VTK开发笔记（九）：示例Cone6，使用3D交互控件，在Qt窗口中详解复现对应的Demo

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前言

本篇详细解析Cone6.exe，了解预定义的交互器操作。

Demo

VTK的3D交互控件

概述

VTK（Visualization Toolkit）提供了丰富的3D交互控件，用于实现对 3D 场景的旋转、平移、缩放等操作，以及自定义交互逻辑。这些控件是构建交互式可视化应用的核心组件。

常用交互样式和功能

vtkInteractorStyleTrackballCamera（默认样式）

功能：通过操作相机（Camera）来改变视图，适用于观察整个场景。
交互方式：左键拖拽：旋转相机（场景绕视角中心旋转）。中键/滚轮：缩放（相机靠近/远离场景）。右键拖拽：平移相机（场景整体平移）。

vtkInteractorStyleTrackballActor

功能：直接操作场景中的演员（Actor），而非相机，适用于编辑单个对象的位置和姿态。
交互方式：左键拖拽：旋转选中的Actor。中键/滚轮：缩放选中的Actor（改变其大小）。右键拖拽：平移选中的Actor。
注意：需要先通过SetCurrentActor()指定要操作的Actor。

vtkInteractorStyleJoystickCamera与vtkInteractorStyleJoystickActor

功能：与Trackball 系列类似，但交互方式更接近"摇杆"逻辑------鼠标移动的方向和距离直接映射为旋转/平移的增量，而非持续拖拽。
适用场景：需要更精准控制的交互（如医疗影像中的精细调整）。

vtkInteractorStyleFlight

功能：模拟飞行视角，通过鼠标和键盘控制相机的移动方向和速度，适用于漫游大型场景（如地形、城市模型）。
交互方式：左键拖拽：改变飞行方向。键盘W/S：加速/减速。键盘A/D：左右平移。

vtkInteractorStyleImage

功能：专为2D图像（如切片数据）设计，支持切片的平移、缩放和层切换（适用于CT/MRI等医学影像的断层浏览）。
交互方式：左键拖拽：平移图像。中键/ 滚轮：缩放图像。右键拖拽：切换切片（沿 Z 轴方向）。

vtkBoxWidget交互控件

概述

创建一个可交互的立方体框（6个面、12条边、8个顶点）。通过拖拽顶点、边或面来调整立方体的大小和姿态。实时获取立方体的变换矩阵，用于控制关联对象的位置、旋转和缩放。框选场景中的部分对象进行操作。对体数据或网格模型进行立方体裁剪。交互式调整对象的包围盒（Bounding Box）。作为变换工具，控制模型的缩放、旋转和平移。

交互操作

vtkBoxWidget提供了丰富的交互操作，通过鼠标拖拽不同组件实现：

拖拽顶点：调整立方体的角点位置，改变局部大小。
拖拽边：沿边的方向拉伸或压缩立方体。
拖拽面：沿面的法线方向移动整个面，改变立方体的整体尺寸。
Ctrl + 拖拽面/边/顶点：保持立方体的比例缩放。
Shift + 拖拽：仅平移立方体（不改变大小和方向）。
右键点击：弹出上下文菜单，支持重置、对齐轴等操作（需开启默认 Representation）。

关键参数与方法

Demo实现步骤

步骤一：创建圆锥数据源

步骤二：创建多边形映射

步骤三：创建演员

步骤四：创建渲染器

步骤五：设置渲染器到渲染窗口

步骤六（关键）：设置boxWidget交互器

Demo源码

VTKWidget.cpp

cpp 复制代码

void VTKWidget::test_demo8_createCone(VTKManager::INTERACTOR_STYLE interactorStyle)
{
    // 步骤一：创建圆锥体数据源
    vtkSmartPointer<vtkConeSource> pConeSource =
            VTKManager::createConeSource(0, 0, 0, 10, 30, 100);
    // 步骤二：创建多边形映射器
    vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> pPolyDataMapper =
            VTKManager::createPolyDataMapper(pConeSource->GetOutputPort());
    // 步骤三：创建演员
    vtkSmartPointer<vtkActor> pActor =
            VTKManager::createActor(pPolyDataMapper, 0.5, 0.3, 0.2);
    // 步骤四：创建渲染器
    vtkSmartPointer<vtkRenderer> pRenderer =
            VTKManager::createRenderer(pActor, 0.1, 0.1, 0.1);
    // 步骤五：设置渲染器到QVTKWidget渲染窗口
    _pQVTKWidget->GetRenderWindow()->AddRenderer(pRenderer);
    // 步骤六：设置交互器
    VTKManager::createRenderWindowInteractorBoxWidget(_pQVTKWidget->GetRenderWindow(),
                                                      pActor,
                                                      interactorStyle);
}

