VTK笔记——轴对齐包围盒(AABB)

什么是包围盒

包围盒是指能够包容物体的立方体或者二维长方形,是包围体的一种,常常用于模型的碰撞检测。包围体主要包括球体、轴对齐包围盒(AABB)有向包围盒(OBB)和凸包(Convex Hull)。
在较早的时候,包围盒按照坐标系的坐标轴进行排列,这被称为轴对齐的包围盒(AABB/Axis-aligned bounding box)。为了将AABB与通用的情况区分开来,将任意的包围盒称为有向包围盒(OBB/Oriented bounding box)。AABB检测模型的相交要比OBB更简单,但是他的缺点是当模型旋转的时候无法随之旋转,而必须重新计算。

轴对齐包围盒

在VTK中,轴对齐包围盒被定义为包含该模型,且边平行于坐标轴的最小六面体。AABB比较简单,存储空间小,仅需六个标量。
获取bounds的方法
1. vtkPolyData
vtkPolyData通过继承关系拥有GetBounds()方法,实际在vtkDataSet中定义,

double *GetBounds() VTK_SIZEHINT(6);
void GetBounds(double bounds[6]);

获取包围盒的参数,即三个轴向上的最大值和最小值。

	vtkSmartPointer<vtkPolyData> polydata =
		vtkSmartPointer<vtkPolyData>::New();
	double bounds[6];
	polydata->GetBounds(bounds);

需要注意的是,通过reader或者source来的模型,需要先Update();
而有时候仅仅是获取这些参数并不直观,还需要显示包围盒vtkOutlineFilter提供了这一方便的操作,输入模型的数据,就很容易的可视化显示。

	vtkSmartPointer<vtkOutlineFilter> outline =
		vtkSmartPointer<vtkOutlineFilter>::New();
	outline->SetInputData(polydata);
	outline->Update();

如果需要看实心表面,则需要打开,默认是关闭的。

	outline->GenerateFacesOn();

2. vtkBoundingBox
另一种方法是用vtkBoundingBox的GetBounds方法

  void GetBounds(double bounds[6]) const;
  void GetBounds(double &xMin, double &xMax,
                 double &yMin, double &yMax,
                 double &zMin, double &zMax) const;

vtkBoundingBox是专门用来处理3D bounds的,快速小巧,用了很多内联函数。它没有继承vtkObject,因此可以不用new,直接在栈上分配。
它的输入对的是点,所以对于点云来说很方便。

  double p0[3] = {3, 4, 5};
  vtkBoundingBox boundingBox;
  boundingBox.AddPoint(p0);
  double bounds[6];
  boundingBox.GetBounds(bounds);

效果

cow

示例代码

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkPolyData.h>
#include <vtkSphereSource.h>
#include <vtkXMLPolyDataReader.h>
#include <vtkActor.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
#include <vtkOutlineFilter.h>
#include <vtkProperty.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	vtkSmartPointer<vtkPolyData> polydata =
		vtkSmartPointer<vtkPolyData>::New();
	if (argc > 1)
	{
		vtkSmartPointer<vtkXMLPolyDataReader> reader =
			vtkSmartPointer<vtkXMLPolyDataReader>::New();
		reader->SetFileName(argv[1]);
		reader->Update();
		polydata = reader->GetOutput();
	}
	else
	{
		vtkSmartPointer<vtkSphereSource> modelSource =
			vtkSmartPointer<vtkSphereSource>::New();
		modelSource->Update();
		polydata = modelSource->GetOutput();
	}

	vtkSmartPointer<vtkOutlineFilter> outline =
		vtkSmartPointer<vtkOutlineFilter>::New();
	outline->SetInputData(polydata);
	outline->Update();

	double bounds[6];
	polydata->GetBounds(bounds);
	std::cout << "Polydata bounds: " << std::endl;
	std::cout << "xmin: " << bounds[0] << " "
			  << "xmax: " << bounds[1] << std::endl
			  << "ymin: " << bounds[2] << " "
			  << "ymax: " << bounds[3] << std::endl
			  << "zmin: " << bounds[4] << " "
			  << "zmax: " << bounds[5] << std::endl;

	outline->GetOutput()->GetBounds(bounds);
	std::cout << "Outline bounds: " << std::endl;
	std::cout << "xmin: " << bounds[0] << " "
			  << "xmax: " << bounds[1] << std::endl
			  << "ymin: " << bounds[2] << " "
			  << "ymax: " << bounds[3] << std::endl
			  << "zmin: " << bounds[4] << " "
			  << "zmax: " << bounds[5] << std::endl;

	vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> modelMapper =
		vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
	modelMapper->SetInputData(polydata);

	vtkSmartPointer<vtkActor> modelActor =
		vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
	modelActor->SetMapper(modelMapper);

	vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> outlineMapper =
		vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
	outlineMapper->SetInputConnection(outline->GetOutputPort());

	vtkSmartPointer<vtkActor> outlineActor =
		vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
	outlineActor->SetMapper(outlineMapper);
	outlineActor->GetProperty()->SetColor(1, 0, 0);
	outlineActor->GetProperty()->SetLineWidth(1.5);

	vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer =
		vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
	vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow =
		vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
	renderWindow->SetSize(300, 300);
	renderWindow->AddRenderer(renderer);
	vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor =
		vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
	renderWindowInteractor->SetRenderWindow(renderWindow);

	renderer->AddActor(modelActor);
	renderer->AddActor(outlineActor);

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

	return EXIT_SUCCESS;
}

Ref

维基百科.包围体
DataBounds
BoundingBox
The End

### 关于轴对齐包围盒AABB)的图像 为了更好地理解轴对齐包围盒(AABB),可以通过一些典型的图形表示来辅助说明。通常情况下,AABB被描绘成一个矩形框,在二维空间中边平行于坐标轴;而在三维环境中则表现为六个面都垂直和平行于各坐标平面的立方体结构[^1]。 在比较中可以看到,为了更明显地展示AABB包围盒的特点,在某些资料中的插图会在同一场景下放置一个方向可变的有向包围盒(OBB)作为对比对象位于画面一侧。 对于动态情况下的AABB变化过程也可以通过一系列连续帧的画面来进行描述,比如显示物体从前一状态到当前状态位移过程中其对应的AABB如何随之调整位置和大小[^2]。 ```python import matplotlib.pyplot as plt from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D import numpy as np fig = plt.figure() ax = fig.add_subplot(111, projection='3d') # Define the vertices of an AABB in 3D space. vertices_AABB = [ [-1, -1, -1], [1, -1, -1 ], [1, 1, -1], [-1, 1, -1], [-1, -1, 1], [1, -1, 1 ], [1, 1, 1], [-1, 1, 1 ] ] edges_indices = [(0,1), (1,2), (2,3), (3,0), (4,5), (5,6), (6,7), (7,4), (0,4), (1,5), (2,6), (3,7)] for edge in edges_indices: line_start = vertices_AABB[edge[0]] line_end = vertices_AABB[edge[1]] ax.plot([line_start[0], line_end[0]], [line_start[1], line_end[1]], zs=[line_start[2], line_end[2]]) plt.title('Axis Aligned Bounding Box Example') plt.show() ``` 此段Python代码利用`matplotlib`库绘制出了一个简单的三维AABB模型实例,有助于直观感受这种几何结构的具体形态。
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