VTK修炼之道71：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：

unsigned long AddObserver(unsigned long event, vtkCommand *,  float priority = 0.0f);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：

#include <vtkAutoInit.h>VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL);VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);#include <vtkCallbackCommand.h>long cntPress = 0;void MyCallbackFunc(vtkObject*, unsigned long eid, void* clientdata, void* calldata){std::cout << "You have clicked : " << ++cntPress << " times" << std::endl;}#include <vtkSmartPointer.h>#include <vtkPNGReader.h>#include <vtkImageViewer2.h>#include <vtkRenderer.h>#include <vtkRenderWindow.h>#include <vtkRenderWindowInteractor.h>int main(){vtkSmartPointer<vtkPNGReader> reader =vtkSmartPointer<vtkPNGReader>::New();reader->SetFileName("vtk.png");reader->Update();vtkSmartPointer<vtkImageViewer2> viewer =vtkSmartPointer<vtkImageViewer2>::New();viewer->SetInputData(reader->GetOutput());viewer->GetRenderer()->SetBackground(0, 0, 0);viewer->SetSize(480, 320);viewer->GetRenderWindow()->SetWindowName("Observer-Callback");vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> rwi =vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();viewer->SetupInteractor(rwi);viewer->Render();/*************************************************************///Step1：设置事件回调函数vtkSmartPointer<vtkCallbackCommand> mouseCallback =vtkSmartPointer<vtkCallbackCommand>::New();mouseCallback->SetCallback(MyCallbackFunc); //很重要！！！//Step2：将vtkCallbackCommand对象添加到观察者列表。rwi->SetRenderWindow(viewer->GetRenderWindow()); //唤醒显示窗口rwi->AddObserver(vtkCommand::LeftButtonPressEvent, mouseCallback);rwi->Initialize();rwi->Start();return 0;}

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。

//Step1：设置事件回调函数vtkSmartPointer<vtkCallbackCommand> mouseCallback =vtkSmartPointer<vtkCallbackCommand>::New();mouseCallback->SetCallback(MyCallbackFunc); //很重要！！！

3.将VTKCallbackCommand对象添加到对象的观察者列表中。

//Step2：将vtkCallbackCommand对象添加到观察者列表。rwi->SetRenderWindow(viewer->GetRenderWindow()); //唤醒显示窗口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：

#include <vtkAutoInit.h>VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL);VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);#include <vtkCommand.h>#include <vtkSmartPointer.h>#include <vtkConeSource.h>#include <vtkPolyDataMapper.h>#include <vtkActor.h>#include <vtkRenderer.h>#include <vtkRenderWindow.h>#include <vtkRenderWindowInteractor.h>#include <vtkInteractorStyleTrackballCamera.h>class myCallback :public vtkCommand{public:static myCallback* New(){return new myCallback;}void SetObject(vtkConeSource* cone){m_cone = cone;}virtual void Execute(vtkObject* caller, unsigned long eventId, void* callData){std::cout << "LeftButton has been pressed: " << std::endl<< "The Height: " << m_cone->GetHeight() << std::endl<< "The Radius: " << m_cone->GetRadius() << std::endl;}private:vtkConeSource* m_cone;};int main(){vtkSmartPointer<vtkConeSource> cone =vtkSmartPointer<vtkConeSource>::New();cone->SetHeight(10);cone->SetRadius(4);cone->Update();/*************************************************************/vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper =vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();mapper->SetInputConnection(cone->GetOutputPort());vtkSmartPointer<vtkActor> actor =vtkSmartPointer<vtkActor>::New();actor->SetMapper(mapper);vtkSmartPointer<vtkRenderer> render =vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();render->AddActor(actor);render->SetBackground(1, 1, 1);vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> rw =vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();rw->AddRenderer(render);rw->SetWindowName("Interaction By SubCommand");rw->SetSize(320, 320);vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> rwi =vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();rwi->SetRenderWindow(rw);////////////////////////vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleTrackballCamera> style =vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleTrackballCamera>::New();rwi->SetInteractorStyle(style);vtkSmartPointer<myCallback> callback =vtkSmartPointer<myCallback>::New();callback->SetObject(cone);rwi->AddObserver(vtkCommand::LeftButtonPressEvent, callback);rwi->Initialize();rwi->Start();return 0;}

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。

3.参看资料

1.《C++ primer》
2.《The VTK User’s Guide – 11thEdition》
3.  张晓东, 罗火灵. VTK图形图像开发进阶[M]. 机械工业出版社, 2015.