基于VTK和MFC的管道建模及可視化實現(xiàn)

譚顯峰，董超,黃斌（四川大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，成都　610065）

基于VTK和MFC的管道建模及可視化實現(xiàn)

譚顯峰，董超,黃斌
（四川大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，成都610065）

0　引言

目前,自來水、石油、天然氣等物質(zhì)的運輸離不開管道,管道的合理敷設(shè)至關(guān)重要。由于受到地理位置和環(huán)境因素的影響，管道敷設(shè)通常是任何一個大型項目中最費時的工作，也是產(chǎn)生問題最多的部分。管道建模及可視化可以提高設(shè)計質(zhì)量，嚴(yán)格控制材料，高效率、高精度地構(gòu)造出管道網(wǎng)絡(luò)，并且最大可能地避免設(shè)計錯誤的產(chǎn)生[1-2]。

本文以VTK（Visualization Toolkit）可視化圖形類庫為基礎(chǔ)，在 Windows上，以VC 6.0為開發(fā)平臺，結(jié)合MFC，對VTK的顯示功能進(jìn)行封裝和修改，建立了管道材料庫，實現(xiàn)了管道的添加、刪除等建模過程，以及管道模型繪制，管道圖形旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等基本的可視化功能。

1　VTK

VTK是一個開源、跨平臺、可自由獲取、支持并行處理的圖形應(yīng)用函數(shù)庫。通過VTK可以將科學(xué)實驗數(shù)據(jù)如建筑學(xué)、氣象學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)，對體、面、光源等的逼真渲染，從而幫助人們理解那些采取錯綜復(fù)雜而又往往規(guī)模龐大的數(shù)字呈現(xiàn)形式的科學(xué)概念或結(jié)果。

1.1VTK 概述

VTK包含一個C++類庫和眾多的翻譯接口層，包括Tcl/Tk、Java、Python。VTK是在三維函數(shù)庫OpenGL的基礎(chǔ)上采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法發(fā)展起來的，它將我們在可視化開發(fā)過程中會經(jīng)常遇到的細(xì)節(jié)屏蔽起來，并將一些常用的算法封裝起來。例如VTK將我們在表面重建中比較常見的Marching Cubes算法封裝起來，以類的形式供用戶使用，這樣我們在對三維規(guī)則點陣數(shù)據(jù)進(jìn)行表面重建時就不必再重復(fù)編寫Marching Cubes算法的代碼，而直接使用VTK中已經(jīng)提供的vtkMarchingCubes類。

1.2VTK 原理

VTK中的兩個重要組件：可視化管線和渲染引擎。可視化管線主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)獲取或者創(chuàng)建，數(shù)據(jù)處理，然后將數(shù)據(jù)寫入文件或者傳遞至渲染引擎中進(jìn)行顯示。渲染引擎負(fù)責(zé)創(chuàng)建傳遞過來的數(shù)據(jù)的一個可視表達(dá)。

可視化管線的運行原理如圖1所示：

圖1　VTK可視化管線的運行原理圖

數(shù)據(jù)源用于讀入或生成需要處理的原始數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)對象表示了VTK中不同類型的數(shù)據(jù)，主要包括：Structured points（結(jié)構(gòu)化點集），vtkRectilinearGrid（線性網(wǎng)格），Structured grid（結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格），Unstructured grid（非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，管線的建模就是利用這種數(shù)據(jù)的子對象aQuad），Polygonal Data（多邊形體數(shù)據(jù)）。

VTK通過管道過濾器來操作和變換數(shù)據(jù)。過濾器即各種算法（例如碰撞檢測、常用數(shù)學(xué)函數(shù)、矩陣變換和圖像處理等）所封裝成的代碼，用于對數(shù)據(jù)對象進(jìn)行相應(yīng)的處理和分析，它可以接收一個或多個數(shù)據(jù)對象的輸入，也可以產(chǎn)生一個或多個對象的輸出。

VTK將處理完后的數(shù)據(jù)通過映射器將其轉(zhuǎn)換成可被顯示幾何對象。

當(dāng)數(shù)據(jù)對象完成上述流程后，用戶只需按順序調(diào)用指定的渲染類（vtkLight、vtkAbsractMapper、vtkRen-derer、vtkCamera、vtkActtor等），就可將結(jié)果渲染到指定的窗口中[3]。

1.3VTK 與 MFC 的集成

VTK本身不提供圖形用戶接口，相對于其他語言，C++應(yīng)用程序體積更小，運行更快，而且容易部署安裝。此外，采用C++語言開發(fā)VTK應(yīng)用程序，不需要編譯額外的Tcl、Java和Python支持。

