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Visualização Científica –Algoritmos de Visualização usando o VTK

João Manuel R. S. TavaresJorge Gomes Barbosa

J. Tavares / J. Barbosa Visualização Científica – Algoritmos de Visualização usando o VTK 2

Sumário1. Bibliografia.2. Criação directa e manual de objectos primitivos (cones,

cilindros, esferas, cubos, grelhas).3. Criação de vários renderers numa janela de visualização e

de várias janelas de visualização.4. Posicionamento de geometrias nos vértices de um dado

objecto.5. Visualização de funções matemáticas.6. Criação de imagens de renderização e de objectos de texto. 7. Leitura e visualização de objectos poligonais definidos em

ficheiros ascii.8. Simplificação (redução) e suavização de malhas poligonais.9. Triangulação de conjuntos de pontos 2D/3D não estruturados.10. Visualização de imagens.11. Aplicação de filtros em imagens.12. Escrita de imagens em diferentes formatos.

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Bibliografia• The Visualization Toolkit (3rd Edition)

Will Schroeder, Ken Martin, Bill LorensenISBN 1-930934-07-6Kitware, Inc. publishers

• VTK User’s Guide (VTK 4.2)Will Schroeder, Ken MartinISBN 1-930934-08-4Kitware, Inc publishers

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

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Criação directa da geometria• O VTK dispõe de funções para criação de forma

directa da geometria de vários objectos primitivos, por exemplo:– vtkConeSource;– vtkSphereSource;– vtkCylinderSource ...

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1º Exercício• Criação de um cone vermelho com centro em (0, 0,

0), um cilindro verde com centro em (1, 0, 0) e uma esfera azul com centro em (2, 0, 0), com um renderer, uma janela de visualização e interacção.

Libs necessárias: vtkFiltering.libvtkGraphics.libvtkRendering.lib

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1º Exercício

Criação da geometria de um cone.

Definição da cor.

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1º ExercícioCriação da geometria de um cilindro e definição do centro.

Criação do actor do cilindro e definição da cor.

Criação da geometria de uma esfera e definição do centro.

Criação do actor da esfera e definição da cor.

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1º Exercício

Criação da janela de visualização.

Criação da interacção.

Criação do renderer.

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1º Exercício

Apagar objectos.

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2º Exercício• Criação de um cone vermelho, um cilindro verde e

uma esfera azul, com três renderers (um para cada objecto), uma janela de visualização e interacção.

Libs necessárias: vtkFiltering.libvtkGraphics.libvtkRendering.lib

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2º Exercício

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2º Exercício

Definição dos renderers, dos backgrounds e das % de cada um na janela, definição da janela e definição da interacção.

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2º Exercício

... Definição dos renderers, dos backgrounds e das % de cada um na janela, definição da janela e definição da interacção.

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2º Exercício

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3º Exercício• Criação de um cone vermelho, um cilindro verde e

uma esfera azul, com três renderers (um para cada objecto) e três janelas de visualização (uma para cada renderer) com interacção.

Libs necessárias: vtkFiltering.libvtkGraphics.libvtkRendering.lib

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3º Exercício

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3º Exercício

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3º Exercício

Definição das janelas.

Definição das interacções.

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3º Exercício

Renderização e início das interacções.

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4º Exercício• Criação de um cone azul e de uma esfera castanha,

numa janela de visualização com dois renderers (um para cada objecto), e um cubo tijolo numa janela de visualização independente, as duas janelas devem ter interacção.

Libs necessárias: vtkFiltering.libvtkGraphics.lib vtkRendering.lib

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4º Exercício

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4º Exercício

Definição da % de cada renderer na janela 1 e definição dos backgrounds.

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4º Exercício

...Definição da % de cada renderer na janela 1 e definição dos backgrounds.

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Definição manual da geometria• A geometria de um objecto pode ser definida

manualmente através da especificação dos seus pontos (incluindo as coordenadas de cada ponto) e das suas células (incluindo, para cada célula, o respectivo tipo e os vértices que a constituem).

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5º Exercício• Criação de uma grelha rectangular a partir de um

volume de dimensões 47x33x44 com as coordenadas:

Libs necessárias: vtkCommon.libvtkFiltering.lib vtkGraphics.libvtkRendering.lib

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5º Exercício

Coordenadas x, y e z de cada ponto.

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5º Exercício

Arrays para as coordenadas x, y e z de cada ponto.

Definição do volume.

