VTK 圖形基本操作進階_網格平滑（點雲的曲面重建技術）

1.網格平滑

現代掃描技術的發展使得獲取點雲數據不再困難，通過曲線重建技術可以獲取表面網格來表示各種復雜的實體。但是點雲數據中往往存在噪聲，這樣得到的重建網格通常都需要進行平滑處理。

拉普拉斯平滑是一種常用的網格平滑算法。該方法的原理比較簡單，如下圖所示：

將每個點用其鄰域點的中心來代替。通過不斷地迭代，可以得到較為光滑的網格。

VTK中，VTKSmoothPolyDataFilter類實現了網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()控制平滑次數，次數越多平滑的越厲害。200次的平滑效果如下圖所示：

左圖為原始模型，右圖為平滑后模型。從圖中可以看出，經過200次Laplace平滑后，模型變得相當的光滑，但是在平滑的同事也損失了一些細節信息。

其實在該類中還有多個變量來控制平滑過程，利用這些變量在一定程度上可以控制細節的損失。

BoundarySmoothing:控制是否對邊界點平滑。這里需要理解邊界點的概念，在一個網格模型中，一條邊只被一個單元包含那么這條邊就是邊界邊，而邊界邊上的點則為邊界點。如果一個模型中含有邊界邊，則說明該模型不是封閉的，正如圖中的一樣。

FeatureEdgeSmoothing:控制是否對特征邊上的點進行平滑。如果一條邊被兩個鄰近的多邊形共用，若兩個多邊形法向量的夾角（特征角）大於定義的閾值，則說明該邊為一條特征邊。因此，FeatureEdgeSmoothing設置開始時，需要調用SetFeatureAngle()函數設置特征角的閾值。具體如圖所示：

特征角越大，說明改邊越尖銳。特征邊/角往往表達模型的細節，平滑過程中最好不要進行處理，以保護細節不受損傷。

雖然通過特征邊平滑設置可以降低一部分細節損失，但並不能完全避免，且隨着laplace平滑的不斷迭代，模型會逐漸向網格的中心收縮。所以，vtkWindowSincPolyDataFilter是一種更好的選擇，該算法采用窗口Sinc函數實現網格平滑，能夠最小程度地避免收縮，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();

算法的輸出結果如下所示：