OrientedArrow 在两个随机生成的点之间绘制一根带箭头的线，以可视化一个向量

一：主要的知识点

1、说明

本文只是教程内容的一小段，因博客字数限制，故进行拆分。主教程链接：vtk教程------逐行解析官网所有Python示例-CSDN博客

2、知识点纪要

本段代码主要涉及的有①对源数据的平移、缩放和缩放，②vtkTransform的concanate方法

二：代码及注释

from vtkmodules.vtkFiltersSources import vtkArrowSource
from vtkmodules.vtkCommonColor import vtkNamedColors
from vtkmodules.vtkCommonCore import vtkMath, vtkMinimalStandardRandomSequence
from vtkmodules.vtkCommonMath import vtkMatrix4x4
from vtkmodules.vtkCommonTransforms import vtkTransform
from vtkmodules.vtkFiltersGeneral import vtkTransformPolyDataFilter
from vtkmodules.vtkFiltersSources import (
    vtkArrowSource,
    vtkSphereSource
)
from vtkmodules.vtkRenderingCore import (
    vtkActor,
    vtkPolyDataMapper,
    vtkRenderWindow,
    vtkRenderWindowInteractor,
    vtkRenderer
)


def main():
    colors = vtkNamedColors()
    colors.SetColor("BkgColor", [26, 51, 77, 255])
    USE_MATRIX = True
    """
    arrowSource无法通过自身携带的函数设置箭头的起点、终点和方向
    很多vtk源都创建了一个标准化的模型，然后由变换负责将其移动、旋转和缩放到正确的位置
    这样做的目的是：
    解耦：将几何体的生成和它的空间变换分离开来，使得代码更清晰、更模块化
    效率：你可以在一次渲染中，对一个原始模型应用不同的变换，来创建多个实例
    """
    arrowSource = vtkArrowSource()  # 标准箭头，从(0,0,0)指向(1, 0, 0)

    """
    下面这段代码的目的就是创建一个变换矩阵，用于将一个标准化的箭头
    （从 (0,0,0) 指向 (1,0,0) 的箭头）移动、旋转和缩放，使其从一个随机起点指向另一个随机终点
    """
    startPoint = [0] * 3
    endPoint = [0] * 3
    rng = vtkMinimalStandardRandomSequence()
    rng.SetSeed(82443)
    for i in range(3):
        rng.Next()
        startPoint[i] = rng.GetRangeValue(-10, 10)
        rng.Next()
        endPoint[i] = rng.GetRangeValue(-10, 10)

    normalizedX = [0] * 3
    normalizedY = [0] * 3
    normalizedZ = [0] * 3
    vtkMath.Subtract(endPoint, startPoint, normalizedX)
    length = vtkMath.Norm(normalizedX)
    vtkMath.Normalize(normalizedX)

    arbitrary = [0] * 3
    for i in range(0, 3):
        rng.Next()
        arbitrary[i] = rng.GetRangeValue(-10, 10)
    vtkMath.Cross(normalizedX, arbitrary, normalizedZ)
    vtkMath.Normalize(normalizedZ)

    vtkMath.Cross(normalizedZ, normalizedX, normalizedZ)

    matrix = vtkMatrix4x4()
    matrix.Identity()
    for i in range(0, 3):
        matrix.SetElement(i, 0, normalizedX[i])
        matrix.SetElement(i, 1, normalizedY[i])
        matrix.SetElement(i, 2, normalizedZ[i])

    """
    必须严格按照缩放 → 旋转 → 平移的顺序来应用这些变换
    个变换矩阵可以将一个点从其局部坐标系转换到世界坐标系。
    T 代表平移矩阵（Translation）
    R 代表旋转矩阵（Rotation）
    S 代表缩放矩阵（Scale）
    P_local 代表点在局部坐标系中的位置
    P_world 代表点在世界坐标系中的位置
    最终的变换公式是：
    Pworld =T∗R∗S∗Plocal
    这个公式意味着，对一个点应用变换时，应该先缩放，再旋转，最后平移。这是因为：
    如果你先平移再旋转：物体会绕着新的平移位置旋转，而不是绕着它自身的中心旋转，这通常不是你想要的效果。
    如果你先旋转再缩放：缩放会沿着已经旋转过的轴进行，可能导致不均匀的变形。
    因此，从数学上讲，缩放 → 旋转 → 平移 的顺序是正确的。
    """

    """
    vtkTransform的Concatenate 方法
    有一个重要的特性，它执行的是矩阵后乘。这意味着，新连接的变换矩阵会放在当前变换矩阵的右边
    最终的复合变换矩阵是 T∗R∗S，这与数学上的正确顺序完全一致。
    因此，在 VTK 中使用 Concatenate 方法时，你需要按照平移、旋转、缩放的顺序调用函数，
    才能得到正确的缩放、旋转、平移效果。
    """
    transform = vtkTransform()
    transform.Translate(startPoint)
    transform.Concatenate(matrix)
    transform.Scale(length, length, length)

    """
    两种思路
    1、直接对数据进行操作，产生新的数据，
    2、在actor中，使用SetUserMatrix，不会产生新的数据，效率更高，但是不会改变底层数据
    """

    transformPD = vtkTransformPolyDataFilter()
    transformPD.SetTransform(transform)
    transformPD.SetInputConnection(arrowSource.GetOutputPort())

    mapper = vtkPolyDataMapper()
    actor = vtkActor()
    if USE_MATRIX:
        mapper.SetInputConnection(arrowSource.GetOutputPort())
        actor.SetUserMatrix(transform.GetMatrix())
    else:
        mapper.SetInputConnection(transformPD.GetOutputPort())

    actor.SetMapper(mapper)
    actor.GetProperty().SetColor(colors.GetColor3d("Cyan"))


    sphereStartSource = vtkSphereSource()
    sphereStartSource.SetCenter(startPoint)
    sphereStartSource.SetRadius(0.8)
    sphereStartMapper = vtkPolyDataMapper()
    sphereStartMapper.SetInputConnection(sphereStartSource.GetOutputPort())
    sphereStart = vtkActor()
    sphereStart.SetMapper(sphereStartMapper)
    sphereStart.GetProperty().SetColor(colors.GetColor3d('Yellow'))

    sphereEndSource = vtkSphereSource()
    sphereEndSource.SetCenter(endPoint)
    sphereEndSource.SetRadius(0.8)
    sphereEndMapper = vtkPolyDataMapper()
    sphereEndMapper.SetInputConnection(sphereEndSource.GetOutputPort())
    sphereEnd = vtkActor()
    sphereEnd.SetMapper(sphereEndMapper)
    sphereEnd.GetProperty().SetColor(colors.GetColor3d('Magenta'))

    # Create a renderer, render window, and interactor
    renderer = vtkRenderer()
    renderWindow = vtkRenderWindow()
    renderWindow.SetWindowName('OrientedArrow')
    renderWindow.AddRenderer(renderer)
    renderWindowInteractor = vtkRenderWindowInteractor()
    renderWindowInteractor.SetRenderWindow(renderWindow)

    # Add the actor to the scene
    renderer.AddActor(actor)
    renderer.AddActor(sphereStart)
    renderer.AddActor(sphereEnd)
    renderer.SetBackground(colors.GetColor3d('BkgColor'))

    # Render and interact
    renderWindow.Render()
    renderWindowInteractor.Start()


if __name__ == '__main__':
    main()