VTK 圖形基本操作進階_網格模型的特征邊 與 封閉性檢測

1.封閉性檢測

由於受原始數據、重建方法的限制，得到的網格模型並不是封閉的。有時為了顯示或者處理某些要求，需要網格必須是封閉的。

封閉性網格應該比較好理解，比如一個球形網格。

1.1網格模型邊的分類

之前也有提到過邊界邊的概念：如果一條邊只被一個多邊形包含，那么這條邊就是邊界邊。是否存在邊界邊是檢測一個網格模型是否封閉的重要特征。

vtkFeatureEdges是一個非常重要的類，該類能夠提取多邊形網格模型中四種類型的邊。

• 邊界邊：只被一個多邊形或者一條邊包圍的邊。
• 非流形邊：被三個或者三個以上多邊形包圍的邊；
• 特征邊：需要設置一個特征角的閾值，當包含同一條邊的兩個三角形的法向量的夾角大於該閾值時，即為一個特征邊。
• 流行邊：只被兩個多邊形包含的邊。

1.2 網格封閉性判斷

可以通過使用vtkFeatureEdges類檢測是否存在邊界邊，潔兒判斷網格是否封閉。

示例代碼如下：

#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>
//生成帶孔洞的網格球
void GenerateData(vtkSmartPointer<vtkPolyData> input)  17 {  18     vtkSmartPointer<vtkSphereSource> sphereSource =
        vtkSmartPointer<vtkSphereSource>::New();  20     sphereSource->Update();  21  
    //提供了插入和檢索值的方法，並會自動調整大小以保存新數據
    vtkSmartPointer<vtkIdTypeArray> ids =
        vtkSmartPointer<vtkIdTypeArray>::New();  25     ids->SetNumberOfComponents(1);  26     ids->InsertNextValue(2);  27     ids->InsertNextValue(10);  28  
    //選擇樹中的節,用於存儲選擇結果
    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  
    //從vtkdataset提取子集,刪除操作
    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濾波器  49     //但它沒有一個選擇范圍。比vtkGeometryFilter使用更多的內存  50     //只有一個選擇：輸入結構類型時是否使用三角形條
    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 << "該網格模型不是封閉的..." << std::endl;  88  }  89     else
 {  91         std::cout << "該網格模型是封閉的..." << 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，根據其他單元點的順序調整補充點的順序
    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()); //同步響應
    renderWindowInteractor->Start(); 172  
    return 0; 174 }

為了方便看到效果，我建立了一個球面網格，並去除樂其中另個三角面片（單元）。結果如下：

將該數據作為vtkFeatureEdges的輸入，vtkBoundaryOn()函數設置提取邊界邊，本例無需考慮其他類型的邊。執行完畢后，其輸出GetOutput()為一個包含邊信息的vtkPolyData數據。可以通過判斷邊界邊的數目來確定網格是否封閉：

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

1.3 漏洞填補

很多情況下，檢測出是否封閉還是不夠的，還需將這些漏洞填補起來。VTK中有現成的類來完成這個功能——vtkFillHolesFilter。

其內部執行過程是首先檢測出網格中的所有邊界邊，然后找出這些邊界邊中的每一個閉合回路，最后將這些閉合回路進行三角化（即生成三角網格）以實現填補的目的。這個類也是非常簡單的，只需要設置需要填補的網格數據即可。

需要注意的是，有些邊界的閉合回路是不需要三角化的，例如一個平面網格，若填補其四周的邊界邊，則會與原網格產生覆蓋。vtkFillHolesFilters()中的SetHoleSize()函數可用於控制需要修補的漏洞面積的最大值，大於該值的漏洞則不需要填補處理。

現在，我們需要討論的一個重要的問題是為什么要使用vtkPolyDataNormals?

這個事之前也提到過，在這里復習一遍。法向量這個東西和光照與陰影的計算密切相關。單元的法向量朝向則與單元的點順序相關！只有保持所有的單元的點順序一致才能得到正確的法向量，否則在網格模型顯示時會得到意外的結果！如下所示：

由於經過漏洞填充，模型的所有單元的點順序並不一致，因此使用vtkPolyDataNormals::ConsisitencyOn()進行調整。這樣才能避免上面的問題。