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：

  1 #include <vtkAutoInit.h>
  2 VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL);
  3 VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingFreeType);
  4 VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);
  5  
  6 #include <vtkSmartPointer.h>
  7 #include <vtkSphereSource.h>
  8 #include <vtkIdTypeArray.h>
  9 #include <vtkSelectionNode.h>
 10 #include <vtkSelection.h>
 11 #include <vtkExtractSelection.h>
 12 #include <vtkDataSetSurfaceFilter.h>
 13 #include <vtkInformation.h>
 14 #include <vtkProperty.h>
 15 //生成带孔洞的网格球
 16 void GenerateData(vtkSmartPointer<vtkPolyData> input)
 17 {
 18     vtkSmartPointer<vtkSphereSource> sphereSource =
 19         vtkSmartPointer<vtkSphereSource>::New();
 20     sphereSource->Update();
 21  
 22     //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
 23     vtkSmartPointer<vtkIdTypeArray> ids =
 24         vtkSmartPointer<vtkIdTypeArray>::New();
 25     ids->SetNumberOfComponents(1);
 26     ids->InsertNextValue(2);
 27     ids->InsertNextValue(10);
 28  
 29     //选择树中的节,用于存储选择结果
 30     vtkSmartPointer<vtkSelectionNode> selectionNode =
 31         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  
 37     vtkSmartPointer<vtkSelection> selection =
 38         vtkSmartPointer<vtkSelection>::New();
 39     selection->AddNode(selectionNode);
 40  
 41     //从vtkdataset提取子集,删除操作
 42     vtkSmartPointer<vtkExtractSelection> extractSelection =
 43         vtkSmartPointer<vtkExtractSelection>::New();
 44     extractSelection->SetInputData(0, sphereSource->GetOutput());
 45     extractSelection->SetInputData(1, selection);
 46     extractSelection->Update();
 47  
 48     //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
 51     vtkSmartPointer<vtkDataSetSurfaceFilter> surfaceFilter =
 52         vtkSmartPointer<vtkDataSetSurfaceFilter>::New();
 53     surfaceFilter->SetInputConnection(extractSelection->GetOutputPort());
 54     surfaceFilter->Update();
 55  
 56     input->ShallowCopy(surfaceFilter->GetOutput());
 57 }
 58 #include <vtkPolyData.h>
 59 #include <vtkFeatureEdges.h>
 60 #include <vtkPolyDataMapper.h>
 61 #include <vtkFillHolesFilter.h>
 62 #include <vtkPolyDataNormals.h>
 63 #include <vtkActor.h>
 64 #include <vtkCamera.h>
 65 #include <vtkRenderer.h>
 66 #include <vtkRenderWindow.h>
 67 #include <vtkRenderWindowInteractor.h>
 68  
 69 int main()
 70 {
 71     vtkSmartPointer<vtkPolyData> input =
 72         vtkSmartPointer<vtkPolyData>::New();
 73     GenerateData(input);
 74  
 75     vtkSmartPointer<vtkFeatureEdges> featureEdges =
 76         vtkSmartPointer<vtkFeatureEdges>::New();
 77     featureEdges->SetInputData(input);
 78     featureEdges->BoundaryEdgesOn();
 79     featureEdges->FeatureEdgesOff();
 80     featureEdges->ManifoldEdgesOff();
 81     featureEdges->NonManifoldEdgesOff();
 82     featureEdges->Update();
 83  
 84     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
 90     {
 91         std::cout << "该网格模型是封闭的..." << std::endl;
 92         return EXIT_SUCCESS;
 93     }
 94     vtkSmartPointer<vtkFillHolesFilter> fillHolesFilter =
 95         vtkSmartPointer<vtkFillHolesFilter>::New();
 96     fillHolesFilter->SetInputData(input);
 97     fillHolesFilter->Update();
 98  
 99     vtkSmartPointer<vtkPolyDataNormals> normals =
100         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
103     normals->SplittingOff();
104     normals->Update();
105     /
106     double leftViewport[4] = { 0.0, 0.0, 0.5, 1.0 };
107     double rightViewport[4] = { 0.5, 0.0, 1.0, 1.0 };
108  
109     vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> originalMapper =
110         vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
111     originalMapper->SetInputData(input);
112     vtkSmartPointer<vtkProperty> backfaceProp =
113         vtkSmartPointer<vtkProperty>::New();
114     backfaceProp->SetDiffuseColor(0.89, 0.81, 0.34);
115     vtkSmartPointer<vtkActor> originalActor =
116         vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
117     originalActor->SetMapper(originalMapper);
118     originalActor->SetBackfaceProperty(backfaceProp);
119     originalActor->GetProperty()->SetDiffuseColor(1.0, 0.3882, 0.2784);
120  
121     vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> edgeMapper =
122         vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
123     edgeMapper->SetInputData(featureEdges->GetOutput());
124     vtkSmartPointer<vtkActor> edgeActor =
125         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  
131     vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> filledMapper =
132         vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
133     filledMapper->SetInputData(normals->GetOutput());
134     vtkSmartPointer<vtkActor> filledActor =
135         vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
136     filledActor->SetMapper(filledMapper);
137     filledActor->GetProperty()->SetDiffuseColor(1.0, 0.3882, 0.2784);
138     ///
139     vtkSmartPointer<vtkRenderer> leftRenderer =
140         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  
146     vtkSmartPointer<vtkRenderer> rightRenderer =
147         vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
148     rightRenderer->SetViewport(rightViewport);
149     rightRenderer->AddActor(filledActor);
150     rightRenderer->SetBackground(0, 0, 0);
151  
152     vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow =
153         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  
160     vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor =
161         vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
162     renderWindowInteractor->SetRenderWindow(renderWindow);
163  
164     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
171     renderWindowInteractor->Start();
172  
173     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。

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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

1.1网格模型边的分类

1.2 网格封闭性判断

1.3 漏洞填补

VTK 图形基本操作进阶_网格模型的特征边与封闭性检测