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5º Exercício

Extracção de uma grelha a partir da intercepçãodo volume com um plano.

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5º Exercício

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6º Exercício• Criação manual de um cubo de vértices e células:

Libs necessárias: vtkCommon.libvtkFiltering.lib vtkGraphics.libvtkRendering.lib

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6º Exercício

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6º ExercícioCoordenadas x, y de cada vértices.

Vértices de cada célula.

Criação dos vértices, das células e dos escalares.

Criação da geometria do cubo.

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6º Exercício

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Posicionamento de geometrias em vértices

• O VTK disponibiliza filtros para a criação de geometrias especificadas (2D/3D), e posteriormente posicionamento nos vértices de um dado objecto, segundo uma determinada orientação e escala:– vtkGlyph2D;– vtkGlyph3D.

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7º Exercício• Criação de uma esfera com cones representados nos

seus vértices, com a direcção das normais e escalados segundo as magnitudes das mesmas.

Libs necessárias: vtkFiltering.libvtkGraphics.lib vtkRendering.lib

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7º Exercício

Objecto com os vértices de destino.

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7º Exercício

Objecto a usar “como marca”.

Criação “das marcas”.

Definição de um actor para “as marcas”.

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7º Exercício

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Visualização de funções• O VTK é adequado para visualizar funções 2D e 3D.

Por exemplo, visualizaçãode uma função quadrática:

VTKRenderer r

VTKQuadric q

VTKSampleFunction f

VTKContourFilter c

VTKPolyDataMapper m

VTKActor a

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8º Exercício• Visualização da equação quadrática:

F(x,y,z) = 0.5*x2 + 1.0*y2 + 0.2*z2 + 0.1*y*z + 0.2*y.Para visualizar a função deverá ser realizada uma amostragem regular pontual (por exemplo, um volume ou um conjunto de pontos estruturados), e posteriormente criados os iso-contornos da quadrática F(x,y,z) = c onde c é uma constante (o valor do iso-contorno).

Libs necessárias: vtkCommon.libvtkFiltering.libvtkImaging.libvtkGraphics.libvtkRendering.lib

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8º Exercício

Criação da quadrática.

Amostragem da quadrática.

Extracção dos iso-contornos.

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8º Exercício

Criação de uma caixa exterior que delimita o volume.

Adição dos dois actores (iso-contornos e caixa) ao renderer.

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8º Exercício

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9º Exercício• Representação das funções e das derivadas de

Bessel num plano.

Libs necessárias: vtkCommon.libvtkFiltering.lib vtkGraphics.libvtkRendering.lib

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9º Exercício

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9º Exercício

Criação de um arrayde quadrados sobre um plano.

Cálculo das funções e das derivadas.

Aplicação da transformação de escalamento aos quadrados.

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9º Exercício

... Cálculo das funções e das derivadas.

Deformação dos pontos segundo a normal respectiva.

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9º Exercício

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Imagem do conteúdo de uma janela e objectos texto

• No VTK é possível criar uma imagem com o conteúdo existente numa janela de visualização: classes vtkRendererSource (obtém os dados de um render e converte-os em pontos estruturados) e vtkWindowToImageFilter (obtém os dados de uma vtkWindow e utiliza-os como entrada do pipeline de imagem).

• O VTK também disponibiliza classes para a criação de objectos de texto: vtkTextActor (pode ser usada para colocar texto, definido pela vtkTextPropertyassociada ao objecto, numa janela), vtkTextSource(converte strings em polígonos), vtkVectorText(geração de representações poligonais de alta qualidade para caracteres).

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10º Exercício• Criação de um cone, inserção do cone em dois

renderers distintos contidos numa janela de visualização, rodar 4 vezes 45º em torno do eixo vertical a câmara activa de cada renderer, para cada rotação fazer uma imagem tiff com o conteúdo da janela de visualização.

Libs necessárias: vtkCommon.libvtkFiltering.libvtkGraphics.libvtkRendering.libvtkIo.lib

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10º Exercício

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10º Exercício

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10º Exercício

Criação dos 2 renderers e da janela de visualização.

1ª imagem tif.

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10º Exercício

2ª imagem tif.

3ª imagem tif.

4ª imagem tif.

Rotação da câmara activa de cada renderer de 1 em 1º.

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10º Exercício

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11º Exercício• Criação de uma janela interactiva com o texto

“Visualizacao Cientifica”.

