VTK 图形基本操作进阶_网格模型的特征边 与 封闭性检测

1.封闭性检测

由于受原始数据、重建方法的限制，得到的网格模型并不是封闭的。有时为了显示或者处理某些要求，需要网格必须是封闭的。

封闭性网格应该比较好理解，比如一个球形网格。

1.1网格模型边的分类

之前也有提到过边界边的概念：如果一条边只被一个多边形包含，那么这条边就是边界边。是否存在边界边是检测一个网格模型是否封闭的重要特征。

vtkFeatureEdges是一个非常重要的类，该类能够提取多边形网格模型中四种类型的边。

• 边界边：只被一个多边形或者一条边包围的边。
• 非流形边：被三个或者三个以上多边形包围的边；
• 特征边：需要设置一个特征角的阈值，当包含同一条边的两个三角形的法向量的夹角大于该阈值时，即为一个特征边。
• 流行边：只被两个多边形包含的边。

1.2 网格封闭性判断

可以通过使用vtkFeatureEdges类检测是否存在边界边，洁儿判断网格是否封闭。

示例代码如下：

#include <vtkAutoInit.h>
VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL);  3 VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingFreeType);  4 VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);  5  
#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkSphereSource.h>
#include <vtkIdTypeArray.h>
#include <vtkSelectionNode.h>
#include <vtkSelection.h>
#include <vtkExtractSelection.h>
#include <vtkDataSetSurfaceFilter.h>
#include <vtkInformation.h>
#include <vtkProperty.h>
//生成带孔洞的网格球
void GenerateData(vtkSmartPointer<vtkPolyData> input)  17 {  18     vtkSmartPointer<vtkSphereSource> sphereSource =
        vtkSmartPointer<vtkSphereSource>::New();  20     sphereSource->Update();  21  
    //提供了插入和检索值的方法，并会自动调整大小以保存新数据
    vtkSmartPointer<vtkIdTypeArray> ids =
        vtkSmartPointer<vtkIdTypeArray>::New();  25     ids->SetNumberOfComponents(1);  26     ids->InsertNextValue(2);  27     ids->InsertNextValue(10);  28  
    //选择树中的节,用于存储选择结果
    vtkSmartPointer<vtkSelectionNode> selectionNode =
        vtkSmartPointer<vtkSelectionNode>::New();  32     selectionNode->SetFieldType(vtkSelectionNode::CELL);  33     selectionNode->SetContentType(vtkSelectionNode::INDICES);  34     selectionNode->SetSelectionList(ids);  35     selectionNode->GetProperties()->Set(vtkSelectionNode::INVERSE(), 1);  36  
    vtkSmartPointer<vtkSelection> selection =
        vtkSmartPointer<vtkSelection>::New();  39     selection->AddNode(selectionNode);  40  
    //从vtkdataset提取子集,删除操作
    vtkSmartPointer<vtkExtractSelection> extractSelection =
        vtkSmartPointer<vtkExtractSelection>::New();  44     extractSelection->SetInputData(0, sphereSource->GetOutput());  45     extractSelection->SetInputData(1, selection);  46     extractSelection->Update();  47  
    //vtkDataSetSurfaceFilter是更快版本的vtkgeometry滤波器  49     //但它没有一个选择范围。比vtkGeometryFilter使用更多的内存  50     //只有一个选择：输入结构类型时是否使用三角形条
    vtkSmartPointer<vtkDataSetSurfaceFilter> surfaceFilter =
        vtkSmartPointer<vtkDataSetSurfaceFilter>::New();  53     surfaceFilter->SetInputConnection(extractSelection->GetOutputPort());  54     surfaceFilter->Update();  55  
    input->ShallowCopy(surfaceFilter->GetOutput());  57 }  58 #include <vtkPolyData.h>
#include <vtkFeatureEdges.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkFillHolesFilter.h>
#include <vtkPolyDataNormals.h>
#include <vtkActor.h>
#include <vtkCamera.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
 