VTKManager.h

cpp 复制代码

public:
    /** 预定义的交互器类型
     *     操作对象（摄像机 vs 演员）；交互连续性（平滑 Trackball vs 步进 Joystick）；场景类型（图像、地形、通用 3D 等）。
     *     实际使用时，可根据具体场景选择合适的样式，或基于 vtkInteractorStyleUser 扩展自定义交互逻辑。 */
    enum INTERACTOR_STYLE {
        // 基础交互器样式
        INTERACTOR_STYLE_TRACKBALL_CAMERA = 0x00,   //  摄像机       鼠标左键旋转、中键平移、右键 / 滚轮缩放，交互平滑连续（类似 "轨迹球" 效果），通用 3D 场景浏览，操作摄像机以改变观察视角。
        INTERACTOR_STYLE_TRACKBALL_ACTOR,           //  选中的演员    先点击选中演员，再通过鼠标左键旋转、中键平移、右键缩放该演员。仅修改单个对象的姿态，不改变摄像机位置。
        // 遥感式交互器样式
        INTERACTOR_STYLE_JOYSTICK_CAMERA,           //  摄像机       类似TrackballCamera，但交互是 "步进式"（拖动鼠标后松开才执行操作），而非连续平滑，需要精确控制交互幅度的场景。
        INTERACTOR_STYLE_JOYSTICK_ACTOR,            //  选中的演员    步进式操作单个演员，与 JoystickCamera 逻辑类似，但针对演员而非摄像机。
        // 图像与切片交互器样式
        INTERACTOR_STYLE_IMAGE,                     //  专为 2D/3D 图像（如 CT、MRI 切片）设计。交互方式：左键平移图像、右键缩放、键盘 / 下键切换切片层，默认禁用摄像机旋转（保持正交视角）。扩展功能：支持图像窗宽窗位调整（通过键盘或鼠标）。
        // 选择与区域操作样式
        INTERACTOR_STYLE_RUBBER_BAND_ZOOM,          //  核心功能：支持 "框选缩放"------ 拖动鼠标绘制矩形区域，场景自动缩放至该区域。适用场景：快速聚焦到局部区域（如病灶、细节）。
        INTERACTOR_STYLE_RUBBER_BAND_PICK,          //  支持框选区域内的对象（如演员、点集），配合拾取器（Picker）使用。
        INTERACTOR_STYLE_DRAW_POLYGON,              //  支持用鼠标绘制多边形区域，用于复杂区域的选择或裁剪。
        // 特殊场景与特殊场景样式
        INTERACTOR_STYLE_TERRAIN,                   //  专为地形数据（如高程图、地形模型）设计。交互方式：模拟 "在地形上行走"，支持前后移动、左右转向，避免摄像机穿入地形。
        INTERACTOR_STYLE_FLIGHT,                    //  模拟 "飞行" 视角，通过鼠标控制飞行方向和速度，适合大规模场景（如城市、地形）浏览。
        INTERACTOR_STYLE_UNICAM,                    //  基于 "单摄像机" 模型，优化了 3D 交互的直观性，减少操作歧义。
        // 扩展与集成样式
        INTERACTOR_STYLE_USER,                      //  用于自定义交互逻辑的基类，可通过重写事件回调函数实现个性化操作。
        INTERACTOR_STYLE_SWITCH,                    //  支持动态切换多种交互器样式（如在 Trackball 和 Image 样式间切换）。
    };

VTKManager.cpp

cpp 复制代码

vtkSmartPointer<vtkConeSource> VTKManager::createConeSource(double x, double y, double z, double r, int h, int n)
{
    // 步骤一：智能指针定义
    vtkSmartPointer<vtkConeSource> pConeSource;
    // 步骤二：智能指针实例化
    pConeSource = vtkSmartPointer<vtkConeSource>::New();
    // 步骤三：设置中心坐标
    pConeSource->SetCenter(x, y, z);
    // 步骤三：设置半径
    pConeSource->SetRadius(r);
    // 步骤四：设置圆锥的高度
    pConeSource->SetHeight(h);
    // 步骤五：设置圆锥球体的经度分辨率，即横向的切片数量（横向/水平精细度）
    pConeSource->SetResolution(n);