Libs necessárias: vtkFiltering.libvtkGraphics.libvtkRendering.libvtkHybrid.lib

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11º Exercício

Criação do objecto com o texto desejado.

Criação do actor para o texto.

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11º Exercício

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Simplificação, suavização de malhas• O VTK tem filtros para redução do número de

triângulos que constituem malhas triangulares: vtkDecimate, vtkDecimatePro, vtkQuadricDecimation, vtkQuadricClustering.

• Para a suavização de malhas poligonais o VTKdisponibiliza os filtros: vtkSmoothPolyDataFilter(suavização Laplaciana), vtkWindowedSincPolyDataFilter (utiliza um kernel de interpolação para a função windowed sinc).

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12º Exercício• Ler um objecto de malha triangular, representar o

objecto numa janela de visualização interactiva, simplificar (reduzir) o objecto, representar o novo objecto numa outra janela interactiva, escrever o novo objecto num ficheiro vtk, indicar o número de pontos e de células que constituem cada objecto.

Libs necessárias: vtkFiltering.libvtkGraphics.libvtkRendering.libvtkIO.lib

Antes Depois da simplificação

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12º Exercício

Leitura do objecto de entrada.

Nº de pontos e células do objecto de entrada.

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12º Exercício

Renderer e janela para o objecto de entrada.

Simplificação.

Criação do actor de entrada.

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12º Exercício

Criação do actor para o objecto simplificado.

Renderer, janela e interacção para o objecto simplificado.

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12º Exercício

Escrita do objecto simplificado.

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13º Exercício• Ler um objecto de malha triangular, representar o

objecto numa janela de visualização interactiva, suavizar a malha do objecto, representar o novo objecto numa outra janela interactiva, escrever o novo objecto num ficheiro vtk.

Libs necessárias: vtkFiltering.libvtkGraphics.libvtkRendering.libvtkIO.lib

Antes Depois da suavização

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13º Exercício

Leitura do objecto inicial.

Actor para o objecto inicial.

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13º Exercício

Suavização do objecto.

Melhorar a malha do objecto suavizado através das normais.

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13º Exercício

Escrita do objecto suavizado.

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13º Exercício

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Triangulação 2D/3D de pontos• O VTK inclui filtros para executar a triangulação

2D/3D de Delaunay de um conjunto de pontos não estruturados: vtkDelaunay2D, vtkDelaunay3D.

• Estes filtros podem ser usados para estruturar um conjunto de pontos e construir malhas triangulares para os mesmos.

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14º Exercício• Executar a triangulação 2D de Delaunay de um

conjunto de 25 pontos gerados aleatoriamente.

Pontos gerados Após a triangulação 2D

Libs necessárias: vtkFiltering.libvtkGraphics.libvtkRendering.libvtkCommon.lib

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14º Exercício

Geração aleatória dos 25 pontos.

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14º Exercício

Criação das células pontuais (só necessário para visualizar os pontos de entrada).

Criação da polydata para os pontos de entrada.

Actor para os pontos.

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14º Exercício

Triangulação 2D.

Actor para o resultado da triangulação 2D.

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14º Exercício

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15º Exercício• Executar a triangulação 3D de Delaunay de um

conjunto de 25 pontos gerados aleatoriamente, representar os pontos iniciais, a triangulação resultante, e as células da mesma “encolhidas” um determinado valor.

Pontos gerados Após triangulação 3D Células “encolhidas”

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15º Exercício

Libs necessárias: vtkFiltering.libvtkGraphics.libvtkRendering.libvtkCommon.lib

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15º Exercício

Geração aleatória dos 25 pontos.

Criação das células pontuais (só necessário para visualizar os pontos de entrada).

Criação da polydata para os pontos de entrada.

Actor para os pontos.

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15º Exercício

Triangulação 3D.

Actor para o resultado da triangulação 3D.

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15º Exercício

“Encolhimento”das células da triangulação 3D.

Actor para as células “encolhidas”.

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15º Exercício

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16º Exercício• Executar a triangulação 2D de Delaunay de um

conjunto de pontos 3D definidos de forma não estruturada num ficheiro ascii. Apresentação dos objectos de entrada e de saída, das coordenadas de cada ponto de entrada e do número de pontos e de células da superfície resultante.

Pontos de entradaPontos de entrada Após triangulação 2D

J. Tavares / J. Barbosa Visualização Científica – Algoritmos de Visualização usando o VTK 83

16º ExercícioLibs necessárias: vtkFiltering.libvtkGraphics.libvtkRendering.libvtkCommon.lib

Coordenadas de cada ponto de entrada e número de pontos e de células da superfície resultante.