int main()  70 {  71     vtkSmartPointer<vtkPolyData> input =
        vtkSmartPointer<vtkPolyData>::New();  73  GenerateData(input);  74  
    vtkSmartPointer<vtkFeatureEdges> featureEdges =
        vtkSmartPointer<vtkFeatureEdges>::New();  77     featureEdges->SetInputData(input);  78     featureEdges->BoundaryEdgesOn();  79     featureEdges->FeatureEdgesOff();  80     featureEdges->ManifoldEdgesOff();  81     featureEdges->NonManifoldEdgesOff();  82     featureEdges->Update();  83  
    int numberOfOpenEdges = featureEdges->GetOutput()->GetNumberOfCells();  85     if (numberOfOpenEdges)  86  {  87         std::cout << "该网格模型不是封闭的..." << std::endl;  88  }  89     else
 {  91         std::cout << "该网格模型是封闭的..." << std::endl;  92         return EXIT_SUCCESS;  93  }  94     vtkSmartPointer<vtkFillHolesFilter> fillHolesFilter =
        vtkSmartPointer<vtkFillHolesFilter>::New();  96     fillHolesFilter->SetInputData(input);  97     fillHolesFilter->Update();  98  
    vtkSmartPointer<vtkPolyDataNormals> normals =
        vtkSmartPointer<vtkPolyDataNormals>::New(); 101     normals->SetInputConnection(fillHolesFilter->GetOutputPort()); 102     normals->ConsistencyOn(); //很重要，根据其他单元点的顺序调整补充点的顺序
    normals->SplittingOff(); 104     normals->Update(); 105     /
    double leftViewport[4] = { 0.0, 0.0, 0.5, 1.0 }; 107     double rightViewport[4] = { 0.5, 0.0, 1.0, 1.0 }; 108  
    vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> originalMapper =
        vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New(); 111     originalMapper->SetInputData(input); 112     vtkSmartPointer<vtkProperty> backfaceProp =
        vtkSmartPointer<vtkProperty>::New(); 114     backfaceProp->SetDiffuseColor(0.89, 0.81, 0.34); 115     vtkSmartPointer<vtkActor> originalActor =
        vtkSmartPointer<vtkActor>::New(); 117     originalActor->SetMapper(originalMapper); 118     originalActor->SetBackfaceProperty(backfaceProp); 119     originalActor->GetProperty()->SetDiffuseColor(1.0, 0.3882, 0.2784); 120  
    vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> edgeMapper =
        vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New(); 123     edgeMapper->SetInputData(featureEdges->GetOutput()); 124     vtkSmartPointer<vtkActor> edgeActor =
        vtkSmartPointer<vtkActor>::New(); 126     edgeActor->SetMapper(edgeMapper); 127     edgeActor->GetProperty()->SetEdgeColor(0., 0., 1.0); 128     edgeActor->GetProperty()->SetEdgeVisibility(1); 129     edgeActor->GetProperty()->SetLineWidth(5); 130  
    vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> filledMapper =
        vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New(); 133     filledMapper->SetInputData(normals->GetOutput()); 134     vtkSmartPointer<vtkActor> filledActor =
        vtkSmartPointer<vtkActor>::New(); 136     filledActor->SetMapper(filledMapper); 137     filledActor->GetProperty()->SetDiffuseColor(1.0, 0.3882, 0.2784); 138     /// 139     vtkSmartPointer<vtkRenderer> leftRenderer =
        vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New(); 141     leftRenderer->SetViewport(leftViewport); 142     leftRenderer->AddActor(originalActor); 143     leftRenderer->AddActor(edgeActor); 144     leftRenderer->SetBackground(1.0, 1.0, 1.0); 145  
    vtkSmartPointer<vtkRenderer> rightRenderer =
        vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New(); 148     rightRenderer->SetViewport(rightViewport); 149     rightRenderer->AddActor(filledActor); 150     rightRenderer->SetBackground(0, 0, 0); 151  
    vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow =
        vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New(); 154     renderWindow->AddRenderer(leftRenderer); 155     renderWindow->AddRenderer(rightRenderer); 156     renderWindow->SetSize(640, 320); 157     renderWindow->Render(); 158     renderWindow->SetWindowName("Poly Data Closed"); 159  
    vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor =
        vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New(); 162     renderWindowInteractor->SetRenderWindow(renderWindow); 163  
    leftRenderer->GetActiveCamera()->SetPosition(0, -1, 0); 165     leftRenderer->GetActiveCamera()->SetFocalPoint(0, 0, 0); 166     leftRenderer->GetActiveCamera()->SetViewUp(0, 0, 1); 167     leftRenderer->GetActiveCamera()->Azimuth(30); 168     leftRenderer->GetActiveCamera()->Elevation(30); 169     leftRenderer->ResetCamera(); 170     rightRenderer->SetActiveCamera(leftRenderer->GetActiveCamera()); //同步响应
    renderWindowInteractor->Start(); 172  
    return 0; 174 }

为了方便看到效果，我建立了一个球面网格，并去除乐其中另个三角面片（单元）。结果如下：

将该数据作为vtkFeatureEdges的输入，vtkBoundaryOn()函数设置提取边界边，本例无需考虑其他类型的边。执行完毕后，其输出GetOutput()为一个包含边信息的vtkPolyData数据。可以通过判断边界边的数目来确定网格是否封闭：

int numberOfOpenEdges = featureEdges->GetOutput()->GetNumberOfCells();

1.3 漏洞填补

很多情况下，检测出是否封闭还是不够的，还需将这些漏洞填补起来。VTK中有现成的类来完成这个功能——vtkFillHolesFilter。

其内部执行过程是首先检测出网格中的所有边界边，然后找出这些边界边中的每一个闭合回路，最后将这些闭合回路进行三角化（即生成三角网格）以实现填补的目的。这个类也是非常简单的，只需要设置需要填补的网格数据即可。

需要注意的是，有些边界的闭合回路是不需要三角化的，例如一个平面网格，若填补其四周的边界边，则会与原网格产生覆盖。vtkFillHolesFilters()中的SetHoleSize()函数可用于控制需要修补的漏洞面积的最大值，大于该值的漏洞则不需要填补处理。

现在，我们需要讨论的一个重要的问题是为什么要使用vtkPolyDataNormals?

这个事之前也提到过，在这里复习一遍。法向量这个东西和光照与阴影的计算密切相关。单元的法向量朝向则与单元的点顺序相关！只有保持所有的单元的点顺序一致才能得到正确的法向量，否则在网格模型显示时会得到意外的结果！如下所示：

由于经过漏洞填充，模型的所有单元的点顺序并不一致，因此使用vtkPolyDataNormals::ConsisitencyOn()进行调整。这样才能避免上面的问题。