Cours Vtk

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Cours Vtk

• Marcela Hernández Hoyos
• CREATIS
• Janvier 2000

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Contenu

• Quest-ce que cest ?
• Pourquoi VTK?
• Documentation
• Syntaxe
• POO Quelques concepts de base
• Modèles d'objets VTK
• Modèle de visualisation
• Modèle graphique
• Modèle de traitement
• Exemple d'une application
• Tcl/Tk Vtk C

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Qu'est-ce que c'est ?
Visualization ToolKit
Composant de communication avec des langages
interpretés Tcl/Tk, Java, Python
Niveau d'application (C,Tcl/Tk)
VTK
Librairie de classes C (compilée)
Librairie graphique (openGL)

• Système Orienté Objet

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Pour quoi VTK?

• Gratuit
• Code source C
• Vous avez le contrôle
• POO
• Extensible
• Possibilité de création de nouvelles classes
• Plate-forme/librairie indépendante
• Algorithmes avancés et très utiles
• Conversion des données en images
• Nombreux utilisateurs liste de discussion

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Documentation

• Livres
• The VisualizationToolkit, 2nd edition
• Schroeder, Martin, Lorenson. Prentice Hall.
• VTK User's Guide
• Schroeder, Martin. Kitware, Inc.
• Page web
• http//www.kitware.com /vtk.html
• Software, FAQs, listes de discussion, exemples,
  links, etc
• Autres exemples
• Répertoire d'installation VTK
• graphics/examplesTcl

D. Fibroulet
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Syntaxe utilisée dans ces notes

• Pour les méthodes (fonctions)
• Description d'une méthode
• Pseudo-syntaxe de la méthode
• code Tcl/Tk
• Exemple
• Ajouter / Supprimer un renderer
• AddRenderer (vtkRenderer)
• RemoveRenderer (vtkRenderer)
• vtkRendererWindow myWindow
• vtkRenderer myRenderer
• myWindow AddRenderer myRenderer

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POO ???
VTK
Librairie de classes C (compilée)

• Système Orienté Objet

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Programmation Orientée Objet

• Concepts de base

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POO Quelques concepts de base
Structure de données Champs
Fonctions
Programmation procedurale
Variables
Classe
POO
Méthodes
Attributs
Objet
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Exemple - Programmation procédurale
Structure de données
point2D p2D point3D p3D . . . p2D malloc
p3D malloc . . . printPoint2D(p2D) printP
oint3D(p3D)
typedef struct int x int y
point2D typedef struct int x int y
int z point3D void printPoint2D(point2D p)
printf("xd, yd",p-gtx, p-gty) void
printPoint3D(point3D p) printf("xd,
yd,zd",p-gtx, p-gty,p-gtz)
Variable
Champs
Fonction
Appel aux fonctions
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Exemple - POO
point2D p2D point2D New point3D p3D
point3D New . . . . . . p2D -gt
print() p3D-gtprint()
Classe
class point2D public void print()
point2D New() protected int x int
y class point3D public void print()
point3D New() protected int x int y
int z
Objets
Méthodes
Attributs
Appel aux méthodes
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VTKUn système de Visualisation Orienté Objet
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Exemple - Sphère
catch load vtktclsource vtkInt.tclsource
colors.tcl vtkSphereSource sphere sphere
SetRadius 5 sphere SetThetaResolution 36
sphere SetPhiResolution 18 vtkPolyDataMapper
isoMapper isoMapper SetInput sphere
GetOutput isoMapper ScalarVisibilityOn vtkAc
tor isoActor isoActor SetMapper isoMapper
eval isoActor GetProperty SetColor
peacock vtkRenderer ren1 ren1 AddActor
isoActor ren1 SetBackground 1 1
1 vtkRenderWindow renWin renWin AddRenderer
ren1 renWin SetSize 500 500 vtkRenderWindowIn
teractor iren iren SetRenderWindow renWin
iren Initialize
Source
Mapper
Actor
Renderer
Render Window
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Exemple - Volume
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Vtk - Système de Visualisation

