Visualización Gráfica 3D con VTK (Visualization Toolkit) (2ª parte)

7/31/2019 Visualizacin Grfica 3D con VTK (Visualization Toolkit) (2 parte)

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Visualizacin Grfica 3D con VTK (Visualization Toolkit) (2 parte)

INTERFAZ GRFICA 3D

Vemos como crear una Interfaz Grfica de Usuario (GUI) que contenga un rea de renderizado y diferentes

widgets que permitan modificar,propiedades de la escena, de los actores, etc.

POR ANA M. FERREIRO Y JOS A. GARCA

En el nmero 6 de Linux

Magazine, vimos como crear una

escena de renderizado en la que

incluimos diferentes actores, a los que

modificamos sus propiedades. Sin

embargo, lo mejor es tener un Interfaz

Grfico (GUI) que permita a cualquier

usuario, sin necesidad de entender el

cdigo, modificar cualquier propiedad de

los actores, del rea de renderizado, etc.

Hoy por hoy, existen diferentes tool-

kits de ventanas que se pueden impor-

tar desde Python, y que adems constan

de un widget especfico para contener

un rea de renderizado de VTK. Entre

las diferentes herramientas grficas,

cabe destacar Tkinter, WxPython,

PythonQT y Motif; siendo TKinter la

opcin por la que nos hemos decidido,

puesto que por defecto se incluye en

cualquier instalacin de Python.

En lo que sigue veremos los pasos

necesarios para incluir una escena de

VTK dentro de una GUI generada conTkInter, para terminar incluyendo dos

botones, uno que nos permita modificar

alguna propiedad del objeto que haya-

mos colocado en nuestra escena y otro

que capture el contenido de la escena

para guardarla en una imagen .tiff.

En el Listado 5, tenis escrito el cdi-

go completo. Lo mejor es que cada vez

que tengis dudas lo miris, as os va a

ser ms fcil seguir cada uno de los

pasos que se os proponen.

Interpretacin de una GUIEn el nmero 6 de la revista vimos que

al crear una escena VTK se abre una

ventana de renderizado, que permite la

interaccin con el ratn. Sin embargo,

dicha escena ocupa la totalidad de la

ventana. Al combinar VTK con TkInter

podremos colocar la escena de VTK en

un panel concreto de la GUI, segn nos

interese.

Para que resulte sencillo diferenciar

los mtodos propios de la GUI de los

mtodos relacionados con el renderiza-

do de la escena, vamos a organizar el

trabajo siguiendo una estructura de cla-ses.

Si lo pensis bien, una GUI que con-

tenga un rea de renderizado (Figura

1), se puede comparar con un televisor.

El televisor con los botones y la panta-

lla, lo podis imaginar como la interfaz

de usuario que contiene el rea de ren-

derizado; mientras que lo que vemos,

segn el canal que se sintonice, va a ser

la escena de VTK. Todo esto nos lleva a

organizar, de un modo natural, nuestro

programa en dos clases (Figura 2):

1) class MyGUI: clase que controla la

estructura de la GUI, es decir, los boto-

nes, los paneles, los mens, los eventos

asociados a los widgets, etc.

2) class RenderWindow: clase que

controla el rea de visualizacin, la

escena, los actores, las propiedades de

los objetos, la cmara, el renderizado,

los eventos asociados al rea de rende-

rizado, etc.

NOTA: Para mejor seguir este artcu-

lo, conviene tener a manos el cdigo

completo del programa, que se puede

descargar desde [6].

Creacin GUI TKInterLo primero de todo es importar Tkinter

y VTK,

DESARROLLO Infografa - VTK

62 Nmero 08 WWW.L INUX- M A GA ZINE.ES


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Infografa - VTK DESARROLLO

63Nmero 08WWW.L INUX- M A GA ZINE.ES

padre, root, en el que colocamos los fra-

mes fr_renwin y fr_bot, en la parte supe-

rior y en la parte inferior, respectivamen-

te. Esta organizacin se corresponde con

el cdigo del Listado 1.

Para instanciar la clase MyGUI, debe-

mos hacerlo indicando que rootva a ser

la ventana padre que contenga los dife-

rentes widgets que vamos a ir creando.

Esto se indica escribiendo las siguientes

lneas de cdigo.

root = Tkinter.Tk()

app=MyGUI(root)

root.minsize(350, 300)

root.mainloop()

Guardad este cdigo en un fichero lla-

mado, miguivtk.py, por ejemplo. Si lo

ejecutis (python miguivtk.py), se os

abre una ventana con los dos frames

(ver Figura 3).

