VTK 图形基本操作进阶_网格平滑（点云的曲面重建技术）

1.网格平滑

现代扫描技术的发展使得获取点云数据不再困难，通过曲线重建技术可以获取表面网格来表示各种复杂的实体。但是点云数据中往往存在噪声，这样得到的重建网格通常都需要进行平滑处理。

拉普拉斯平滑是一种常用的网格平滑算法。该方法的原理比较简单，如下图所示：

将每个点用其邻域点的中心来代替。通过不断地迭代，可以得到较为光滑的网格。

VTK中，VTKSmoothPolyDataFilter类实现了网格的拉普拉斯平滑算法，使用方法如下：

#include <vtkAutoInit.h>
VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL);  3 VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);  4 VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingFreeType);  5  
#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkPolyDataReader.h>
#include <vtkSmoothPolyDataFilter.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkActor.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
int main() 15 { 16     vtkSmartPointer<vtkPolyDataReader> reader =
        vtkSmartPointer<vtkPolyDataReader>::New(); 18     reader->SetFileName("fran_cut.vtk"); 19     reader->Update(); 20  
    vtkSmartPointer<vtkSmoothPolyDataFilter> smoothFilter =
        vtkSmartPointer<vtkSmoothPolyDataFilter>::New(); 23     smoothFilter->SetInputConnection(reader->GetOutputPort()); 24     smoothFilter->SetNumberOfIterations(100); 25     smoothFilter->Update(); 26     /
    vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> inputMapper =
        vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New(); 29     inputMapper->SetInputConnection(reader->GetOutputPort()); 30     vtkSmartPointer<vtkActor> inputActor =
        vtkSmartPointer<vtkActor>::New(); 32     inputActor->SetMapper(inputMapper); 33  
    vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> smoothedMapper =
        vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New(); 36     smoothedMapper->SetInputConnection(smoothFilter->GetOutputPort()); 37     vtkSmartPointer<vtkActor> smoothedActor =
        vtkSmartPointer<vtkActor>::New(); 39     smoothedActor->SetMapper(smoothedMapper); 40     /
    double leftViewport[4] = { 0.0, 0.0, 0.5, 1.0 }; 42     double rightViewport[4] = { 0.5, 0.0, 1.0, 1.0 }; 43  
    vtkSmartPointer<vtkRenderer> leftRenderer =
        vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New(); 46     leftRenderer->SetViewport(leftViewport); 47     leftRenderer->AddActor(inputActor); 48     leftRenderer->SetBackground(1, 0, 0); 49     leftRenderer->ResetCamera(); 50  
    vtkSmartPointer<vtkRenderer> rightRenderer =
        vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New(); 53     rightRenderer->SetViewport(rightViewport); 54     rightRenderer->AddActor(smoothedActor); 55     rightRenderer->SetBackground(0, 0, 0); 56     rightRenderer->ResetCamera(); 57     /
    vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> rw =
        vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New(); 60     rw->AddRenderer(leftRenderer); 61     rw->AddRenderer(rightRenderer); 62     rw->SetSize(640, 320); 63     rw->SetWindowName("PolyData Grid Smooth By LapLasian"); 64  
    vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> rwi =
        vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New(); 67     rwi->SetRenderWindow(rw); 68     rwi->Initialize(); 69     rwi->Start(); 70     return 0; 71 }

vtkSmoothPolyDataFilter::SetNumberOfIterations()控制平滑次数，次数越多平滑的越厉害。200次的平滑效果如下图所示：

左图为原始模型，右图为平滑后模型。从图中可以看出，经过200次Laplace平滑后，模型变得相当的光滑，但是在平滑的同事也损失了一些细节信息。

其实在该类中还有多个变量来控制平滑过程，利用这些变量在一定程度上可以控制细节的损失。

BoundarySmoothing:控制是否对边界点平滑。这里需要理解边界点的概念，在一个网格模型中，一条边只被一个单元包含那么这条边就是边界边，而边界边上的点则为边界点。如果一个模型中含有边界边，则说明该模型不是封闭的，正如图中的一样。

FeatureEdgeSmoothing:控制是否对特征边上的点进行平滑。如果一条边被两个邻近的多边形共用，若两个多边形法向量的夹角（特征角）大于定义的阈值，则说明该边为一条特征边。因此，FeatureEdgeSmoothing设置开始时，需要调用SetFeatureAngle()函数设置特征角的阈值。具体如图所示：

特征角越大，说明改边越尖锐。特征边/角往往表达模型的细节，平滑过程中最好不要进行处理，以保护细节不受损伤。

虽然通过特征边平滑设置可以降低一部分细节损失，但并不能完全避免，且随着laplace平滑的不断迭代，模型会逐渐向网格的中心收缩。所以，vtkWindowSincPolyDataFilter是一种更好的选择，该算法采用窗口Sinc函数实现网格平滑，能够最小程度地避免收缩，vtkWindowSincPolyDataFilter的用法和VTKSmoothPolyDataFilter用法完全一致。

vtkSmartPointer<vtkWindowedSincPolyDataFilter> wndSincSmoothFilter =
        vtkSmartPointer<vtkWindowedSincPolyDataFilter>::New(); 3     wndSincSmoothFilter->SetInputConnection(reader->GetOutputPort()); 4     wndSincSmoothFilter->SetNumberOfIterations(10); 5     wndSincSmoothFilter->Update();

算法的输出结果如下所示：