolyData 

Pontos, linhas, 

Grelha não estruturada 

polígonos 

vtkUnstructuredGrid 

Malhas 2D/3D não estruturadas 

(classes vtk para conjuntos de 

dados e exemplos de utilização) 



Classe vtkDataSet definida no VTK 4.2 



Structured Points (pontos estruturados) 

O formato mais regular para grelhas; 

O tipo de dado mais compacto – a 

geometria do conjunto de dados é 

definida com um reduzido número de 

linhas de pequeno comprimento; 

Ideal para imagens 1D, 2D e 3D 

envolvendo pixels e voxels (por 

exemplo de CTscans e outros dados 

amostrados de forma regular). 



Rectilinear Grid (grelha rectangular) 

Topologia regular, geometria 

semiregular alinhada com os eixos 

de coordenadas x-y-z; 

Geometria especificada por 3 listas 

(x, y, z) de coordenadas com valor 

crescente. 



Structured Grid (grelha estruturada) 

Topologia regular, geometria irregular 

(por exemplo, uma “grelha 

curvilínea”); 

A lista dos pontos que definem o 

domínio dos dados é ordenada por 

coluna. 



Polygonal Data (dados poligonais) 

Combinações arbitrárias de 

primitivas gráficas de superfície; 

Uma lista de pontos seguida por 

uma ou mais listas descrevendo a 

geometria: colecções de vértices, 

linhas, polígonos ou faixas de 

triângulos; 

Este tipo de dados é derivado 

frequentemente das várias 

operações do visualização (como 

por exemplo, determinação de 

contornos). 



Unstructured Grid (grelha não estruturada) 

Topologia irregular e geometria irregular; 

É necessária a lista dos vértices no domínio 

dos dados, assim como a lista das células 

devidamente indexadas na lista dos vértices 

de cada célula. Uma lista do tipo das células 

também é necessária. 


Dados suportados no VTK: Exemplos de 

malhas 

As células podem ter diferentes formas e tamanhos: 

2D : triângulos, quadriláteros, ... 

3D : tetraedros, hexaedros, pirâmides, … 

As malhas podem conter um ou mais tipo de células. 


Dados suportados no VTK: Tipos de atributos 

associados aos pontos e às células 

Escalar 

s 

Valor simples 

Coordenadas de textura 

2D: (u,v) 

3D: (u,v,w) 

t 

s 

Vector 

(u,v,w) 

Correspondência 

entre um índice e 

uma tabela de 

texturas 

Tabela de dados 

Norma e 

direcção (3D) 

Array 0 Array 1 . . . 

Array n-1 

Tensor 

Normal 

(n x,n y,n z) 

|n| = 1 

a 11 a 12 a 13 

a 21 a 22 a 23 

a 31 a 32 a 33 

Direcção (3D) 

Matriz (n x n) 

Tabela de arrays 

Cada array pode ser 

de tipo diferente 




Informação associada a cada vértice de uma 

célula: 

Escalares (scalars): por exemplo, temperatura, 

pressão, ...; 

Vectores (vector): por exemplo, velocidades, 

acelerações, ...; 

Normais (normals): vectores normais à 

superfície; 

Coordenadas de textura (texture coordinates): 

gráficos específicos; 

Tensores (tensors): matrizes. 




Classes vtkFieldDataSet e vtkDataSetAtributes definidas no 

VTK 4.2 




Classe vtkDataArray 

definida no VTK 4.2 

Utilizada para 

arrays de dados de 

determinado tipo. 


Formato de ficheiros do VTK 

# vtk DataFile Version X.0 Header 

Cool data Title 

ASCI I BINARY Data Type 

DATASET type Geometry 

type is one of: 

STRUCTURED_POINTS 

STRUCTURED_GRID 

RECTILINEAR_GRID 

UNSTRUCTURED_GRID 

POLYDATA 

FIELD 

POINT_DATA n Dataset attributes 

… 

CELL_DATA n 

… (Ver o documento VTK File Format em 

http://www.vtk.org/pdf/file-formats.pdf) 


Exemplo 


# vtk DataFile Version 3.0 

vtk output 

ASCII 

DATASET POLYDATA 

POINTS 119 float 

197 192 53 196 186 53 201 188 51 

161 192 55 168 192 45 165 197 39 

... 

POLYGONS 219 876 

3 0 1 2 

3 3 4 5 

3 6 7 8 

... 

POINT_DATA 119 

SCALARS scalars float 

LOOKUP_TABLE default 

53 53 51 55 45 39 71 69 76 

61 68 58 40 62 37 40 65 36 

... 


Exemplo 



vtk output 

ASCII 



0.367063 0 0.333333 0.350198 0.040716 0.333333 0.259553 0.259553 0.333333 0.218837 0.276418 0.333333 -1.60449e-008 0.367063 

0.333333 -0.040716 0.350198 0.333333 -0.259553 0.259553 0.333333 -0.276418 0.218837 0.333333 -0.367063 -3.20897e-008 0.333333 - 

0.350198 -0.040716 0.333333 -0.259553 -0.259553 0.333333 -0.218837 -0.276418 0.333333 4.37719e-009 -0.367063 0.333333 0.040716 - 

0.350198 0.333333 0.259553 -0.259553 0.333333 0.276418 -0.218837 0.333333 

LINES 16 48 

2 0 1 

2 1 2 

2 2 3 

2 3 4 

2 4 5 

2 5 6 

2 6 7 

2 7 8 

2 8 9 

2 9 10 

2 10 11 

2 11 12 

2 12 13 

2 13 14 

2 14 15 

2 15 0 

POINT_DATA 16 

SCALARS scalars float 


0.333333 0.333333 0.333333 0.333333 0.333333 0.333333 0.333333 0.333333 0.333333 0.333333 0.333333 0.333333 0.333333 0.333333 

0.333333 0.333333 


Exemplo 



A Simple Matrix of values 

ASCII 

DATASET STRUCTURED_POINTS 

DIMENSIONS 10 5 1 

ORIGIN 0 0 0 

SPACING 1 1 1 

POINT_DATA 50 

SCALARS values float 


0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 

0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 

0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 

0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 


Exemplo 



Line representation of vtk 

ASCII 



0.0 2.0 0.0 

1.0 0.0 0.0 

2.0 2.0 0.0 

3.0 0.0 0.0 

3.0 3.0 0.0 

2.5 2.0 0.0 

3.5 2.0 0.0 

4.0 0.0 0.0 

4.0 3.0 0.0 

5.0 2.0 0.0 

4.0 1.0 0.0 

5.0 0.0 0.0 

LINES 5 17 

3 0 1 2 

2 3 4 

2 5 6 

2 7 8 

3 9 10 11

Introdução ao VTK

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