• Lecture, traitement et affichage de données sous
  la forme d'images
• Deux étapes
• Conversion de données en primitives graphiques
• Points, lignes, triangles,
• Conversion de données graphiques en images
• Affichage des primitives graphiques à l'écran
• Les objets VTK sont organisés en trois modèles
• Modèle de visualisation
• Étape 1 Représentation géométrique des données
• Modèle graphique
• Étape 2 Rendu de la représentation géométrique
• Modèle de traitement
• Traitement d'images

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Vtk - Système de Visualisation
Modèle de Visualisation
Données
Source (Procedural)
Création de nouvelles données
Modèle graphique
Modèle de Traitement
Source (Reader)
Mapper
Lecture
Transformation des données en primitives
graphiques
Filter
Affichage
Mapper (Writer)
Écriture
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Modèle de Visualisation
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Modèle de visualisation

• Objectif
• Transformer les données en primitives graphiques
• Construire la représentation géométriques des
  objets à afficher
• Basé sur un paradigme "pipeline"
• La transformation des données est décomposée en
  modules
• Chaque module réalise une opération précise sur
  les données (transformation)
• Les modules sont connectés entre eux pour former
  un réseau ou pipeline
• Les données circulent à l'intérieur du pipeline,
  en passant d'un module à l'autre

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Modèle de visualisation

• Deux types d'objets
• Objets "data"
• Données qui circulent dans le pipeline
• Appelés datasets
• Objets "process"
• Modules ou composants algorithmiques du pipeline

Process A
Process B
Process C
entrée
sortie
dataset A
dataset B
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Objets Process
Objet Process
Source
Filter
Mapper

• Démarre le pipeline
• Lecture de données externes (images)
• Génération de nouvelles données (graphiques)

• Traite les objets donnée
• Reçoit une ou plusieurs entrées
• Génère une ou plusieurs sorties

• Finit le pipeline
• Génère des primitives graphiques
• Communique le pipeline de visualisation avec le
  modèle graphique

? 1 entrée
aucune entrée
? 1 entrée
Source
Filter
Mapper
? 1 sortie
? 1 sortie
aucune sortie
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Pipeline de visualisation
Source
Filter
objet data
objet data
Modèle graphique
Mapper
Source
Filter
Filter
objet data
objet data
objet data
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Exemple
catch load vtktclsource vtkInt.tclsource
colors.tcl vtkSphereSource sphere sphere
SetRadius 5 sphere SetThetaResolution 36
sphere SetPhiResolution 18 vtkPolyDataMapper
isoMapper isoMapper SetInput sphere
GetOutput isoMapper ScalarVisibilityOn vtkAc
tor isoActor isoActor SetMapper isoMapper
eval isoActor GetProperty SetColor
peacock vtkRenderer ren1 ren1 AddActor
isoActor ren1 SetBackground 1 1
1 vtkRenderWindow renWin renWin AddRenderer
ren1 renWin SetSize 500 500 vtkRenderWindowIn
teractor iren iren SetRenderWindow renWin
iren Initialize
Source
Mapper
Actor
Renderer
Render Window
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Objets Data ou Datasets
objet data ou dataset

• Un dataset est composé de
• Structure topologique (liste de cells)
• Détermine la forme de l'objet (triangle, sphère,
  maillage, etc.)
• Ne varie pas avec certaines transformations
  géométriques (translation, rotation et changement
  d'échelle)
• Un objet contient une ou plusieurs cells
• Structure géométrique (liste de points)
• Instanciation de la structure topologique
• Coordonnées des points qui conforment les cells
• Attributs
• Information complémentaire associée aux points ou
  aux cells (température en un point, masse d'une
  cell, etc)

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Cells

• Atomes qui conforment un dataset
• Une cell est une organisation topologique de
  points (coordonnées x,y,z)
• Définie par
• Type
• Liste ordonnée de points

Tétraèdre
Hexaèdre
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Types de cells

• Vertex
• Polyvertex
• Line
• Polyline
• Triangle
• Triangle Strip
• Quadrilateral

• Pixel
• Polygon
• Tetrahedron
• Hexahedron
• Voxel

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Types de Datasets
Points structurés
Grille rectiligne
vtkStructuredPoints Images 2D et 3D
vtkRectilinearGrid Maillage carré
Grille structurée
Données polygonales
vtkStructuredGrid Maillage 2D
vtkPolyData Points, lignes, polygones
Grille non structurée
vtkUnstructuredGrid Maillage 2D / 3D non structuré
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Exemples de maillages