    return pConeSource;
}
vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> VTKManager::createPolyDataMapper(vtkAlgorithmOutput *pAlgorithmOutput)
{
    // 步骤一：智能指针定义
    vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> pPolyDataMapper;
    // 步骤二：智能指针实例化
    pPolyDataMapper = vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
    // 步骤三：设置
    pPolyDataMapper->SetInputConnection(pAlgorithmOutput);

    return pPolyDataMapper;
}

vtkSmartPointer<vtkActor> VTKManager::createActor(vtkPolyDataMapper *pPolyDataMapper, double r, double g, double b)
{
    // 步骤一：智能指针定义
    vtkSmartPointer<vtkActor> pActor;
    // 步骤二：智能指针实例化
    pActor = vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
    // 步骤三：设置映射器
    pActor->SetMapper(pPolyDataMapper);
    // 步骤四：设置颜色
    pActor->GetProperty()->SetColor(r, g, b);

    return pActor;
}

vtkSmartPointer<vtkRenderer> VTKManager::createRenderer(std::vector<vtkActor *> vectorPActor, double r, double g, double b)
{
    // 步骤一：智能指针定义
    vtkSmartPointer<vtkRenderer> pRenderer;
    // 步骤二：智能指针实例化
    pRenderer = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
    // 步骤三：设置映射器
    for(int index = 0; index < vectorPActor.size(); index++)
    {
        pRenderer->AddActor(vectorPActor.at(index));
    }
    // 步骤四：设置背景色
    pRenderer->SetBackground(r, g, b);

    return pRenderer;
}

vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> VTKManager::createRenderWindowInteractorBoxWidget(vtkRenderWindow *pRenderWindow, vtkActor *pActor, VTKManager::INTERACTOR_STYLE interactorStyle)
{

