VTK 圖形基本操作進階_符號化操作與模型區率計算

1.符號化Glyphing再談

上一篇帖子提到一個事，就是用符號化操作顯示單元的法向量。

模型的法向量數據是向量數據，因此法向量不能像前面講到的通過顏色映射來顯示。但是可以通過符號化（Glyphing）技術將法向量圖形化顯示。Glyphing是一種基於圖形的可視化技術，這些圖像可以是簡單的基本圖形，如具有方向的椎體，也可以是更加復雜的圖像。VTK中就是應用vtkGlyph3D類實現該功能的，並且可以支持Glyphing圖形的縮放、着色、設置空間姿態等。使用該類時，需要接受兩個輸入：一個是需要顯示的幾何數據點集合；另一個是Glyph圖形數據，為vtkPolyData數據。

     

由於讀入的模型數據比較大，點比較多，因此使用vtkMaskPoints類采樣部分數據，該類保留輸入數據中的點數據及其屬性，並支持點數據的采樣。為了減小計算量，隨機采樣了300個點做Glyphing顯示。將其輸出作為vtkGlyph3D的輸入數據，而SetSourceData()設置了一個VTKArrowSource數據作為源數據，這樣的效果是在輸入數據的每一個點處會顯示一個Glyph圖形，這里我選用的就是箭頭圖形。vtkGlyph3D::SetVectorModeToUseNormal()指定要使用法向量數據來控制Glyph圖形方向。vtkGlyph3D::SetScaleFactor()則控制Glyph圖形的大小。

2.曲率計算

曲率時曲面彎曲程度的一種度量，是幾何體的一種重要的局部特征。如下圖所示：

要計算曲面上給定點M的曲率，考慮經過M的法線的一個平面與曲面相交，得到一條二維曲面，稱之為曲面在M點的一條法截線。經過M點法向量的曲面可以任意旋轉，即可得到任意多條法截面，如上圖所示。每一條法截線都會對應一個曲率，取具有最大曲率和最小曲率的兩條法截線為主法截線，例如上圖中的C1,C2;其對應的曲率分別記為k1,k2;稱為主曲率；高斯曲率等於主曲率的乘積即k1*k2;平均曲率等於主曲率k1,k2的平均值，即（k1+k2）/2;當然，這只是曲率的直觀幾何解釋，並沒有給出具體的計算公式。這個公式高中就接觸過：

vtk中vtkCurvatures類實現了四種計算網格模型點曲率的計算方法。該類接受一個vtkPolyData數據，經計算得到的曲率數據作為網格模型的點的屬性數據存入返回的vtkPolyData中。

下例實現了一個網格模型的曲率計算，並通過顏色映射表來顯示模型的表面曲率：

#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 <vtkCurvatures.h>
#include <vtkLookupTable.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkActor.h>
#include <vtkScalarBarActor.h>
#include <vtkPointData.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
 
int main() 19 { 20     vtkSmartPointer<vtkPolyDataReader> reader =
        vtkSmartPointer<vtkPolyDataReader>::New(); 22     reader->SetFileName("fran_cut.vtk"); 23     reader->Update(); 24     
    vtkSmartPointer<vtkCurvatures> curvaturesFilter =
        vtkSmartPointer<vtkCurvatures>::New(); 27     curvaturesFilter->SetInputConnection(reader->GetOutputPort()); 28     //curvaturesFilter->SetCurvatureTypeToMinimum(); //最小曲率
    curvaturesFilter->SetCurvatureTypeToMaximum();   //最大曲率 30     //curvaturesFilter->SetCurvatureTypeToGaussian();//高斯曲率 31     //curvaturesFilter->SetCurvatureTypeToMean(); //平均曲率
    curvaturesFilter->Update(); 33  
    double scalarRange[2]; 35     curvaturesFilter->GetOutput()->GetScalarRange(scalarRange); 36     //建立查找表 做顏色映射
    vtkSmartPointer<vtkLookupTable> lut =
        vtkSmartPointer<vtkLookupTable>::New(); 39     lut->SetHueRange(0.0, 0.6); 40     lut->SetAlphaRange(1.0, 1.0); 41     lut->SetValueRange(1.0, 1.0); 42     lut->SetSaturationRange(1.0, 1.0); 43     lut->SetNumberOfTableValues(256); 44     lut->SetRange(scalarRange); 45     lut->Build(); 46     /// 47     vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper =
        vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New(); 49     mapper->SetInputData(curvaturesFilter->GetOutput()); 50     mapper->SetLookupTable(lut); 51     mapper->SetScalarRange(scalarRange); 52  
    vtkSmartPointer<vtkActor> actor =
        vtkSmartPointer<vtkActor>::New(); 55     actor->SetMapper(mapper); 56  
    vtkSmartPointer<vtkScalarBarActor> scalarBar =
        vtkSmartPointer<vtkScalarBarActor>::New(); 59     scalarBar->SetLookupTable(mapper->GetLookupTable()); 60     scalarBar->SetTitle(curvaturesFilter->GetOutput()->GetPointData()->GetScalars()->GetName()); 61     scalarBar->SetNumberOfLabels(5); //設置5個標簽
 
    vtkSmartPointer<vtkRenderer> render =
        vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New(); 65     render->AddActor(actor); 66     render->AddActor2D(scalarBar); 67     render->SetBackground(0, 0, 0); 68  
    vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> rw =
        vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New(); 71     rw->AddRenderer(render); 72     rw->SetSize(640, 480); 73     rw->SetWindowName("Calculating PolyData Curvature"); 74  
    vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> rwi =
        vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New(); 77     rwi->SetRenderWindow(rw); 78     rwi->Initialize(); 79     rwi->Start(); 80     return 0; 81 }

首先讀入一個vtkPolyData人臉模型數據，作為vtkCurvatures的輸入，並調用SetCurvatureTypeToMaximum()函數計算最大曲率，此外我們還可以定義最小曲率，高斯曲率，平均曲率。當然，四種曲率允許同時計算。

在內部計算完曲率數據后，將其作為輸出的vtkPolyData點的屬性數據。保存屬性數據時，四種曲率數據分別對應屬性名字為Minimum_Curvature/M aximum_Curvature/Gauss_Curvature/Mean_Curvature,因此可以通過屬性名字獲取相應的曲率數據。例如要獲得高斯曲率數據，可調用：

vtkDoubleArray *gauss = static_cast<vtkDoubleArray*>( 2 curvaturesFilter->GetOutput()->GetpointData()->GetArray("Gauss_Curvature"));

為了能夠在模型上顯示曲率屬性數據，采用顏色映射來顯示。定義了一個256色的VTKLookupTable對象，並設置了曲率數據的范圍。

然后將改顏色映射表添加到vtkPolyDataMapper中。

最后，我用到了一個新的VTKScalarBarActor類，該類支持一個顏色映射表轉換為一個Actor對象，將顏色表以圖形的形式顯示，並支持設置圖形相應的名字和翔實數據Label個數。最后顯示即可。