• Les cells peuvent avoir des différentes formes et
  tailles
• 2D triangles, quadrilatéraux, ...
• 3D tétraèdres, hexaèdres, pyramides,
• Les maillages peuvent contenir un ou plusieurs
  type de cells

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Type des attributs associés aux points et aux
cells d'un dataset
Scalaire
Vecteur
Normal
vtkScalars Valeur simple
vtkVectors Magnitude et direction (3D)
vtkNormals Direction (3D)
s
(u,v,w)
(nx,ny,nz) n 1
Coordonnée de texture
Tenseur
t
vtkTCoords Correspondance entre un indice et une
carte de textures
vtkTensors Matrice n x n
2D (u,v) 3D (u,v,w)
s
Tableau de données
Tableau 0
Tableau 1
Tableau n-1
. . .
vtkFieldData Tableau de tableaux Chaque tableau
peut être de différent type
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Modèle Graphique
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Modèle graphique

• Objectif
• Transformer des données graphiques en images et
  les afficher à l'écran
• Regroupe les caractéristiques d'un système
  graphique 3D (infographie)
• Les principales classes VTK du modèle graphique
• Render Window
• Renderer
• Light
• Camera
• Actor
• Property
• Transform
• Mapper

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Modèle graphique
Render Window
Renderer
Camera Light
Actor
Property Transform Mapper
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Render Window
Renderer

• Gère la(s) fenêtre(s) dans laquelle on va
  afficher les images ou les objets graphiques
• Fonctionnalité par défaut d'une fenêtre windows
• Indépendante des dispositifs graphiques
• Gère l'ensemble de renders contenus dans la
  fenêtre
• Plusieurs renderers peuvent dessiner dans une
  même fenêtre (render window) pour créer une scène
  (image finale)

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Classe vtkRenderWindow

• Méthodes
• Ajouter / Supprimer un renderer
• AddRenderer (vtkRenderer)
• RemoveRenderer (vtkRenderer)
• Configuration de l'écran
• FullScreenOn ()
• FullScreenOff ()
• BordersOn ()
• BordersOff ()

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Renderer

• Coordonne la(s) source(s) de lumière, la camera
  et les actors pour générer l'image d'une scène
• Une scène comporte
• Au moins un actor, une camera et une source de
  lumière
• Si les objets camera et light ne sont pas
  définis, ils sont créés automatiquement par le
  renderer

Light représente et manipule l'éclairage de la
scène (en 3D)
Actor ce que l'on voit
Camera détermine comment projeter une
géométrie 3D sur une image 2D
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Classe vtkRenderer

• Méthodes
• Ajouter/Supprimer des actors et des lights
• AddActor (vtkActor) / RemoveActor (vtkActor)
• AddLight (vtkLight) / RemoveLight (vtkLight)
• Déterminer la camera à utiliser pour le rendu
• SetActiveCamera (vtkCamera)
• Créer l'image résultant du rendu
• Render
• Conversion de coordonnées
• ViewToWorld (float, float, float) / void
  WorldToView (float, float, float)

y
y
Monde
Vue
x
x
z
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Classe vtkLight

• Méthodes
• Fixer la couleur de la lumière
• SetColor (float ,float ,float) / GetColor ()
• Déterminer la position de la source
• SetPosition (float ,float ,float ) / GetPosition
  ()
• Définir l'intensité (de 0 à 1)
• SetIntensity (float ) / GetIntensity ()
• Allumer / Éteindre
• SwitchOn ()
• SwitchOff ()

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Classe vtkCamera

• Méthodes
• Fixer la position de la camera en coordonnées
  monde
• SetPosition (float ,float ,float ) / GetPosition
  ()
• Déterminer la position du point focal de la
  camera
• SetFocalPoint (float ,float ,float ) /
  GetFocalPoint ()
• Calculer la distance entre la position de la
  camera et celle du point focal
• ComputeDistance ()

Plan arrière de clipping
Direction de projection
Point focal
Position
Plan frontal de clipping
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Actor
Actor