Widget vktRenderWindowLa clase vtkTkRenderWidgetes un wid-

get de Tk, que permite renderizar en

su interior. Mediante el mtodo

GetRenderWindow se devuelve una

ventana de renderizado,

vtkRenderWindow, a la que se

le puede asociar un rea de

renderizado vtkRenderer.

Este widget puede reaccio-

nar a los eventos (de ratn, de

teclado) como cualquier otro

widget de Tk. Para poder utili-

zar este widget necesitamos enprimer lugar importarlo,

import vtkRenderWidget

Creamos la claseRenderWindow que se

va a encargar de todo lo relacionado

con la visualizacin, es decir, con el

renderizado, el control de la cmara y

las luces, el tipo de interaccin del

usuario con la escena, etc.

class RenderWindow:

El constructor de esta clase se va a

encargar de instanciar

vtkTkRenderWidget, crear el rea de

renderizado y sus propiedades.

Recordad que vtkTkRenderWidgetes un

tipo de widget de Tk, por tanto, es nece-

sario decirle cual va a ser su widget

padre, pasndolo como argumento cada

vez que instanciemos nuestra clase

RenderWindow. En el Listado 2 tenis el

cdigo correspondiente a dicho cons-

tructor.

Instanciamos la clase

vtkTkRenderWidgetpara crear un wid-

get de Tk (que hemos llamado

self.vtktkwidget), indicando que su

padre esparent. Mediante self.ren =

vtkpython.vtkRenderer()se crea un rea

de renderizado de VTK, que aadimos a

la ventana de renderizado que tiene

asociada el widget self.vtktkwidget. A

dicha ventana se accede mediante elmtodo GetRenderWindow. Mediante el

mtodo TwoSidedLightingOn colocamos

dos luces encendidas en nuestra escena.

El mtodo GetActiveCamera() permite

obtener la cmara que por defecto viene

incluida en la escena.

Si ejecutamos de nuevo el cdigo

nada ha cambiado! La razn es obvia:

Desde la GUI no hemos instanciado

nuestra claseRenderWindow. En

el constructor

import vtk

import Tkinter

La interfaz la vamos a organizar en dos

frames: fr_renwin donde se colocar

la ventana de renderizado y fr_gui quecontendr los diferentes botones.

Inicializamos Tkinter, creando una

ventana padre root, root=Tkinter.Tk(),

en la que colocaremos los frames fr_ren-

win y fr_gui. Es necesario que nuestra

ventana permanezca abierta hasta que

el usuario decida cerrarla, lo que se

logra mediante root.mainloop().

Segn la organizacin que hemos

propuesto, tenemos la clase MyGUI,

que se ocupa de los widgets de la

interfaz,

class MyGUI:

En el constructor de la clase es necesario

indicarle quien va a ser el contenedor

01 def __init__(self,parent):

02 self.parent=parent

03 parent.title("Mi GUI")

04 fr_renwin =

Tkinter.Frame(parent,bg="gray"

)

05 fr_bot=

Tkinter.Frame(parent)

06

fr_renwin.pack(side="top",

anchor="n",

07

expand=1, fill="both")

08 fr_bot.pack(side="bot-

tom", anchor="s",

09expand="t", fill="x")

10 lsup = Tkinter.Label(

fr_renwin,

11

text="Frame de la

escena",fg="red")

12 lsup.pack(side="top",

expand="t")

13

14 l1 =

Tkinter.Label(fr_bot,

text="Frame de botones")

15 l1.pack(side="top",

expand="t", fill="x")

16 parent.update()

Listado 1: Constructorclase MyGUI

Figura 1: Estructura de una GUI con una ven-

tana de renderizado.


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WWW.L INUX- M A GA ZINE.ES

(__init__) de la claseMyGUI, debemos

instanciar la clase RenderWindow.

Basta aadir en dicho constructor las

sigientes lneas de cdigo

self.renwin=U

RenderWindow(fr_renwin)

Fijaos que como argumento pasamos

fr_renwin, esto es porque el widget que

contiene el rea de renderizado lo situa-

mos dentro de dicho frame.

Ahora la ejecucin ha cambiado.

Tenemos un rea de color azul, que es

el rea de renderizado de la escena

(ver Figura 4). Seguro que os pregun-

taris, cmo s yo que es un rea de

renderizado y no un simple frame de

color azul? Por el momento no hemos

creado ningn actor para que se apre-

cie la diferencia, sin embargo, si cerra-mos la ventana obtenemos el siguiente

warning: A TkRenderWidget is being

destroyed before its associated

vtkRenderWindow is destroyed.

