VTK 交互与Widget_观察者/命令模式

1.前言

一个强大的可视化系统不仅需要强大的数据处理能力，也需要方便易用的交互功能。图形处理软件ParaView（hhttp://www.paraview.org）、德国癌症研究中心研发的MITK（http://www.mitk.org）等开源软件系统都提供了强大的交互功能，作为ParaView、MITK等软件构件基础的VTK同样也提供了各种各样的交互功能。

VTK的交互除了可以监听来自鼠标、键盘等外部设备的消息，还可以在渲染场景中生成功能各异的交互部件（Widget），用于控制可视化过程的参数，达到用户的渲染要求。

2.观察者/命令模式（Observe/Command）

观察者/命令模式是VTK里用的比较多的设计模式。

VTK中绝大多数的类都派生自vtkObject。查看类vtkObject的接口可以找到AddObserve()、RemoveObserve()、GetCommand()等函数。

观察者/命令模式是指一个Object可以有多个Observe，他定义了对象间的一种“一对多”的依赖关系，当一个Object对象的状态发生改变时，所有依赖于它的Observe对象都得到通知而被自动更新。命令模式属于对象行为模式，他将一个请求封装为一个对象，并提供一致性发送请求的接口，当一个事件发生时，他不直接把事件传递给事件调用者，而是在命令和调用者之间增加一个中间者，讲这种直接关系切断，同时将两者都隔离。事件调用者只是和接口打交道，不和具体事件实现交互。

在VTK中，可以通过两种方式来实现观察者/命令模式，他们分别是使用时间回调函数、从VTKCommand派生出具体的子类。

2.1 观察者-事件回调方案

在vtkObject中，有如下函数：
1 unsigned long AddObserver(unsigned long event, vtkCommand *,  float priority = 0.0f);
2 unsigned long AddObserver(const char* event, vtkCommand *, float priority = 0.0f);
AddObserver()函数的作用就是针对某个事件添加挂插着到某个VTK对象中。

当该对象发生观察者感兴趣的事件时，就会自动调用回调函数，执行相关操作。

下面是一个非常简单的例子演示了在VTK里是如何使用“观察者-事件回调函数”方案的：
 1 #include <vtkAutoInit.h>
 2 VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL);
 3 VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);
 4  
 5 #include <vtkCallbackCommand.h>
 6  
 7 long cntPress = 0;
 8 void MyCallbackFunc(vtkObject*, unsigned long eid, void* clientdata, void* calldata)
 9 {
10     std::cout << "You have clicked : " << ++cntPress << " times" << std::endl;
11 }
12  
13 #include <vtkSmartPointer.h>
14 #include <vtkPNGReader.h>
15 #include <vtkImageViewer2.h>
16 #include <vtkRenderer.h>
17 #include <vtkRenderWindow.h>
18 #include <vtkRenderWindowInteractor.h>
19  
20 int main()
21 {
22     vtkSmartPointer<vtkPNGReader> reader =
23         vtkSmartPointer<vtkPNGReader>::New();
24     reader->SetFileName("vtk.png");
25     reader->Update();
26  
27     vtkSmartPointer<vtkImageViewer2> viewer =
28         vtkSmartPointer<vtkImageViewer2>::New();
29     viewer->SetInputData(reader->GetOutput());
30  
31     viewer->GetRenderer()->SetBackground(0, 0, 0);
32     viewer->SetSize(480, 320);
33     viewer->GetRenderWindow()->SetWindowName("Observer-Callback");
34  
35     vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> rwi =
36         vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
37     viewer->SetupInteractor(rwi);
38     viewer->Render();
39     /*************************************************************/
40     //Step1：设置事件回调函数
41     vtkSmartPointer<vtkCallbackCommand> mouseCallback =
42         vtkSmartPointer<vtkCallbackCommand>::New();
43     mouseCallback->SetCallback(MyCallbackFunc); //很重要！！！
44  
45     //Step2：将vtkCallbackCommand对象添加到观察者列表。
46     rwi->SetRenderWindow(viewer->GetRenderWindow()); //唤醒显示窗口
47     rwi->AddObserver(vtkCommand::LeftButtonPressEvent, mouseCallback);
48  
49     rwi->Initialize();
50     rwi->Start();
51     return 0;
52 }
输出结果：

通过上例，我们可以总结一下“观察者-回调函数”交互方案主要可以分为以下三个步骤：

1.定义回调函数。

回调函数的函数签名只能是以下形式：

void long MyCallbackFunc(vtkObject* obj, unsigned long eid, void* clientdata, void* calldata);

其中，

obj：是调用事件的对象（即调用AddObserver()函数的对象，对应于本例的rwi）；

eid：是所要监听的事件ID，VTK中的事件定义在vtkCommand.h文件中；

clientdata：是与VTKCallbackCommand实例相关的数据，简单地说，是指回调函数里需要访问主程序里面得数据时，由主程序向回调函数传递的数据。

calldata：是执行vtkObject::InvokeEvent()函数时，随着回调函数发送得数据，比如说，当调用ProgressEvent事件时，会自动发送当前的进度值作为callback。