• Objet dessiné par un renderer dans une scène
• Un actor ne représente pas directement sa
  géométrie ni son apparence
• Celles-ci sont définies en termes de
• Property
• Mapper
• Transform

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Classe vtkActor

• Méthodes
• Associer l'objet property qui détermine les
  propriétés d'apparence de l'actor
• SetProperty (vtkProperty) / GetProperty ()
• Un objet property est crée par défaut
• Plusieurs actors peuvent partager le même objet
  property
• Associer l'objet mapper qui détermine la
  géométrie de l'actor
• SetMapper (vtkMapper) / GetMapper ()
• Définir la matrice de transformations qui
  détermine l'échelle, la position et l'orientation
  de l'actor
• SetUserMatrix (vtkMatrix4x4 )
• Généralement
• Il ne faut pas définir explicitement les
  propriétés ni les transformations. Des valeurs
  par défaut son déterminées lors de la création de
  l'actor

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Property

• Détermine l'apparence de la surface d'un actor
• Classe VTK vtkProperty
• Méthodes
• Représentation de la géométrie de la surface
• SetRepresentationToPoints ()
• SetRepresentationToWireframe ()
• SetRepresentationToSurface ()
• Déterminer la couleur de la surface
• SetColor (float ,float ,float )
• Fixer l'opacité de la surface (0 transparent, 1.0
  opaque)
• SetOpacity (float )

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Mapper

• Chargé du rendu (rendering)
• Lie le modèle de visualisation et le modèle
  graphique
• Détermine la géométrie de l'actor
• Combinaison de points (sommets), lignes,
  polygones, etc
• Définit la couleur des sommets
• Fait référence à une palette de couleurs
• Tout actor doit avoir un mapper associé pour
  pouvoir être affiché à l'écran
• Classes VTK vtkMapper, vtkPolyDataMapper,
  vtkDataSetMapper

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Classe vtkPolyDataMapper

• Méthodes
• Spécifier les données d'entrée au mapper (données
  à afficher)
• SetInput (vtkPolyData)
• Associer la palette de couleurs
• SetLookupTable (vtkLookupTable)
• Créer une palette de couleurs par défaut
• CreateDefaultLookupTable ()
• Déterminer si le rendu est fait de manière
  immédiate ou pas
• ImmediateModeRenderingOn ()
• ImmediateModeRenderingOff ()

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Transform

• Garde une pile de matrices de transformation
• Une seule matrice courante de transformation
• Fournit de méthodes pour effectuer les opérations
  de translation, changement d'échelle et rotation

ë
û
Translation (tx,ty,tz)
Chgt d'échelle (sx,sy,sz)
Rotation q autour de x
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Classe vtkTransform

• Méthodes
• Créer d'une matrice identité
• Identity ()
• Créer une matrice de rotation et la concaténer
  avec la matrice courante de transformation
• RotateX (float), RotateY (float ), RotateZ (float
  )
• Changer d'échelle la matrice courante de
  transformation
• Scale (float ,float ,float )
• Déplacer la matrice courante de transformation
• Translate (float ,float ,float )
• Transposer la matrice courante de transformation
• Transpose ()
• Invertir la matrice courante de transformation
• Inverse ()

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Modèle de Traitement
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Modèle de traitement

• Objectif
• Traitement d'images
• Implémentation particulière du pipeline de
  visualisation pour le traitement de datasets de
  type "Points structurés" (vtkStructuredPoints)
• 2D
• Images
• Bitmaps
• 3D
• Volumes (piles de datasets 2D)
• Classes spécialisées pour
• Lecture
• Ecriture

• Affichage
• Traitement

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Lecture d'images (2D et 3D)

• vtkImageReader
• Lecture de n'importe quel type d'image
• Il faut indiquer les dimensions et le type de
  l'image (pour sauter l'entête)
• Les volumes sont lus comme une séquence d'images
• Possibilité de lire un région d'intérêt (ROI/VOI)
• vtkBMPReader
• Images BMP
• vtkTIFFReader
• Images TIFF