Dicho mensaje, que antes no tena-

mos, nos avisa de que debemos des-

truir la ventana de renderizado antes

que el widget que la contiene, porque

en ciertas ocasiones podran quedar

procesos corriendo sin que lo aprecie-

mos.

Antes de nada, debemos decirle a

nuestra GUI qu hacer cuando se activa

el protocolo WM_DELETE_WINDOW

(define lo que ocurre cuando el usuario

explcitamente cierra la ventana

mediante el botn cerrar). En el cons-

tructor de la clase MyGUI debemos

escribir,

parent.protocol(U

"WM_DELETE_WINDOW",

self.quit)

El mtodo que estamos lla-mamos al cerrar la ventana

es self.quit,

def quit(self):

self.parent.quit()

Volvamos a ejecutar el cdigo. Fijos

que ya no aparece ninguna advertencia

al cerrar la ventana. De este modo des-

truimos los distintos objetos instancia-

dos en el orden correcto.

Actores a EscenaEn este punto ya tenemos todo lo nece-

sario para incluir actores en la escena.

En la claseRenderWindow tenemos que

crear los siguientes mtodos: (1)

add_actor: aade un actor a la escena;

(2) render_window: se ocupa del rende-

rizado de la escena; (3) resetcamera: se

ocupa de resetear la cmara y rende-

rizar la escena, permitiendo ver la tota-

lidad de la escena. Basta escribir las

siguientes lneas de cdigo,

def add_actor(self,nameactor):

self.ren.AddActor(nameactor)

def render_window(self):

self.renwin.Render()

def resetcamera(self,evt=None):

self.ren.ResetCamera()

self.renwin.Render()

En la escena vamos a

situar una esfera; para

ello, dentro de la clase

RenderWindow incluimos,

las funciones create_esfera

y add_esfera del Listado 3.

El mtodo create_esferaconstruye una esfera

segn los mtodos propor-

Nmero 0864

01 def create_esfera(self):

02 esfera =

vtk.vtkSphereSource()

03 esferaMapper =

vtk.vtkPolyDataMapper()

04

esfera.SetPhiResolution(10)

05

esfera.SetThetaResolution(20)

06

esfera.SetCenter(0.3,0.0,0.0)

07

esferaMapper.SetInput(esfera.G

etOutput())

08 esferaActor =

vtk.vtkActor()

09

esferaActor.SetMapper(esferaMa

pper)

10

esferaActor.GetProperty().SetC

olor(0.7,0.0,0.25)

11esferaActor.GetProperty().SetO

pacity(1)

12

esferaActor.GetProperty().SetL

ineWidth(1)

13 return esferaActor

14

15

16 def add_esfera(self):

17

self.esfera_actor=self.crea-

te_esfera()

18 self.add_actor(self.esfe-

ra_actor)

19 self.render_window()

Listado 3: Mtodos clase

RenderWindow para crearuna esfera.

Figura 2: Clases del programa.

01 def __init__(self, parent):

02 self.vtktkwidget =

vtkRenderWidget.vtkTkRenderWid

get (parent)

03 self.vtktkwidget.pack

(expand='true',fill='both')04 self.ren =

vtk.vtkRenderer ()

05

self.ren.TwoSidedLightingOn ()

06 self.renwin =

self.vtktkwidget.GetRenderWind

ow ()

07

self.renwin.AddRenderer

(self.ren)

08 self.camera =

self.ren.GetActiveCamera()

09

self.ren.SetBackground(0.1,

0.1, 0.9)

Listado 2:Constructor claseRenderWindow.

Figura 3: Ventana de

Tkinter con dos frames.


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cionados por VTK (en el nmero 6

explicamos el modo de crear un actor y

acceder a sus propiedades), devolvien-

do el actor esferaActor. El mtodo

add_esfera incluye todos los comandos

necesarios para colocar la esfera dentrode nuestra escena.

Llamemos a la funcin add_esfera,

dentro del constructor de la clase

RenderWindow,

self.add_esfera()

Si habis seguido todos los pasos, debe-

rais estar viendo dentro de la escena

una esfera, igual que la

de la Figura 5. Seguro que

alguien se est preguntan-

do: Por qu no veo la

esfera en su totalidad?