2.创建一个VTKCallbackCommand对象，并调用VTKCallbackCommand::SetCallback()函数设置所定义的回调函数。
1 //Step1：设置事件回调函数
2 vtkSmartPointer<vtkCallbackCommand> mouseCallback =
3     vtkSmartPointer<vtkCallbackCommand>::New();
4 mouseCallback->SetCallback(MyCallbackFunc); //很重要！！！
3.将VTKCallbackCommand对象添加到对象的观察者列表中。
1 //Step2：将vtkCallbackCommand对象添加到观察者列表。
2 rwi->SetRenderWindow(viewer->GetRenderWindow()); //唤醒显示窗口
3 rwi->AddObserver(vtkCommand::LeftButtonPressEvent, mouseCallback);
注意：

VTK中的vtkRenderWindowInteractor提供了一种独立于平台的交互机制，用来响应不同平台的鼠标、按键和时钟等消息。当渲染窗口中有事件发生时（比如说单机消息），vtkRenderWindowInteractor内部会调用与平台相关的子类，将该消息转换成对应平台的消息。

因此，该例的核心在于：通过vtkRenderWindowInteractor来监听鼠标左键的消息，一旦监听到对象的观察者列表中的消息时，程序会自动调用事件回调函数。

2.2 vtkCommand子类

观察者/命令模式除了使用事件回调函数外，还可以直接从vtkCommand类中派生出子类来实现。

示例代码如下：
 1 #include <vtkAutoInit.h>
 2 VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL);
 3 VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);
 4  
 5 #include <vtkCommand.h>
 6 #include <vtkSmartPointer.h>
 7 #include <vtkConeSource.h>
 8 #include <vtkPolyDataMapper.h>
 9 #include <vtkActor.h>
10 #include <vtkRenderer.h>
11 #include <vtkRenderWindow.h>
12 #include <vtkRenderWindowInteractor.h>
13 #include <vtkInteractorStyleTrackballCamera.h>
14  
15 class myCallback :public vtkCommand
16 {
17 public:
18     static myCallback* New()
19     {
20         return new myCallback;
21     }
22     void SetObject(vtkConeSource* cone)
23     {
24         m_cone = cone;
25     }
26     virtual void Execute(vtkObject* caller, unsigned long eventId, void* callData)
27     {
28         std::cout << "LeftButton has been pressed: " << std::endl
29             << "The Height: " << m_cone->GetHeight() << std::endl
30             << "The Radius: " << m_cone->GetRadius() << std::endl;
31     }
32  
33 private:
34     vtkConeSource* m_cone;
35 };
36 int main()
37 {
38     vtkSmartPointer<vtkConeSource> cone =
39         vtkSmartPointer<vtkConeSource>::New();
40     cone->SetHeight(10);
41     cone->SetRadius(4);
42     cone->Update();
43     /*************************************************************/
44     vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper =
45         vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
46     mapper->SetInputConnection(cone->GetOutputPort());
47     
48     vtkSmartPointer<vtkActor> actor =
49         vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
50     actor->SetMapper(mapper);
51  
52     vtkSmartPointer<vtkRenderer> render =
53         vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
54     render->AddActor(actor);
55     render->SetBackground(1, 1, 1);
56  
57     vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> rw =
58         vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
59     rw->AddRenderer(render);
60     rw->SetWindowName("Interaction By SubCommand");
61     rw->SetSize(320, 320);
62  
63     vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> rwi =
64         vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
65     rwi->SetRenderWindow(rw);
66  
67     
68     vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleTrackballCamera> style =
69         vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleTrackballCamera>::New();
70     rwi->SetInteractorStyle(style);
71  
72     vtkSmartPointer<myCallback> callback =
73         vtkSmartPointer<myCallback>::New();
74     callback->SetObject(cone);
75  
76     rwi->AddObserver(vtkCommand::LeftButtonPressEvent, callback);
77     rwi->Initialize();
78     rwi->Start();
79     return 0;
80 }
输出结果为：

这个例子实现的功能也是监听鼠标左键单机的消息。

基于“观察者-vtkCommand子类”的实现方案也遵循三个步骤。

1. 从vtkCommand类中派生出子类，并实现vtkCommand::Execute()虚函数。

该函数原型为：

virtual void Execute(vtkObject* caller, unsigned long eventId, void* callData ）= 0；

Execute()时纯虚函数，所以，从vtkCommand派生类中都必须要实现这个方法。

2.实例化vtkCommand子类的对象，并调用相关的方法。

3.调用观察者函数。

调用AddObserver()函数监听感兴趣的事件，如果所监听的事件发生，就会调用vtkCommand子类中定义的Execute()函数。

因此，针对所监听的事件，程序需要把实现的功能放在Execute函数中。