VTKライブラリを使ったPythonプログラミング入門：Pythonで3Dビジュアライゼーションプログラムを書く方法を学ぶ

1. VTKライブラリの紹介

VTK（Visualization Toolkit）は、国立がん研究所が開発したオープンソースの可視化ライブラリです。このライブラリは、主に医学、地球科学、数学などの分野における科学計算データの可視化に使用されます。2Dおよび3Dグラフィックス、アニメーション、インタラクティブなバーチャルリアリティアプリケーションの作成をサポートする、再利用可能なアルゴリズムとツールのセットを提供します。VTKは、複雑な2Dおよび3D可視化を作成できる強力な可視化ライブラリです。等値面、ボリュームデータレンダリング、レイトレーシング、流線など、高度な可視化を実現する様々なアルゴリズムとツールが含まれています。さらに、VTKはC++、Python、Javaなど、複数の言語をサポートしています。

2. VTKのユースケース

VTKは主に、医用画像処理、工学可視化、数学計算、物理シミュレーションなどの科学的可視化分野で利用されています。医療分野では、VTKは画像データの可視化に使用され、CT、MRI、PETスキャンからの画像データの解析・処理をサポートし、3D画像を生成することができます。工学可視化では、VTKはCADモデル、地形データ、気象データ、高性能コンピューティングによる数値シミュレーション結果のレンダリングに使用されます。同時に、VTKは流体力学、分子動力学、電磁場シミュレーションなどの科学計算分野でも広く利用されています。

3. VTKライブラリのコンポーネント

VTKライブラリには、それぞれ特定の機能を持つ多くの機能モジュールが含まれています。よく使用されるモジュールには以下が含まれます。

共通: データ型、ファイルの読み取りと書き込みなど、VTK ライブラリの基本構造とツールを提供します。
フィルター: フィルター、カットアウト、トランスフォーマーなど、多数の再利用可能なデータ処理アルゴリズムを提供します。
IO: 画像データ、グリッドデータなどのデータの読み取りおよび書き込み機能を提供します。
レンダリング: 光源、マテリアル、テクスチャ、影などの 2D および 3D 画像をレンダリングする機能を提供します。
グラフィックス: ポイント、線、面などの基本的なグラフィックスを描画および表示する機能を提供します。

4. VTK ライブラリは複数のデータ構造をサポートします。

VTK は、次のようなさまざまなデータ構造をサポートしています。

ポイントデータ (vtkPoints): 座標点のコレクション。各ポイントは、3 次元座標系の (x、y、z) などの 1 ～ 3 つの浮動小数点数で表すことができます。
セルデータ (vtkCell): 線、三角形、四面体など、閉じたジオメトリを記述する 1 つ以上の接続されたポイントデータポイント。
グリッドデータ (vtkDataSet): ポリゴンやサーフェスなどのポイントデータとセルデータで構成される複雑なデータ構造。

5. VTKの使用プロセス

Python を使用した VTK 視覚化の基本的なワークフローは次のとおりです。

必要なライブラリのインポート: まず、VTK ライブラリと、numpy、matplotlib などの Python 言語の関連拡張ライブラリをインポートする必要があります。
データの作成: NumPy を使用してランダムデータセットを作成するなど、実際のニーズに応じてデータを作成します。
データソースを作成する: vtkSphereSource などの vtk ライブラリに用意されているデータソースを使用して球体を作成します。
フィルター: データをフィルター処理するために使用されます。たとえば、vtkContourFilter を使用して等値面を生成します。
レンダラー: 照明、マテリアル、色などのレンダリングパラメータを設定します。
レンダリングウィンドウ: レンダリング結果をウィンドウに表示します。たとえば、vtkRenderWindow を使用してレンダリング結果を表示します。

6. VTKライブラリを使用したPythonコード例

ケース 1:シンプルな 3D 立方体を作成します。

 # 导入必要的库import vtk # 创建立方体，设置大小和位置cube = vtk.vtkCubeSource() cube.SetXLength(1.0) cube.SetYLength(2.0) cube.SetZLength(3.0) cube.SetCenter(0.0, 0.0, 0.0) # 创建渲染器和窗口ren = vtk.vtkRenderer() renWin = vtk.vtkRenderWindow() renWin.AddRenderer(ren) # 创建渲染窗口交互工具iren = vtk.vtkRenderWindowInteractor() iren.SetRenderWindow(renWin) # 将立方体加入渲染器中cubeMapper = vtk.vtkPolyDataMapper() cubeMapper.SetInputConnection(cube.GetOutputPort()) cubeActor = vtk.vtkActor() cubeActor.SetMapper(cubeMapper) ren.AddActor(cubeActor) # 设置渲染器背景颜色并显示立方体ren.SetBackground(0.1, 0.2, 0.4) renWin.SetSize(500, 500) renWin.Render() iren.Start()

