VTK Visualization ToolKit (

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1 VTK Visualization ToolKit ( VTK ist ein objektorientiertes open source Framework für 3D Computergraphik, Bildverarbeitung und Scientific Visualization. Es kann insbesondere im Rahmen der Verarbeitung und Visualisierung biomedizinischer Bilddatensätze verwendet und eingesetzt werden. VTK verfügt in diesem Bereich über die folgende Funktionalität: - Bildsegmentierung - Isoflächen 3D-Rekonstruktion (Marching Cubes) - Surface Rendering - Volume Rendering (Ray Casting, texturbasiert) - Polygonreduktion, Glättung VTK ist eine C++-Klassenbibliothek (ca. 700 Klassen) und verfügt über Schnittstellen zu JAVA, Tcl/Tk und Phyton. Die Visualisierungskomponenten von VTK basieren auf OpenGL. VTK ist auf praktisch allen gängigen UNIX- sowie PC- Plattformen verfügbar. Professioneller Support und auf VTK basierende Produkte werden von der Firma Kitware ( angeboten. (c) 2004 Ch. Stern - VTK 1

2 Basis-Konzept von VTK Bedarfsgesteuert ( Demand-driven ), Pipeline-Architecture Visualization Network Eine VTK Applikation muss ein Netzwerk erzeugen und dann ausführen: Render() Update() An das Render-Window senden An einen Filter in der Pipeline senden To create the graphics objects, you typically create a rendering window to render into create a renderer create an interactor (allows you to interact with the graphics) create one or more actors (each of which is linked to a mapper) render Konzept der VTK Visualisierungs-Pipeline Source Objects Filter Objects Mapper Objects Source Objects: Externe Daten (z.b. MRI Schichtbildserien) Filter Objects: Bewirken eine Transformation auf die Source Objects wie Veränderung von Bildparametern (z.b. Farbe). Mapper Objects: Nimmt die transformierten Daten und erzeugt daraus polygonale Geometrien. (c) 2004 Ch. Stern - VTK 2

3 Einfaches Beispiel: Darstellung einer Kugel VTK stellt eine Reihe geometrischer Primitive wie Kugeln, Linien, Ebenen, Zylider und Würfel zur Verfügung. Beispiel: Kugel bestehend aus Dreiecken mit Oberflächennormalen. (c) 2004 Ch. Stern - VTK 3

4 C++-Code #include "vtkspheresource.h" #include "vtkpolydatamapper.h" #include "vtkactor.h" #include "vtkrenderwindow.h" #include "vtkrenderer.h" #include "vtkrenderwindowinteractor.h" void main () { // create sphere geometry vtkspheresource *sphere = vtkspheresource::new(); sphere->setradius(1.0); sphere->setthetaresolution(18); sphere->setphiresolution(18); // map to graphics library vtkpolydatamapper *map = vtkpolydatamapper::new(); map->setinput(sphere->getoutput()); // actor coordinates geometry, properties, transformation vtkactor *asphere = vtkactor::new(); asphere->setmapper(map); asphere->getproperty()->setcolor(0,0,1); // sphere color blue // a renderer and render window vtkrenderer *ren1 = vtkrenderer::new(); vtkrenderwindow *renwin = vtkrenderwindow::new(); renwin->addrenderer(ren1); // an interactor vtkrenderwindowinteractor *iren = vtkrenderwindowinteractor::new(); iren->setrenderwindow(renwin); // add the actor to the scene ren1->addactor(asphere); ren1->setbackground(1,1,1); // Background color white // render an image (lights and cameras are created automatically) renwin->render(); // begin mouse interaction iren->start(); } (c) 2004 Ch. Stern - VTK 4

5 Basisprinzip von VTK: Visualisierungs-Pipeline: sphere Data Mapper map asphere Renderer Interactor Render (c) 2004 Ch. Stern - VTK 5

