VTK 数据处理：几何操作

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VTK 数据处理：几何操作

VTK 数据处理：几何操作

VTK 的几何操作主要是让模型的点坐标发生偏移。

本文章主要介绍 3 种几何操作：

  1. 使用 vtkWarpTo 向指定点发生位移
  2. 使用 vtkWarpVector 按照指定向量发生位移
  3. 使用 vtkDeformPointSet 按照框架变形

实例 1：使用 vtkWarpTo 向指定点发生位移

vtkWarpTo 类可以设置点和比例，通过朝着该点弯曲来修改点坐标，用于将数据集中的点沿着指定向量进行位移。

#include "WarpTo.h"

#include <vtkLineSource.h>
#include <vtkWarpTo.h>
#include <vtkTubeFilter.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkActor.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>

WarpTo::WarpTo(QWidget* parent) : QMainWindow(parent)
{
	ui.setupUi(this);

	_pVTKWidget = new QVTKOpenGLNativeWidget();
	this->setCentralWidget(_pVTKWidget);

	vtkNew<vtkRenderer> renderer;
	this->_pVTKWidget->renderWindow()->AddRenderer(renderer);
	this->_pVTKWidget->renderWindow()->Render();

	vtkNew<vtkLineSource> line;
	line->SetPoint1(0, 0, 0);
	line->SetPoint2(0, 1, 0);
	line->SetResolution(20);
	line->Update();

	vtkNew<vtkTubeFilter> tubeFilter;
	tubeFilter->SetInputConnection(line->GetOutputPort());
	tubeFilter->SetRadius(0.01);
	tubeFilter->SetNumberOfSides(50);
	tubeFilter->Update();

	vtkNew<vtkWarpTo> warpTo;
	warpTo->SetInputConnection(tubeFilter->GetOutputPort());
	warpTo->SetPosition(10, 1, 0);
	warpTo->SetScaleFactor(2.0);
	warpTo->AbsoluteOn();

	vtkNew<vtkPolyDataMapper> tubeMapper;
	tubeMapper->SetInputConnection(tubeFilter->GetOutputPort());
	vtkNew<vtkPolyDataMapper> warpToMapper;
	warpToMapper->SetInputConnection(warpTo->GetOutputPort());

	vtkNew<vtkActor> tubeActor;
	tubeActor->SetMapper(tubeMapper);
	vtkNew<vtkActor> warpToActor;
	warpToActor->SetMapper(warpToMapper);

	renderer->AddActor(tubeActor);
	renderer->AddActor(warpToActor);
}

WarpTo::~WarpTo()
{
}

本实例中，我们创建了一个 vtkLineSource 类对象 line，设置它的起点和终点分别为 (0, 0, 0) 和 (0, 1, 0)，并通过 vtkTubeFilter 将 line 变成一个圆柱。

创建一个 vtkWarpTo 类对象，设置点为 (10, 1, 0)，偏转系数为 2。当AbsoluteOn设置为true时，位移是相对于数据集的原点进行的，这意味着所有的点都会向同一个方向偏移，即使它们在不同的位置上。但是，如果AbsoluteOn设置为false，则每个点的位移是相对于该点当前的位置进行计算的，这可能会导致每个点偏移到不同的方向，因此可能会产生非常不同的结果。

运行结果：

在这里插入图片描述

实例 2：使用 vtkWarpVector 按照指定向量发生位移

vtkWarpVector是VTK中的一个滤波器，用于根据向量数据对点进行位移。它将每个点的位置根据与该点相关联的向量进行调整，从而实现对数据集的形变操作。

该滤波器的作用是根据向量数据对点进行位移，可以用于创建各种效果，如流线、箭头、扭曲等。它可以用来可视化矢量场、流体运动、变形等应用场景。

使用vtkWarpVector滤波器时，需要提供一个向量数据集作为输入，这些向量表示了每个点的位移方向和大小。滤波器根据向量数据对每个点进行位移，从而改变其位置。位移的大小由向量的长度决定，位移的方向由向量的方向决定。

通过调整输入的向量数据，可以控制位移的强度和方向，从而实现各种不同的形变效果。这使得vtkWarpVector成为在可视化中展示矢量场和流体模拟等方面非常有用的工具。

#include "WarpVector.h"

#include <vtkPoints.h>
#include <vtkNamedColors.h>
#include <vtkProperty.h>
#include <vtkCellArray.h>
#include <vtkLine.h>
#include <vtkDoubleArray.h>
#include <vtkPointData.h>
#include <vtkWarpVector.h>
#include <vtkPolyData.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkActor.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>

WarpVector::WarpVector(QWidget* parent)
{
	ui.setupUi(this);

