VTK：图像基本操作进阶——网格模型的特征边与封闭性检测

1.封闭性检测由于受源数据、重建方法的限制，得到的网格模型并不是封闭的。有时候为了显示或者处理某些需求，需要网格必须是封闭的。封闭性网格应该比较好理解，比如一个球面网格。上节提到边界边的概念；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

简。单

1184人浏览 · 2022-05-10 15:56:12

简。单 · 2022-05-10 15:56:12 发布

1.封闭性检测

由于受源数据、重建方法的限制，得到的网格模型并不是封闭的。有时候为了显示或者处理某些需求，需要网格必须是封闭的。封闭性网格应该比较好理解，比如一个球面网格。
上节提到边界边的概念；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。
非流性边：被三个火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，当包含一条边的两个三角形的法向量的夹角大于阈值时，即为一个特征边。
流行边：只被两个多边形版包含的边。

2.网格封闭性判断

可以通过vtkFeatureEdges类检测是否存在边界边，判断网格是否是封闭的。

#include "vtkAutoInit.h" 
VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL2);
VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkSelectionNode.h>
#include <vtkInformation.h>
#include <vtkUnstructuredGrid.h>
#include <vtkPolyData.h>
#include <vtkPolyDataNormals.h>
#include <vtkPointData.h>
#include <vtkXMLPolyDataReader.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkSelection.h>
#include <vtkSelectionNode.h>
#include <vtkSphereSource.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkActor.h>
#include <vtkCamera.h>
#include <vtkProperty.h>
#include <vtkIdTypeArray.h>
#include <vtkExtractSelection.h>
#include <vtkDataSetSurfaceFilter.h>
#include <vtkFeatureEdges.h>
#include <vtkFillHolesFilter.h>

void GenerateData(vtkSmartPointer<vtkPolyData> input)
{
	vtkSmartPointer<vtkSphereSource> sphereSource =
		vtkSmartPointer<vtkSphereSource>::New();
	sphereSource->Update();

	vtkSmartPointer<vtkIdTypeArray> ids =
		vtkSmartPointer<vtkIdTypeArray>::New();
	ids->SetNumberOfComponents(1);
	ids->InsertNextValue(2);
	ids->InsertNextValue(10);

	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);

	vtkSmartPointer<vtkExtractSelection> extractSelection =
		vtkSmartPointer<vtkExtractSelection>::New();
	extractSelection->SetInputData(0, sphereSource->GetOutput());
	extractSelection->SetInputData(1, selection);
	extractSelection->Update();

	vtkSmartPointer<vtkDataSetSurfaceFilter> surfaceFilter =
		vtkSmartPointer<vtkDataSetSurfaceFilter>::New();
	surfaceFilter->SetInputConnection(extractSelection->GetOutputPort());
	surfaceFilter->Update();

	input->ShallowCopy(surfaceFilter->GetOutput());
}

int main(int argc, char* argv[])
{
	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();
	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(1.0, 1.0, 1.0);

	vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow =
		vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
	renderWindow->AddRenderer(leftRenderer);
	renderWindow->AddRenderer(rightRenderer);
	renderWindow->SetSize(640, 320);
	renderWindow->Render();
	renderWindow->SetWindowName("PolyDataClosed");

	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());

	renderWindow->Render();
	renderWindowInteractor->Start();

	return EXIT_SUCCESS;
}

为了方便看到效果，建立一个球面网格，并去除其中的三角面片（单元）：
该数据作为vtkFeatureEdges的输入，vtkBoundaryOn（）函数设置提取边界边，本无需考虑其他类型的边。执行完毕之后，其输入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();

3.漏洞填补

很多情况下，检测出来是否封闭还是不够的，还需要将这些漏洞填补起来。VTK中有现有的类来完成这个功能——vtkFillHolesFilter.其内部执行的过程是首先检测出网格中国的所有的边界边，然后找出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）一实现填补的目的这个类也是非常简单的，只需要设置需要提案不得网格数据即可。
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，若填其四周的边界边，则会与原网格产生覆盖。vtkFillHolesFilters（）中的SetHolesSize（）函数可用于控制需要修补的漏洞面积的最大值，大于该值的漏洞不需要填补处理。现在，我们需要讨论的一个重要的饿问题是为什么要使用VtkPolyDataNormals?之前学过，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出现意外的结果。
vtkPolyDataNormals::ConsisitencyOn()进行调整。这样才能避免上面的问题