Python科学计算与可视化 C1

Posted 2022-08-10 LiQiang33

文章目录

• 1. 介绍
• • 1.1 科学可视化方法
  • 1.2 三维标量可视化
  • 1.3 矢量数据场
• 2. TVTK库
• • 2.1 TVTK库安装
  • 2.2 代码测试
  • 2.3 TVTK 与 VTK
• 3 创建基本三维对象
• 4 使用VTK显示三维对象

1. 介绍

• 可视化，即将事物或者过程进行抽象，最终以图像或图像的形式进行展示。最早由美国国家科学基金会（NSF）提出

• 可视化可分为信息可视化与科学可视化。信息可视化即将抽象的信息与知识进行抽象并展示。科学可视化即将空间数据（工程或者测量的数据）进行可视化计算与展示的过程

1.1 科学可视化方法

• 包括 二维标量数据场可视化、三维标量数据场可视化以及矢量数据场可视化

1. 二维标量数据场可视化

• 颜色映射法： 将染色与数据之间建立映射关系

• 等值线法： 图中对象的数值指标的各个点连接成平滑的曲线，用一组的数据表示连续面状的图像，使其数值特征渐变的方法

• 立体图法与层次分割法：（地形数据场）立体图法使用立体的图像来显示平面的数据，将平面数据场的数据转化为高度；层次分割，对立体图中的三角面片进行分层，是各个层之间由明确的分割线

1.2 三维标量可视化

包括面绘制法与体绘制法

• 面绘制法： 使用图形还原三维空间结构，使用面展示出来

• 体绘制法：不仅仅展示表面的细节，更有空间的细节，将三维空间中离散的数据，直接转换为立体图像，中间不需要几何图元

1.3 矢量数据场

• 直接法

使用箭头、方向、色轮等表示矢量的数据

• 流线法：流场在在某一时间的流动概念，能表示各点流体的方向

2. TVTK库

• TVTK是在在VTK库基础之上使用traits库进行再次封装，其用法与VTK相似，文档可以参考VTKhttp://code.enthought.com/projects/mayavi/

2.1 TVTK库安装

下载**VTK numpy traits mayavi pyQt5(支持py3.8)**之后才能使用TVTK，下载完之后按照顺序安装

1. 使用whl进行安装

whl下载: https://www.lfd.uci.edu/~gohlke/pythonlibs/#vtk
分别下载对应python版本

2. 使用pip进行安装（推荐）

安装前配置国内的镜像

pip install VTK
pip install numpy 
pip install traits
pip install PyQt5
pip install mayavi

安装完之后即可使用

2.2 代码测试

1. 使用tvtk_doc

from tvtk.tools import tvtk_doc
tvtk_doc.main()

2. 使用VTK创建立方体

from tvtk.api import tvtk
cube = tvtk.CubeSource(x_length=1.0, y_length=2.0, z_length=3.0)
print(cube)

vtkCubeSource (0000028C84E2DD70)
  Debug: Off
  Modified Time: 1311820
  Reference Count: 2
  Registered Events: 
    Registered Observers:
      vtkObserver (0000028C8BAC8C70)
        Event: 33
        EventName: ModifiedEvent
        Command: 0000028C8CBE0F60
        Priority: 0
        Tag: 1
  Executive: 0000028C8445DD00
  ErrorCode: No error
  Information: 0000028C8B99D6A0
  AbortExecute: Off
  Progress: 0
  Progress Text: (None)
  X Length: 1
  Y Length: 2
  Z Length: 3
  Center: (0, 0, 0)
  Output Points Precision: 0

2.3 TVTK 与 VTK

• TVTK在类名中去除了vtk前缀
• 命名按照python的方式，使用下划线连接单词： `AddItem -> add_item’
• VTK对象的方法在TVTK中使用traits属性代替

m.SetInputConnection(c.GetOUtputPort())   # VTK用法
m.input_connection(c.output_port)   # TVTK用法

3 创建基本三维对象

基本的三维对象有：

1. CubeSource: 立方体
2. ConeSource: 圆锥
3. CylinderSource: 圆柱
4. ArcSource: 圆弧
5. ArrowSource: 箭头

每个三维对象有不同的属性，以Cube为例

s.x_length
s.y_length
s.z_length
s.center
s.output_points_precision   # 立方体对象的精度

对这些属性可以进行操作

4 使用VTK显示三维对象

对三维数据进行展示时，由于计算机屏幕是二维的，因此要实现不同的映射

基本步骤：

1. 创建数据源
2. 使用PolyDataMapper将数据转换为图形数据
3. 创建Actor，并传入数据
4. 创建Renderer(相当于一个舞台)，将Actor添加到Renderer中
5. 创建RenderWindow，将Renderer添加到窗口中（舞台要在桌面展示）
6. 创建窗口交互，并传入窗口
7. 初始化窗口并启动

from tvtk.api import tvtk

# 1, 创建数据源
cube = tvtk.CubeSource(x_length=1.0, y_length=2.0, z_length=3.0, center=(0, 0, 0))
# 2. 转为图像数据
data_mapper = tvtk.PolyDataMapper(input_connection=cube.output_port)
# 3 创建actor
actor = tvtk.Actor(mapper=data_mapper)
# 4 创建绘制对象
render = tvtk.Renderer(background=(0, 0, 0))
render.add_actor(actor)
# 5. 创建窗口
render_window = tvtk.RenderWindow(size=(600, 600))
render_window.add_renderer(render)

# 6.创建交互
window_interactor = tvtk.RenderWindowInteractor(render_window=render_window)

# 7.开启
window_interactor.initialize()
window_interactor.start()