	_pVTKWidget = new QVTKOpenGLNativeWidget();
	this->setCentralWidget(_pVTKWidget);

	vtkNew<vtkRenderer> renderer;
	this->_pVTKWidget->renderWindow()->AddRenderer(renderer);
	this->_pVTKWidget->renderWindow()->Render();

	vtkNew<vtkNamedColors> colors;

	vtkNew<vtkPoints> points;
	points->InsertNextPoint(0, 0, 0);
	points->InsertNextPoint(1, 0, 0);
	points->InsertNextPoint(2, 0, 0);
	points->InsertNextPoint(3, 0, 0);
	points->InsertNextPoint(4, 0, 0);

	vtkNew<vtkCellArray> lines;
	vtkNew<vtkLine> line;
	line->GetPointIds()->SetId(0, 0);
	line->GetPointIds()->SetId(1, 1);
	lines->InsertNextCell(line);
	line->GetPointIds()->SetId(0, 1);
	line->GetPointIds()->SetId(1, 2);
	lines->InsertNextCell(line);
	line->GetPointIds()->SetId(0, 2);
	line->GetPointIds()->SetId(1, 3);
	lines->InsertNextCell(line);
	line->GetPointIds()->SetId(0, 3);
	line->GetPointIds()->SetId(1, 4);
	lines->InsertNextCell(line);

	vtkNew<vtkPolyData> linePolyData;
	linePolyData->SetPoints(points);
	linePolyData->SetLines(lines);

	vtkNew<vtkDoubleArray> warpData;
	warpData->SetNumberOfComponents(3);
	warpData->SetName("warpData");
	double warp[] = { 0, 0, 0 };
	warp[1] = 0.0;
	warpData->InsertNextTuple(warp);
	warp[1] = 0.1;
	warpData->InsertNextTuple(warp);
	warp[1] = 0.5;
	warpData->InsertNextTuple(warp);
	warp[1] = 0.0;
	warpData->InsertNextTuple(warp);
	warp[1] = 0.3;
	warpData->InsertNextTuple(warp);

	linePolyData->GetPointData()->AddArray(warpData);
	linePolyData->GetPointData()->SetActiveVectors(warpData->GetName());

	vtkNew<vtkWarpVector> warpVector;
	warpVector->SetInputData(linePolyData);

	vtkNew<vtkPolyDataMapper> lineMapper;
	lineMapper->SetInputData(linePolyData);
	vtkNew<vtkPolyDataMapper> warpMapper;
	warpMapper->SetInputConnection(warpVector->GetOutputPort());

	vtkNew<vtkActor> lineActor;
	lineActor->SetMapper(lineMapper);
	vtkNew<vtkActor> warpActor;
	warpActor->SetMapper(warpMapper);
	warpActor->GetProperty()->SetColor(colors->GetColor3d("Gold").GetData());

	renderer->AddActor(lineActor);
	renderer->AddActor(warpActor);
}

WarpVector::~WarpVector()
{
}

本实例首先创建了一个 vtkPoints 类对象 points，里面存储了 5 个点：(0, 0, 0)、(1, 0, 0)、(2, 0, 0)、(3, 0, 0)、(4, 0, 0)、(5, 0, 0)。接着创建了一个 vtkCellArray 类 line，里面存储了 前面 5 个点相邻两两连接的 4 条线段。最后用一个 linePolyData 类对象保存了 points 和 line。

创建一个 vtkDoubleArray 类对象 warpData，里面存储了 5 个向量数据：(0, 0, 0)、(0, 0.1, 0)、(0, 0.5, 0)、(0, 0, 0)、(0, 0.3, 0)。将这个数组添加到 linePolyData 中，并设为 ActiveVectors，之后使用 vtkWarpVector 类根据向量数据（刚刚设置的 warpData）对点进行位移。它将每个点的位置根据与该点相关联的向量进行调整，从而实现对数据集的形变操作。

运行结果：

在这里插入图片描述

实例 3：使用 vtkDeformPointSet 按照框架变形

vtkDeformPointSet 的主要作用是根据一组控制点和它们的位移，对输入的点集进行形变。该类通常用于实现基于物理模型或者仿真的点集形变，比如在有限元分析中用于模拟材料的变形行为。

使用vtkDeformPointSet，可以通过指定一组控制点和它们的位移来对输入的点集进行形变。控制点的位移可以通过外部计算得到，比如基于物理模型的仿真结果或者其他形变算法的计算结果。vtkDeformPointSet会根据这些位移信息，对输入的点集进行相应的形变操作，并输出形变后的点集。

这种形变操作可以用于模拟材料的变形、动态网格变形、动画效果等各种应用场景。通过调整控制点的位移，可以实现不同形式的形变效果，从而满足各种可视化和仿真需求。

#include "DeformPointSet.h"

#include <vtkSphereSource.h>
#include <vtkPoints.h>
#include <vtkCellArray.h>
#include <vtkDeformPointSet.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkActor.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>

DeformPointSet::DeformPointSet(QWidget* parent) : QMainWindow(parent)
{

	ui.setupUi(this);