    // 步骤一：智能指针定义、实例化
    vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> pRenderWindowInteractor =
            vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
    // 步骤二：智能指针定义、实例化
    vtkSmartPointer<vtkInteractorObserver> pInteractorObserver;
    // 步骤三：设置交换器
    switch (interactorStyle)
    {
    // 基础交互器样式
    case INTERACTOR_STYLE_TRACKBALL_CAMERA: //  摄像机       鼠标左键旋转、中键平移、右键 / 滚轮缩放，交互平滑连续（类似 "轨迹球" 效果），通用 3D 场景浏览，操作摄像机以改变观察视角。
        pInteractorObserver = vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleTrackballCamera>::New();
        break;
    case INTERACTOR_STYLE_TRACKBALL_ACTOR:  //  选中的演员    先点击选中演员，再通过鼠标左键旋转、中键平移、右键缩放该演员。仅修改单个对象的姿态，不改变摄像机位置。
        pInteractorObserver = vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleTrackballActor>::New();
        break;
    // 遥感式交互器样式
    case INTERACTOR_STYLE_JOYSTICK_CAMERA:  //  摄像机       类似TrackballCamera，但交互是 "步进式"（拖动鼠标后松开才执行操作），而非连续平滑，需要精确控制交互幅度的场景。
        pInteractorObserver = vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleJoystickCamera>::New();
        break;
    case INTERACTOR_STYLE_JOYSTICK_ACTOR:   //  选中的演员    步进式操作单个演员，与 JoystickCamera 逻辑类似，但针对演员而非摄像机。
        pInteractorObserver = vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleJoystickActor>::New();
        break;
    // 图像与切片交互器样式
    case INTERACTOR_STYLE_IMAGE:            //  专为 2D/3D 图像（如 CT、MRI 切片）设计。交互方式：左键平移图像、右键缩放、键盘 / 下键切换切片层，默认禁用摄像机旋转（保持正交视角）。扩展功能：支持图像窗宽窗位调整（通过键盘或鼠标）。
        pInteractorObserver = vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleImage>::New();
        break;
    // 选择与区域操作样式
    case INTERACTOR_STYLE_RUBBER_BAND_ZOOM: //  核心功能：支持 "框选缩放"------ 拖动鼠标绘制矩形区域，场景自动缩放至该区域。适用场景：快速聚焦到局部区域（如病灶、细节）。
        pInteractorObserver = vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleRubberBandZoom>::New();
        break;
    case INTERACTOR_STYLE_RUBBER_BAND_PICK: //  支持框选区域内的对象（如演员、点集），配合拾取器（Picker）使用。
        pInteractorObserver = vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleRubberBandPick>::New();
        break;
    case INTERACTOR_STYLE_DRAW_POLYGON:     //  支持用鼠标绘制多边形区域，用于复杂区域的选择或裁剪。
        pInteractorObserver = vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleDrawPolygon>::New();
        break;
    // 特殊场景与特殊场景样式
    case INTERACTOR_STYLE_TERRAIN:          //  专为地形数据（如高程图、地形模型）设计。交互方式：模拟 "在地形上行走"，支持前后移动、左右转向，避免摄像机穿入地形。
        pInteractorObserver = vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleTerrain>::New();
        break;
    case INTERACTOR_STYLE_FLIGHT:           //  模拟 "飞行" 视角，通过鼠标控制飞行方向和速度，适合大规模场景（如城市、地形）浏览。
        pInteractorObserver = vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleFlight>::New();
        break;
    case INTERACTOR_STYLE_UNICAM:           //  基于 "单摄像机" 模型，优化了 3D 交互的直观性，减少操作歧义。
        pInteractorObserver = vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleUnicam>::New();
        break;
    // 扩展与集成样式
    case INTERACTOR_STYLE_USER:              //  用于自定义交互逻辑的基类，可通过重写事件回调函数实现个性化操作。
        pInteractorObserver = vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleUser>::New();
        break;
    case INTERACTOR_STYLE_SWITCH:           //  支持动态切换多种交互器样式（如在 Trackball 和 Image 样式间切换）。
        pInteractorObserver = vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleSwitch>::New();
        break;
    default:
        break;
    }
    pRenderWindowInteractor->SetInteractorStyle(pInteractorObserver);
    // 步骤四：设置处理的渲染窗口
    pRenderWindowInteractor->SetRenderWindow(pRenderWindow);
    // 步骤五：智能指针定义、实例化
    vtkSmartPointer<vtkBoxWidget> pBoxWidget =
            vtkSmartPointer<vtkBoxWidget>::New();
    // 步骤六：设置boxWidget的交互器
    pBoxWidget->SetInteractor(pRenderWindowInteractor);
    // 步骤七：设置位置因子，位置因子控制小部件相对于小部件输入边界框的初始大小。
    pBoxWidget->SetPlaceFactor(1.25);
    // 步骤八：box添加控制的演员
    pBoxWidget->SetProp3D(pActor);
    // 步骤九：
    pBoxWidget->PlaceWidget();
    // 步骤十：定义观察者回调处理类、智能指针定义、实例化
    class vtkMyCallback : public vtkCommand
    {
    public:
        static vtkMyCallback *New() {
            return new vtkMyCallback;
        }
        void Execute(vtkObject *caller, unsigned long, void*) override
        {
            // 变换矩阵
            vtkTransform *pTransform = vtkTransform::New();
            // 获取被观察（这里是对BoxWidget添加观察者，所以BoxWidget是被观察者）
            vtkBoxWidget *pBoxWidget = reinterpret_cast<vtkBoxWidget*>(caller);
            // 获取被观察者的举证
            pBoxWidget->GetTransform(pTransform);
            // 讲BoxWidget下的3D模型都设置为其变换的矩阵
            pBoxWidget->GetProp3D()->SetUserTransform(pTransform);
            // 删除
            pTransform->Delete();
        }
    };
    vtkSmartPointer<vtkMyCallback> pMyCallback = vtkSmartPointer<vtkMyCallback>::New();
    // 步骤十一：添加时间观察回调
    pBoxWidget->AddObserver(vtkCommand::InteractionEvent, pMyCallback);
    // 步骤十二：启用BoxWidget
    pBoxWidget->On();
    // 步骤十三：初始化交互器
    pRenderWindowInteractor->Initialize();
    // 步骤十四：开始进入交互器时间循环
    pRenderWindowInteractor->Start();

    return pRenderWindowInteractor;
}

工程模板v1.7.0

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VTK的3D交互控件

概述

常用交互样式和功能

vtkInteractorStyleTrackballCamera（默认样式）

vtkInteractorStyleTrackballActor

vtkInteractorStyleJoystickCamera与vtkInteractorStyleJoystickActor

vtkInteractorStyleFlight

vtkInteractorStyleImage

vtkBoxWidget交互控件

概述

关键参数与方法

Demo实现步骤

步骤一：创建圆锥数据源

步骤二：创建多边形映射

步骤三：创建演员

步骤四：创建渲染器

步骤五：设置渲染器到渲染窗口

步骤六（关键）：设置boxWidget交互器

Demo源码

VTKWidget.cpp

VTKManager.h

VTKManager.cpp

工程模板v1.7.0