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16º Exercício

Abertura do ficheiro de entrada.

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16º Exercício

Criação das células pontuais (só necessário para visualizar os pontos de entrada).

Leitura dos pontos definidos no ficheiro.

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16º Exercício... Criação das células pontuais.

Criação da polydata para os pontos de entrada.

Actor para os pontos.

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16º Exercício

Triangulação 2D.

Escrita do nº de pontos e de células da superfície.

Actor para a superfície resultante.

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16º Exercício

J. Tavares / J. Barbosa Visualização Científica – Algoritmos de Visualização usando o VTK 89

Objectos imagem• O VTK dispõe de classes para dados imagem e vários

filtros para processamento e análise de imagem.• Para visualizar dados imagens não é necessário

realizar o mapeamento dos mesmos:– os dados são inseridos directamente no actor (por exemplo,

da classe vtkImageActor);– ou então directamente na janela de visualização por

intermédio da classe vtkImageViewer (não é necessário um actor para os dados).

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17º Exercício• Visualização de uma imagem BMP definida num

ficheiro.

Libs necessárias: vtkFiltering.libvtkRendering.libvtkIo.lib

Imagem: camera.bmp

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17º Exercício

Leitura da imagem bmp.

Actor para a imagem.

Renderer e janela para o actor imagem.

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17º Exercício... janela para o actor imagem.

Interacção e renderização da janela para a imagem.

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18º Exercício• Abrir uma imagem BMP, realizar uma suavização

Gaussiana na imagem de entrada e representar as duas imagens.

Libs necessárias: vtkImaging.libvtkFiltering.libvtkRendering.libvtkIo.lib

Imagem: build.bmp

Imagem de entrada Imagem após suavização

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18º Exercício

Leitura da imagem bmp de entrada.

Actor para a imagem de entrada.

Suavização Gaussiana.

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18º Exercício

Actor para a imagem suavizada.

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18º Exercício

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19º Exercício• Ler uma imagem de entrada BMP, aplicar um filtro de

magnitude do gradiente e a seguir realizar uma binarização, representar as imagens de entrada e saída, escrever a imagem resultante no formato JPEG.

Libs necessárias: vtkImaging.libvtkFiltering.libvtkRendering.libvtkIo.lib

Imagem: camera.bmp

Imagem de entrada Imagem obtida

J. Tavares / J. Barbosa Visualização Científica – Algoritmos de Visualização usando o VTK 98

19º Exercício

Leitura da imagem bmp de entrada.

Processamento da magnitude do gradiente.

Actor para a imagem de entrada.

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19º Exercício... Processamento da magnitude do gradiente.

Actor para a imagem de saída.

Binarização da imagem resultante do filtro de magnitude do gradiente.

Escrita da imagem resultante no formato JPEG.

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19º Exercício

J. Tavares / J. Barbosa Visualização Científica – Algoritmos de Visualização usando o VTK 101

19º Exercício

J. Tavares / J. Barbosa Visualização Científica – Algoritmos de Visualização usando o VTK 102

20º Exercício• Abrir uma imagem BMP, realizar a negação lógica,

representar as imagens de entrada e de saída, escrever a imagem de saída no formato BMP, utilizar a classe vtkImageViewer para visualizar as imagens (não é necessário um actor para a imagem).

Identificação (pasta e ficheiro) da imagem de entrada e da imagem de saída por dois argumentos da linha

de comando.

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20º Exercício

Libs necessárias: vtkImaging.libvtkFiltering.libvtkRendering.libvtkIo.lib

Imagem: visci.bmp

(só funciona para imagens binárias)

Imagem de entrada Imagem obtida

J. Tavares / J. Barbosa Visualização Científica – Algoritmos de Visualização usando o VTK 104

20º Exercício

Identificação dos argumentos de entrada.

J. Tavares / J. Barbosa Visualização Científica – Algoritmos de Visualização usando o VTK 105

20º Exercício

Leitura da imagem bmp de entrada.Janela para a imagem de entrada.

Interacção.

Negação lógica.

Janela para a imagem de saída.

Interacção.

J. Tavares / J. Barbosa Visualização Científica – Algoritmos de Visualização usando o VTK 106

20º Exercício

Escrita da imagem de saída em BMP.

Renderização e interacção.