VTK_Learning_图形基本操作进阶_网格模型的特征边与封闭性检测

迷南。 2023-07-11 15:03 3阅读 0赞

# 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);
    VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingFreeType);
    VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);
     
    #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)
    {
    	vtkSmartPointer<vtkSphereSource> sphereSource =
    		vtkSmartPointer<vtkSphereSource>::New();
    	sphereSource->Update();
     
    	//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();
    	ids->SetNumberOfComponents(1);
    	ids->InsertNextValue(2);
    	ids->InsertNextValue(10);
     
    	//选择树中的节,用于存储选择结果
    	vtkSmartPointer<vtkSelectionNode> selectionNode =
    		vtkSmartPointer<vtkSelectionNode>::New();
    	selectionNode->SetFieldType(vtkSelectionNode::CELL);
    	selectionNode->SetContentType(vtkSelectionNode::INDICES);
    	selectionNode->SetSelectionList(ids);
    	selectionNode->GetProperties()->Set(vtkSelectionNode::INVERSE(), 1);
     
    	vtkSmartPointer<vtkSelection> selection =
    		vtkSmartPointer<vtkSelection>::New();
    	selection->AddNode(selectionNode);
     
    	//从vtkdataset提取子集,删除操作
    	vtkSmartPointer<vtkExtractSelection> extractSelection =
    		vtkSmartPointer<vtkExtractSelection>::New();
    	extractSelection->SetInputData(0, sphereSource->GetOutput());
    	extractSelection->SetInputData(1, selection);
    	extractSelection->Update();
     
    	//vtkDataSetSurfaceFilter是更快版本的vtkgeometry滤波器
    	//但它没有一个选择范围。比vtkGeometryFilter使用更多的内存
    	//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();
    	surfaceFilter->SetInputConnection(extractSelection->GetOutputPort());
    	surfaceFilter->Update();
     
    	input->ShallowCopy(surfaceFilter->GetOutput());
    }
    #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()
    {
    	vtkSmartPointer<vtkPolyData> input =
    		vtkSmartPointer<vtkPolyData>::New();
    	GenerateData(input);
     
    	vtkSmartPointer<vtkFeatureEdges> featureEdges =
    		vtkSmartPointer<vtkFeatureEdges>::New();
    	featureEdges->SetInputData(input);
    	featureEdges->BoundaryEdgesOn();
    	featureEdges->FeatureEdgesOff();
    	featureEdges->ManifoldEdgesOff();
    	featureEdges->NonManifoldEdgesOff();
    	featureEdges->Update();
     
    	int numberOfOpenEdges = featureEdges->GetOutput()->GetNumberOfCells();
    	if (numberOfOpenEdges)
    	{
    		std::cout << "该网格模型不是封闭的..." << std::endl;
    	}
    	else
    	{
    		std::cout << "该网格模型是封闭的..." << std::endl;
    		return EXIT_SUCCESS;
    	}
    	vtkSmartPointer<vtkFillHolesFilter> fillHolesFilter =
    		vtkSmartPointer<vtkFillHolesFilter>::New();
    	fillHolesFilter->SetInputData(input);
    	fillHolesFilter->Update();
     
    	vtkSmartPointer<vtkPolyDataNormals> normals =
    		vtkSmartPointer<vtkPolyDataNormals>::New();
    	normals->SetInputConnection(fillHolesFilter->GetOutputPort());
    	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();
    	normals->Update();
    	/
    	double leftViewport[4] = { 0.0, 0.0, 0.5, 1.0 };
    	double rightViewport[4] = { 0.5, 0.0, 1.0, 1.0 };
     
    	vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> originalMapper =
    		vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
    	originalMapper->SetInputData(input);
    	vtkSmartPointer<vtkProperty> backfaceProp =
    		vtkSmartPointer<vtkProperty>::New();
    	backfaceProp->SetDiffuseColor(0.89, 0.81, 0.34);
    	vtkSmartPointer<vtkActor> originalActor =
    		vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
    	originalActor->SetMapper(originalMapper);
    	originalActor->SetBackfaceProperty(backfaceProp);
    	originalActor->GetProperty()->SetDiffuseColor(1.0, 0.3882, 0.2784);
     
    	vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> edgeMapper =
    		vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
    	edgeMapper->SetInputData(featureEdges->GetOutput());
    	vtkSmartPointer<vtkActor> edgeActor =
    		vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
    	edgeActor->SetMapper(edgeMapper);
    	edgeActor->GetProperty()->SetEdgeColor(0., 0., 1.0);
    	edgeActor->GetProperty()->SetEdgeVisibility(1);
    	edgeActor->GetProperty()->SetLineWidth(5);
     
    	vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> filledMapper =
    		vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
    	filledMapper->SetInputData(normals->GetOutput());
    	vtkSmartPointer<vtkActor> filledActor =
    		vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
    	filledActor->SetMapper(filledMapper);
    	filledActor->GetProperty()->SetDiffuseColor(1.0, 0.3882, 0.2784);
    	///
    	vtkSmartPointer<vtkRenderer> leftRenderer =
    		vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
    	leftRenderer->SetViewport(leftViewport);
    	leftRenderer->AddActor(originalActor);
    	leftRenderer->AddActor(edgeActor);
    	leftRenderer->SetBackground(1.0, 1.0, 1.0);
     
    	vtkSmartPointer<vtkRenderer> rightRenderer =
    		vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
    	rightRenderer->SetViewport(rightViewport);
    	rightRenderer->AddActor(filledActor);
    	rightRenderer->SetBackground(0, 0, 0);
     
    	vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow =
    		vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
    	renderWindow->AddRenderer(leftRenderer);
    	renderWindow->AddRenderer(rightRenderer);
    	renderWindow->SetSize(640, 320);
    	renderWindow->Render();
    	renderWindow->SetWindowName("Poly Data Closed");
     
    	vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor =
    		vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
    	renderWindowInteractor->SetRenderWindow(renderWindow);
     
    	leftRenderer->GetActiveCamera()->SetPosition(0, -1, 0);
    	leftRenderer->GetActiveCamera()->SetFocalPoint(0, 0, 0);
    	leftRenderer->GetActiveCamera()->SetViewUp(0, 0, 1);
    	leftRenderer->GetActiveCamera()->Azimuth(30);
    	leftRenderer->GetActiveCamera()->Elevation(30);
    	leftRenderer->ResetCamera();
    	rightRenderer->SetActiveCamera(leftRenderer->GetActiveCamera()); //同步响应
    	renderWindowInteractor->Start();
     
    	return 0;
    }

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：

![20170203212609588][]

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：  
> ![20170203212446458][]

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。

[20170203212609588]: https://img-blog.csdn.net/20170203212609588
[20170203212446458]: https://img-blog.csdn.net/20170203212446458