ケース 2:複数のポイントで構成された 2 次元グラフィックを作成します。

 # 导入必要的库import vtk # 创建点数据并设置坐标points = vtk.vtkPoints() points.InsertNextPoint(0.0, 0.0, 0.0) points.InsertNextPoint(0.0, 1.0, 0.0) points.InsertNextPoint(1.0, 1.0, 0.0) points.InsertNextPoint(1.0, 0.0, 0.0) # 创建线数据，两点之间连线lines = vtk.vtkCellArray() lines.InsertNextCell(4) lines.InsertCellPoint(0) lines.InsertCellPoint(1) lines.InsertCellPoint(2) lines.InsertCellPoint(3) # 创建polydata数据polydata = vtk.vtkPolyData() polydata.SetPoints(points) polydata.SetLines(lines) # 显示数据mapper = vtk.vtkPolyDataMapper() mapper.SetInputData(polydata) actor = vtk.vtkActor() actor.SetMapper(mapper) ren = vtk.vtkRenderer() renWin = vtk.vtkRenderWindow() renWin.AddRenderer(ren) iren = vtk.vtkRenderWindowInteractor() iren.SetRenderWindow(renWin) ren.AddActor(actor) ren.SetBackground(0.1, 0.2, 0.4) renWin.SetSize(500, 500) renWin.Render() iren.Start()

ケース 3:球を作成し、その三角形の面の数を出力します。

 # 导入必要的库import vtk # 生成球形sphere = vtk.vtkSphereSource() sphere.SetThetaResolution(20) sphere.SetPhiResolution(20) sphere.SetRadius(1.0) # 打印球形的三角面片数量triangles = sphere.GetOutput().GetNumberOfPolys() print("Number of triangles: ", triangles) # 创建渲染器和窗口ren = vtk.vtkRenderer() renWin = vtk.vtkRenderWindow() renWin.AddRenderer(ren) # 创建渲染窗口交互工具iren = vtk.vtkRenderWindowInteractor() iren.SetRenderWindow(renWin) # 将球形加入渲染器中sphereMapper = vtk.vtkPolyDataMapper() sphereMapper.SetInputConnection(sphere.GetOutputPort()) sphereActor = vtk.vtkActor() sphereActor.SetMapper(sphereMapper) ren.AddActor(sphereActor) # 设置渲染器背景颜色并显示球形ren.SetBackground(0.1, 0.2, 0.4) renWin.SetSize(500, 500) renWin.Render() iren.Start()

ケース4: 3D モデルファイルを読み込む。

 # 导入必要的库import vtk # 加载模型文件reader = vtk.vtkSTLReader() reader.SetFileName("model.stl") # 创建渲染器和窗口ren = vtk.vtkRenderer() renWin = vtk.vtkRenderWindow() renWin.AddRenderer(ren) # 创建渲染窗口交互工具iren = vtk.vtkRenderWindowInteractor() iren.SetRenderWindow(renWin) # 将模型加入渲染器中mapper = vtk.vtkPolyDataMapper() mapper.SetInputConnection(reader.GetOutputPort()) actor = vtk.vtkActor() actor.SetMapper(mapper) ren.AddActor(actor) # 设置渲染器背景颜色并显示模型ren.SetBackground(0.1, 0.2, 0.4) renWin.SetSize(500, 500) renWin.Render() iren.Start()

ケース 5:複数の異なる幾何学的形状を含む 3D グラフィックを作成します。

 # 导入必要的库import vtk # 创建不同的几何体coneSource = vtk.vtkConeSource() coneSource.SetResolution(20) sphereSource = vtk.vtkSphereSource() sphereSource.SetThetaResolution(20) sphereSource.SetPhiResolution(20) sphereSource.SetRadius(1.0) cubeSource = vtk.vtkCubeSource() cubeSource.SetXLength(1.0) cubeSource.SetYLength(1.0) cubeSource.SetZLength(1.0) # 将多个几何体组成一个polydata数据appendFilter = vtk.vtkAppendPolyData() appendFilter.AddInputConnection(coneSource.GetOutputPort()) appendFilter.AddInputConnection(sphereSource.GetOutputPort()) appendFilter.AddInputConnection(cubeSource.GetOutputPort()) # 创建渲染器和窗口ren = vtk.vtkRenderer() renWin = vtk.vtkRenderWindow() renWin.AddRenderer(ren) # 创建渲染窗口交互工具iren = vtk.vtkRenderWindowInteractor() iren.SetRenderWindow(renWin) # 将可视化对象加入渲染器中mapper = vtk.vtkPolyDataMapper() mapper.SetInputConnection(appendFilter.GetOutputPort()) actor = vtk.vtkActor() actor.SetMapper(mapper) ren.AddActor(actor) # 设置渲染器背景颜色并显示所有几何体ren.SetBackground(0.1, 0.2, 0.4) renWin.SetSize(500, 500) renWin.Render() iren.Start()

7. 参考文献

公式サイト：https://vtk.org/。

ソースコードリポジトリ: https://github.com/Kitware/VTK。

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