建立新的VTK項目時，在正確安裝VTK的基礎(chǔ)上，必須在項目的Project-setting中對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以便將需要的VTK頭文件和lib庫引入MFC項目

中[4]。

在本文中VTK與MFC的集成方法是新建一個CCubeView類，作為整個軟件顯示功能的實現(xiàn)，該類繼承自MFC的CView類，封裝了VTK中的渲染類 （如vtkRenderer）和數(shù)據(jù)對象類（如vtkUnstructuredGrid），以及映射器等。通過調(diào)用類中redraw（）函數(shù)進(jìn)行視圖重繪。

2　管道建模及可視化實現(xiàn)

管道模型中管道的數(shù)量和種類繁多，連接方式錯綜復(fù)雜，管道模型的建立離不開數(shù)據(jù)模型的支撐。本文采用數(shù)據(jù)文本的行式，通過關(guān)鍵字記錄每根管道的基本屬性（長度、方向、材料、連接方式等），利用VTK的可視化管線原理進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，實現(xiàn)管道的三維建模及可視化。

2.1管道模型的建立

（1）管道材料庫建立

建立管道時，管道材料參數(shù)較多（泊松比、彈性模量等），并且在不同的溫度下，各參數(shù)還要進(jìn)行差值計算，為簡化用戶操作，在參照GB/T20801-2006《壓力管道規(guī)范》、GB/T12459-2005《鋼制對焊無縫管件》等國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，將管道材料做成材料文件，用戶只需選擇材料名就可以將相應(yīng)的材料參數(shù)根據(jù)不同的溫度進(jìn)行差值計算后的結(jié)果讀入程序中。如果用戶使用的材料不在材料庫中，可進(jìn)行自定義添加，或者在某種材料的參數(shù)上進(jìn)行修改。

（2）管道數(shù)據(jù)的存儲

模型中管道的數(shù)量及連接關(guān)系通過文本文件的方式進(jìn)行存儲，一個文件對應(yīng)一個模型。

文件中通過關(guān)鍵字記錄每根管道的屬性。主要包括：*Model，記錄管道是模型中的第幾段以、管道的起點信息以及管道方向；*Dimension，記錄管道的長度及終點坐標(biāo)；*Temperature，記錄管道的溫度；*Material，記錄管道的材料參數(shù)，包括材料名稱、彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度等；*Welding Material，記錄管道焊接區(qū)的材料參數(shù)；*start point，記錄管道起點的公稱直徑、彎頭系列、壁厚；*end point，記錄管道終點的公稱直徑、彎頭系列、壁厚。

模型中每根管道有自己獨立的編號，關(guān)鍵字末尾加上編號就可成為該段管道所有參數(shù)的唯一標(biāo)識。新建模型時編號從1開始遞增，通過全局變量控制當(dāng)前添加的是第幾段管道。

（3）管道的添加與刪除

添加和刪除管道錢必須新建或者打開一個模型。在改模型上添加管道時，除第一根管道外，用戶通過拾取模型中已有管道的起點（終點）坐標(biāo)，作為新管道的起點，隨后輸入相關(guān)參數(shù)。程序通過識別已拾取的管道起點ID，在文件中查找管道起點坐標(biāo)，根據(jù)長度和方向等參數(shù)進(jìn)行計算得到管道的終點坐標(biāo)，和用戶輸入的其他參數(shù)一起寫入數(shù)據(jù)文件。管道的方向可以是沿坐標(biāo)軸的方向，也可以是空間中任何一個方向，若是后者，通過輸入水平面夾角和水平投影與X軸夾角連個參數(shù)可以唯一確定新管道的方向。每添加一段管道，程序?qū)⒃跀?shù)據(jù)文件末尾增加一組帶管道編號的關(guān)鍵字，兵將添加的管道顯示在界面中。

下面是個添加管道的實例：第一步，在新建模型中沿x軸正方向添加一根1000米長的管道；第二步，以第一根管道終點為起點沿y軸正方向添加一根1000米長的管道；第三步，以第二根管道終點為起點沿Z軸正方向添加一根1000米長的管道；第四步，以第二根管道終點為起點，水平面夾角和水平投影與X軸夾角都設(shè)置為30度，添加一根1000米長的管道。管道添加過程如圖2所示：