Recordad que el mesanterior, explicamos que

cuando situamos un actor

en la escena, no se modi-

fica la posicin de la

cmara. Por tanto, si que-

remos ver la escena en su

totalidad basta resetear

la camara. Como somos

previsores, ya habamos

creado el mtodo resetca-

mera para dicha finali-

dad. Basta escribir

self.resetcamara(), justo

despus de self.add_esfe-

ra(). Ahora ya vemos la

esfera centrada en la esce-

na (Figura 6).

Recordaris que dentro

de la ventana de renderi-

zado se puede interactuar

con el ratn. Probad a

trasladar la esfera, hacer zoom, etc. No

os resulta ms sencillo mover la esfera

que en los ejemplos que vimos en el

nmero 6? Si lo comparis, os dariscuenta de que el actor se traslada y rota

de un modo diferente. La razn de esto

es que se pueden modificar el modo de

interactuar con el ratn dentro de una

ventana de renderizado de VTK. En este

caso concreto, la clase

vtkTkRenderWidgetya crea una ventana

de renderizado donde el tipo de interac-

cin con el ratn ya viene modificado,

para que podamos controlar mejor los

diferentes actores.

Control de EscenaHasta ahora lo que hemos implementa-

do nos permite abrir una

ventana de TkInter que con-

tiene un rea de renderiza-

do, cuya escena ya contiene

una actor. Pero la finalidad

de crear una interfaz grfi-

ca, es que

mediante

widgets

podamos

controlar,en la medi-

da de lo

posible,

los actores, la escena,

etc.

Dentro de nuestra ven-

tana vamos a incluir, en

el frame fr_bot, los

siguientes widgets: undeslizable (Tkinter.Scale)

para controlar la transpa-

rencia de la esfera; un

botn que nos permita

guardar la escena en una

imagen en formato .tiff y

un botn para cerrar la

aplicacin. Escribamos en

el constructor (__init__)

de la clase MyGUI, las

lneas de cdigo del

Listado 4.

El deslizable s_transp

llama al mtodo

self.ModifyTransp cuando

se pulsa el botn izquier-

do del ratn (evento

) o se despla-

za el ratn con dicho

botn presionado (evento

). Al clicke-

ar con el ratn sobre el botn bsave, se

llama al mtodo self.guardar_imagen;

mientras que si se pulsa bquitse ejecta

self.quit. El mtodo self.quitya lo tene-mos, as basta escribir el cdigo corres-

pondiente para los otros dos mtodos.

Antes de detallar cada mtodo por sepa-

rado, debemos comprobar que la estruc-

tura de nuestra GUI es correcta. Para no

tener problemas a la hora de probar el

programa, por el momento escribid,

Infografa - VTK DESARROLLO

65Nmero 08WWW.L INUX- M A GA ZINE.ES

s01 .02 .

03 .

04 self.transp_valor =

Tkinter.IntVar()

05 self.transp_valor.set(100)

06 s_transp =

Tkinter.Scale(fr_bot,from_=0,t

o=100,

07

orient="horizontal",

08

variable=self.transp_valor,

09

label="Transparencia")

10 s_transp.pack(side="top",

fill="x", expand="false")

11

s_transp.bind("",lam

bda e:self.ModifyTransp(e))

12

s_transp.bind("",la

mbda e:self.ModifyTransp(e))

13

14 bsave= Tkinter.Button(fr_bot,

text="Guardar Imagen",

15

command=self.guardar_imagen)

16 bsave .pack(side="top",

expand="t")

17 bquit = Tkinter.Button(fr_bot,

text="Salir",

18 com-

mand=self.quit)

19 bquit .pack(side="top",

expand="t")20 .

21 .

22 .

Listado 4: Deslizable y

Botones GUI

Figura 4: GUI con un rea

de renderizado.

Figura 5: GUI con una esce-

na que contiene una esfera

como actor.


5/5

Tened en cuenta, que

para generar la imagen,

es necesario tener permi-

sos de escritura en el

directorio donde se vaya

a guardar; en caso con-trario nos saldra un

error en la ejecucin avi-

sando de que no es posi-

ble generar dicha ima-

gen.

Probad de nuevo el

programa y pulsad el

botn Guardar Imagen.

En principio parece que

no hemos hecho nada,

pero en el mismo directo-

rio de trabajo tenis un

fichero llamado mysce-

ne.tif, donde se almace-

na exactamente la ltima

escena que hemos rende-

rizado.