6 Java import vtk.*; public class test { // in the static contructor we load in the native code // The libraries must be in your path to work static { System.loadLibrary("vtkCommonJava"); System.loadLibrary("vtkFilteringJava"); System.loadLibrary("vtkIOJava"); System.loadLibrary("vtkImagingJava"); System.loadLibrary("vtkGraphicsJava"); System.loadLibrary("vtkRenderingJava"); } // the main function public static void main (String[] args) { // create sphere geometry vtkspheresource sphere = new vtkspheresource(); sphere.setradius(1.0); sphere.setthetaresolution(18); sphere.setphiresolution(18); // map to graphics objects vtkpolydatamapper map = new vtkpolydatamapper(); map.setinput(sphere.getoutput()); // actor coordinates geometry, properties, transformation vtkactor asphere = new vtkactor(); asphere.setmapper(map); asphere.getproperty().setcolor(0,0,1); // color blue // a renderer for the data vtkrenderer ren1 = new vtkrenderer(); ren1.addactor(asphere); ren1.setbackground(1,1,1); // background color white // a render window to display the contents vtkrenderwindow renwin = new vtkrenderwindow(); renwin.addrenderer(ren1); (c) 2004 Ch. Stern - VTK 6

7 renwin.setsize(300,300); // an interactor to allow control of the objects vtkrenderwindowinteractor iren = new vtkrenderwindowinteractor(); iren.setrenderwindow(renwin); } // trigger the rendering and start the interaction renwin.render(); iren.start(); (c) 2004 Ch. Stern - VTK 7

8 Marching Cubes Algorithmus mit VTK { vtkmarchingcubes vtkpolydatamapper *surfaceextractor; *objectmapper; surfaceextractor=vtkmarchingcubes::new(); surfaceextractor->setinput(volume->getoutput()); surfaceextractor->setvalue(0, threshold); //For Rendering objectmapper=vtkpolydatamapper::new(); objectmapper->setinput(surfaceextractor->getoutput()); object=vtkactor::new(); object->setmapper(objectmapper); //Save Data vtkcleanpolydata *clean=vtkcleanpolydata::new(); clean->setinput(surfaceextractor->getoutput()); } zusätzliche VTK Klassen/Funktionen für 3D Rekonstruktion Volume of Interest (1) Polygonreduktion Connectivity (2) Smoothing Grosse Volumen (3) vtkextractvoi vtkdecimate vtkpolydataconnectivityfilter vtksmoothpolydatafilter vtkslicecubes (c) 2004 Ch. Stern - VTK 8

9 (1) Auswahl eines Subvolumens für die 3D Rekonstruktion (2) Nur zusammenhängende Strukturen werden rekonstruiert (3) Einrichten temporärer Dateien (Auslagern auf Platte bei Hauptspeichermangel) bei sehr grossen Volumen Beispiel: 3D-Rekonstruktion einer Aorta 1 44 MRI DICOM Schichtbilder mit je 256x256 Pixel Auflösung vtkextractvoi Surface Extractor vtkcleanpolydata vtkcleanpolydata vtkpolydataconnectivityfilter vtkdecimate vtksmoothpolydatafilter vtkcleanpolydata 3D-Modell Aorta (1) Vertices Polygone 3D-Modell Aorta (2) Vertices Polygone 3D-Modell Aorta (3) und umgebendes Gewebe Vertices Polygone 1 MRI-Datensatz: Universitätsspital Zürich, Institut für diagnostische Radiologie (c) 2004 Ch. Stern - VTK 9

10 Eingabe: 44 MRI DICOM Schichtbilder (256x256) (c) 2004 Ch. Stern - VTK 10

11 Ausgabe: Rekonstruierte 3D-Modelle der Aorta Aorta (1) Polygone Aorta (2) Polygone Aorta (3) Polygone (c) 2004 Ch. Stern - VTK 11

12 VTK Literatur [1] Einführung The Visualization Toolkit, An Object-Oriented Approach To 3D Graphics, 3rd edition, ISBN , now published by Kitware. This is a great book to read if you want to learn the details of the visualization algorithms and data structures. The book is often used as a college text in visualization and graphics courses. [2] Benutzerhandbuch The Visualization Toolkit User's Guide, ISBN , published by Kitware. This is the book to get if you want to learn how to install and use VTK (c) 2004 Ch. Stern - VTK 12