	_pVTKWidget = new QVTKOpenGLNativeWidget();
	this->setCentralWidget(_pVTKWidget);

	vtkNew<vtkRenderer> renderer;
	this->_pVTKWidget->renderWindow()->AddRenderer(renderer);
	this->_pVTKWidget->renderWindow()->Render();

	vtkNew<vtkSphereSource> sphere;
	sphere->SetThetaResolution(51);
	sphere->SetPhiResolution(17);
	sphere->Update();

	double bounds[6];
	sphere->GetOutput()->GetBounds(bounds);
	// 正八面体
	vtkNew<vtkPoints> points;
	points->SetNumberOfPoints(6);
	points->SetPoint(0, bounds[0] - 0.1 * (bounds[1] - bounds[0]), (bounds[2] + bounds[3]) / 2.0, (bounds[4] + bounds[5]) / 2.0);
	points->SetPoint(1, bounds[1] + 0.1 * (bounds[1] - bounds[0]), (bounds[2] + bounds[3]) / 2.0, (bounds[4] + bounds[5]) / 2.0);
	points->SetPoint(2, (bounds[1] + bounds[0]) / 2.0, bounds[2] - 0.1 * (bounds[3] - bounds[2]), (bounds[4] + bounds[5]) / 2.0);
	points->SetPoint(3, (bounds[1] + bounds[0]) / 2.0, bounds[3] + 0.1 * (bounds[3] - bounds[2]), (bounds[4] + bounds[5]) / 2.0);
	points->SetPoint(4, (bounds[1] + bounds[0]) / 2.0, (bounds[2] + bounds[3]) / 2.0, bounds[4] - 0.1 * (bounds[5] - bounds[4]));
	points->SetPoint(5, (bounds[1] + bounds[0]) / 2.0, (bounds[2] + bounds[3]) / 2.0, bounds[5] + 0.1 * (bounds[5] - bounds[4]));
	vtkNew<vtkCellArray> tris;
	tris->InsertNextCell(3);
	tris->InsertCellPoint(2); tris->InsertCellPoint(0); tris->InsertCellPoint(4);
	tris->InsertNextCell(3);
	tris->InsertCellPoint(1); tris->InsertCellPoint(2); tris->InsertCellPoint(4);
	tris->InsertNextCell(3);
	tris->InsertCellPoint(3); tris->InsertCellPoint(1); tris->InsertCellPoint(4);
	tris->InsertNextCell(3);
	tris->InsertCellPoint(0); tris->InsertCellPoint(3); tris->InsertCellPoint(4);
	tris->InsertNextCell(3);
	tris->InsertCellPoint(0); tris->InsertCellPoint(2); tris->InsertCellPoint(5);
	tris->InsertNextCell(3);
	tris->InsertCellPoint(2); tris->InsertCellPoint(1); tris->InsertCellPoint(5);
	tris->InsertNextCell(3);
	tris->InsertCellPoint(1); tris->InsertCellPoint(3); tris->InsertCellPoint(5);
	tris->InsertNextCell(3);
	tris->InsertCellPoint(3); tris->InsertCellPoint(0); tris->InsertCellPoint(5);
	vtkNew<vtkPolyData> regularOctahedronPolyData;
	regularOctahedronPolyData->SetPoints(points);
	regularOctahedronPolyData->SetPolys(tris);

	// vtkDeformPointSet 根据一组控制点和它们的位移，对输入的点集进行形变
	vtkNew<vtkDeformPointSet> deformPointSet;
	deformPointSet->SetInputConnection(sphere->GetOutputPort());
	deformPointSet->SetControlMeshData(regularOctahedronPolyData); // 把正八面体作为控制网格
	deformPointSet->Update();

	double controlPoint[3];
	points->GetPoint(5, controlPoint);
	points->SetPoint(5, controlPoint[0], controlPoint[1], bounds[5] + 0.8 * (bounds[5] - bounds[4]));
	points->Modified();

	vtkNew<vtkPolyDataMapper> deformedSphereMapper;
	deformedSphereMapper->SetInputConnection(deformPointSet->GetOutputPort());
	vtkNew<vtkPolyDataMapper> regularOctahedronMapper;
	regularOctahedronMapper->SetInputData(regularOctahedronPolyData);

	vtkNew<vtkActor> deformedSphereActor;
	deformedSphereActor->SetMapper(deformedSphereMapper);
	vtkNew<vtkActor> regularOctahedronActor;
	regularOctahedronActor->SetMapper(regularOctahedronMapper);

	renderer->AddActor(deformedSphereActor);
	renderer->AddActor(regularOctahedronActor);
}

DeformPointSet::~DeformPointSet()
{
}

本实例创建了一个球体和一个正八面体。通过创建一个 vtkDeformPointSet 类，把球体作为输入，把正八面体作为控制网格。程序修改了正八面体的一个点的坐标，vtkDeformPointSet 类根据一组控制点（正八面体的点集）和它们的位移，对输入的点集（球体）进行形变。

运行结果：

在这里插入图片描述

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