Recordad que nos falta

implementar el cdigo

para modificar la transpa-

rencia de nuestra esfe-

ra. En la clase RenderWindow inclui-

mos el mtodo

modify_opacity_esfera(self,valor), donde

valorvara entre 0 y 1, porque es el argu-mento que vamos a utilizar para fijar la

opacidad. Escribamos las siguientes lne-

as de cdigo,

def modify_opacity_esferaU

(self, valor):

self.esfera_actor.GetProperty()

U

.SetOpacity(valor)

self.render_window()

Queremos que cada vez que deslizamos

el widget s_transp, vare la transparen-

cia de nuestro actor. Para ello, dentro de

la clase MyGUI escribimos el siguiente

cdigo correspondiente al mtodo

ModifyTransp,

def ModifyTransp(self,evtU

=None):

valor_transp=U

self.transp_valor.get()

valor_transp=U

valor_transp/100.0

self.renwin.U

modify_opacity_esferaU

(valor_transp)

Mediante self.transp_

valor.get() se obtiene el

nuevo valor del Slice

s_transp cada vez que se

modifica ante un evento

del ratn. Fijos que losvalores del deslizable var-

an entre 0 y 100, sin

embargo, el mtodo que

modifica la transparencia

slo admite valores entre 0

y 1, por eso dividimos

valor_transp por 100.

Despus se llama al mto-

do modify_opacity_esfera

de la claseRenderWindow.

Si habis seguido todos

los pasos, comprobaris

como se modifica la trans-

parencia de la esfera a

medida que varan los

valores del deslizable.

Ahora que ya sabis todo

lo necesario para crear una

GUI con una ventana de

renderizado de VTK, podis

hacer todas las pruebas que

se os ocurran, como por ejemplo: modifi-

car propiedades de la escena, controlar

mediante widgets diferentes actores, etc. s

def ModifyTransp(self,U

evt=None):

pass

def guardar_imagen(self,U

evt=None):pass

Ahora la GUI tendra que tener la

estructura de la Figura 7, donde el nico

botn que funciona es el de Salir.

Para implementar el mtodo guar-

dar_imagen de la claseMyGUIva a ser

necesario acceder, desde la clase

MyGUI, a la ventana de renderizado

(renwin) de la clase RenderWindow.

Para ello,dentro de RenderWindow

escribimos el siguiente mtodo,

def get_renwin(self):

return self.renwin

El Listado 5 contiene el cdigo que nos

permite guardar la escena en una ima-

gen, de formato .tiff.

La clase vtkWindowToImageFilteres

un filtro que convierteRenderWindows

o ImageWindows al formato de una

imagen; produciendo una imagen de la

escena de renderizado. La salida de este

filtro se pasa como argumento a la clasevtkTIFFWriter, que se ocupa de escribir

la imagen en formato TIFF. Mediante

writer.SetFileName("myscene.tif") indi-

camos el nombre del fichero en el que

vamos a guardar la imagen.


66 Nmero 08 WWW.L INUX- M A GA ZINE.ES

Ana M. Ferreirro Ferreiro es mate-

mtica, pero su verdadera pasin

es la informtica. As que parte de

su tiempo lo dedica al desarrollo

en Python de interfaces grficas

multiplataforma, y al desarrollo de

software de visualizacin cientfi-

ca 3D.

Jos A. Garca Rodrguez tambin

es matemtico, y actualmente

est finalizando su tesis en la

Universidad de Mlaga. Desde

hace unos aos se dedica al des-

arrollo de cdigo paralelo y opti-

mizacin de cdigos en C++.

LOS

AUTORES

[1] Kitware. VTK:http://www.kitware.org

[2] Python: http://www.python.org

[3] Enthought. Scientific python: http://

www.scipy.org

[4] Rediris Espaa:ftp://ftp.rediris.es/

[5] MayaVi: http://mayavi.sourceforge.net

[6] Descarga de los Listados completos

correspondientes a este artculo:

http://www.linux-magazine.es/

Magazine/Downloads/08

RECURSOS

01 def

guardar_imagen(self,evt=None):

02 w2imgfil =vtk.vtkWindowToImageFilter()

03 writertiff =

vtk.vtkTIFFWriter()

04 w2imgfil

.SetInput(self.renwin.get_ren-

win())

05 w2imgfil .Update()

06 writertiff.SetInput(w2img-

fil .GetOutput())

07

writertiff.SetFileName("mysce-

ne.tif")

08 self.renwin.render_win-

dow()

09 writertiff.Write()

Listado 5: Mtodo GuardarImagen de Tipo .tiff

Figura 6: Recolocacin de

la cmara.

Figura 7: GUI con deslizable

y botones.

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