圖2　VTK可視化管線的運行原理圖

刪除管道時只能刪除模型中最后一段管道，同時刪除數(shù)據(jù)文件中最后一組關(guān)鍵字。2.2管道模型的可視化

（1）顯示

根據(jù)VTK的可視化管線和渲染原理，將數(shù)據(jù)文件作為VTK的數(shù)據(jù)源。

程序中CCubeView類提供用來顯示功能。CGlob-alData是數(shù)據(jù)類，封裝了VTK中所有的數(shù)據(jù)類型，作為全局變量，存儲模型中的所有數(shù)據(jù)信息，在不同類之間中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。

以下處理使VTK的圖像顯示在CCubeView中：

CGlobalData中的GetMesh（）函數(shù)完成將模型數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成VTK數(shù)據(jù)源的操作；SetInput（）函數(shù)，將CGlobalData中的VTK數(shù)據(jù)源傳給CCubeView；最后調(diào)用CCubeView的redraw（）函數(shù)，重繪視圖區(qū)。redraw（）函數(shù)部分代碼和功能如下：

放進(jìn)VTK的渲染器，實現(xiàn)圖像繪制。

（2）旋轉(zhuǎn)

程序 vtkInteractorStyleRubberBandPick類繼承自vtkInteractorStyleTrackballCamera，OnLeftButtonDown（）方法捕捉鼠標(biāo)左鍵和Ctrl鍵同時按下去的操作，隨后調(diào)用VTK的StartRotate（）函數(shù)，實現(xiàn)圖像旋轉(zhuǎn)。

旋轉(zhuǎn)效果如圖3所示：

圖3　旋轉(zhuǎn)對比圖

（3）縮放

vtkInteractorStyleRubberBandPick中OnMouseWheel Forward（）方法捕捉鼠標(biāo)滑輪向前滾動和Ctrl鍵同時按下去的操作，隨后調(diào)用VTK的StartDolly（）函數(shù)，實現(xiàn)圖像放大。圖像縮小功能原理和放大時一樣，調(diào)用的方法是OnMouseWheelBackward（）。

縮放效果如圖4所示。

（4）平移

vtkInteractorStyleRubberBandPick中 OnRightBut-tonDown（）方法捕捉鼠標(biāo)右鍵和Ctrl鍵同時按下去的操作，隨后調(diào)用VTK的StartPan（）函數(shù)，實現(xiàn)圖像平移。

平移效果如圖5所示。

3　結(jié)語

圖4　縮放對比圖

綜上所述，采用VTK和MFC結(jié)合的方式，以數(shù)據(jù)文件的形式記錄管道信息實現(xiàn)管道建模。封裝VTK的數(shù)據(jù)類和顯示類，實現(xiàn)管道模型的可視化。但管道的建模過程比較繁瑣，刪除方式還不夠靈活，這是下一步的研究重點。

圖5　平移對比圖

[1]陳文賢.CAD三維建模技術(shù)在管道敷設(shè)中的具體應(yīng)用.石油化工建設(shè),2014.

[2]楊飛，王解先.空間管道的連接建模及3D打印.工程勘察,2015.

[3]余偉巍，席平，何飛.利用VTK與MFC的醫(yī)學(xué)模型重建方法研究與實現(xiàn).工程圖學(xué)學(xué)報,2009.

[4]羅火靈，許永忠，陳世仲.基于VTK和MFC的醫(yī)學(xué)圖像三維重建研究與實現(xiàn).生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)進(jìn)展,2010.

VTK;MFC;Pipe Modeling;Visualization

Pipe Modeling and Visualization Based on VTK and MFC

TAN Xian-feng，DONG Chao，HUGNG Bin
（College of Computer Science,Sichuan University，Chengdu 610065）

1007-1423（2016）07-0084-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.07.019

譚顯峰（1983-），男，重慶人，在讀研究生，研究方向為信息安全

董超（1985-），男，山東新泰人，碩士研究生，研究方向為智能信息處理

黃斌（1986-），男，云南曲靖人，在讀研究生，研究方向為信息安全和高性能計算

2016-01-21

2016-02-25

VTK在圖像處理與顯示方面有強(qiáng)大的功能和源代碼開放特點，但是它缺乏友好的交互界面，通過將其與MFC結(jié)合，實現(xiàn)管道建模及可視化，可以提高管道網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的效率和精度，最大程度地避免設(shè)計錯誤的產(chǎn)生。

VTK；MFC；管道建模；可視化

VTK in image processing and display has powerful function and open source characteristics,but it lacks a friendly interactive interface, through the combination with MFC,can realize pipe modeling and visualization,and can improve the efficiency and accuracy of the pipeline network construction,the maximum to avoid design errors.