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Exemple de lecture

• vtkImageReader monReader
• monReader SetDataByteOrderToLittleEndian
• monReader SetDataExtent 0 255 0 255 34 85
• monReader SetFilePrefix "000"
• monReader SetFilePattern "sd.ima"
• monReader SetDataScalarTypeToUnsignedShort
• monReader Update

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Écriture d'images

• vtkImageWriter
• Ecriture de n'importe quel type d'image
• Le type de l'image à sauvegarder est le même que
  celui de l'image en entrée
• Les dimensions déterminent si les données doivent
  être sauvegardés en plusieurs fichiers
• vtkBMPWriter
• vtkTIFFWriter

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Affichage d'images

• Mapper
• vtkImageMapper
• vtkDataSetMapper
• vtkPolyDataMapper
• vtkVolumeMapper
• Actor
• vtkActor
• vtkActor2D
• Renderer
• vtkRenderer

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Traitement

• vtkImageAnisotropicDiffusion2D/3D
• Lissage par la méthode de diffusion anisotrope
• vtkImageContinuousDilate3D (vtkImageContinuousErod
  e3D)
• Opérations morphologiques de dilatation/érosion
• vtkImageCityBlockDistance
• Carte de distances 1,2 or 3D
• vtkImageFFT
• Transformée de Fourier
• vtkImageGaussianSmooth
• Filtrage gaussien

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Traitement

• vtkImageGradient
• Gradient de l'image
• vtkImageMarchingCubes
• Génération d'isosurfaces (rendu de surfaces)
• vtkImageMedian3D
• Filtrage médian
• vtkImageResample
• Re-échantillonnage d'une image avec interpolation
  linaire
• vtkImageSkeleton2D
• Squelettisation d'images 2D

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Traitement

• vtkImageSobel2D/3D
• Opérateur de sobel
• vtkImageThreshold
• Seuillage
• vtkVolumeRayCastIsosurfaceFunction
• Rendu surfacique d'un volume
• vtkVolumeRayCastMIPFunction
• Création de l'image MIP (maximum intensity
  projection) d'un volume

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Exemple d'une Application
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Tcl/Tk VTK C
56
Vtk C

• VTK est une librairie de classes C
• Aucun problème de communication
• Pour programmer
• Inclure les fichier "headers" correspondants (.h)
• Programmer en C

include "vtk.h" include "vtkImageReader.h" incl
ude "vtkImageData.h" include "vtkImageCache.h" i
nclude "vtkScalars.h" extern "C" include
"idvol.h"
Pour programmer en même temps avec libido (C)
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VTK et Tcl/Tk
VTK
Composant de communication avec des langages
interpretés Tcl/Tk, Java, Python
Tcl/Tk
Librairie de classes C (compilée)

• En Tcl
• Charger la librairie (load vtktcl)
• Pour chaque classe VTK
• Il existe une nouvelle commande Tcl pour créer
  les objets
• Une fois l'objet est crée, le nom de l'objet
  devient une commande pour appeler ses méthodes

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Exemple
Charger la librairie

• load vtktcl
• vtkActor actorToto
• actorToto print
• actorToto SetDebug 1
• puts actorToto GetDebug
• set property actorToto GetProperty
• property Print
• property SetColor 1 0 0
• puts property GetColor

Commande Tcl vtkActor
Nouvelle commande actorToto
Nouvelle commande property
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Interface graphique du logiciel

• Normalement
• Les "Render Window" sont des fenêtres
  indépendantes
• Le logiciel aura une fenêtre séparée pour chaque
  render window
• Pour combiner les Render Window (de VTK) et les
  objets graphiques d'interface Tk dans une seule
  fenêtre
• Widget vtkTkRenderWidget
• C'est un widget Tk comme les autres
• Possède une méthode spéciale pour communiquer
  avec VTK

vtkRenderer monRenderer vtkTkRenderWidget
.maFenetre -width 300 -height 300 set RenWin
.maFenetre GetRenderWindow RenWin AddRenderer
monRenderer
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Communication avec DLLs
Logiciel Tcl/Tk
DLL C avec VTK
Création d'un objet VTK en Tcl/Tk et manipulation
en C

• Récupérer le pointeur de l'objet (adresse) avec
  la méthode print
• Passer l'adresse à la fonction de la dll (avec le
  cast correspondant)

VTK
VTK