vtkPlane和vtkPlaneSource

本文详细介绍了vtkPlane类的成员函数及其用途,包括点法式隐函数方程、投影计算等。接着讲解了vtkPlanes如何处理一组平面的隐函数和梯度,以及其在相机视锥体和平面定义中的应用。vtkAppendPolyData用于合并多个多边形数据集,而vtkGlyph3D则将几何符号复制到输入点上,并能根据矢量和标量数据调整。最后,文章阐述了vtkPlaneSource如何创建平面上的四边形阵列,并提供了调整平面位置和方向的方法。

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1、vtkPlane

vtkPlane provides methods for various plane computations. These include projecting points onto a plane, evaluating the plane equation, and returning plane normal. vtkPlane is a concrete implementation of the abstract class vtkImplicitFunction.

成员函数:void EvaluateFunction(double x[3])、void EvaluateFunction(double x,double y,double z)用于估算点x[3]是否位于平面上、平面前或平面后(法线方向为前),它是从抽象类vtkImplicitFunction继承而来,在基类中它是一个纯虚函数。
       void EvaluateGradient (double x[3], double g[3])用于估算点x[3]处函数倾斜度
              void vtkPlane::SetNormal(double x[3])、void vtkPlane::SetNormal(double x,double y,double z)  Set/get平面法向量.平面是由“点”和“法向量”定义的。 
              void Set/GetOrigin(double x[3])与SetNormal用法类似。
              void vtkPlane::Push(double distance)该函数可以将平面沿着法线方向移动distance距离
              在成员函数中还定义了点、矢量向某个平面投影的功能函数,如ProjectPoint、ProjectVector等。

隐函数的数学表达式为F(x,y,z)=w,平面的隐函数方程有点法式和一般式。在vtkPlane中采用的是点法式隐函数
点法式平面隐函数方程为:A(x-x0)+B(y-y0)+C(z-z0)=w, (A,B,C)为平面法向量,即vtkPlane中的Normal,(x0,y0,z0)为平面上一点,即vtkPlane中的Origin。
平面的一般式方程为:Ax+By+Cz=w

EvaluateFunction的源代码如下:  

double vtkPlane::EvaluateFunction(double x[3])
{
  return ( this->Normal[0]*(x[0]-this->Origin[0]) +
           this->Normal[1]*(x[1]-this->Origin[1]) +
           this->Normal[2]*(x[2]-this->Origin[2]) );
}

 

Examples:
vtkPlane (Examples)
Tests:
vtkPlane (Tests)

 

vtkPlane.h源代码:

#include "vtkCommonDataModelModule.h" // For export macro
#include "vtkImplicitFunction.h"

class VTKCOMMONDATAMODEL_EXPORT vtkPlane : public vtkImplicitFunction
{
public:
  // Description
  // Construct plane passing through origin and normal to z-axis.
  static vtkPlane *New();

  vtkTypeMacro(vtkPlane,vtkImplicitFunction);
  void PrintSelf(ostream& os, vtkIndent indent);

  // Description
  // Evaluate plane equation for point x[3].
  double EvaluateFunction(double x[3]);
  double EvaluateFunction(double x, double y, double z)
    {
     
     return this->vtkImplicitFunction::EvaluateFunction(x, y, z); } ;

  // Description
  // Evaluate function gradient at point x[3].
  void EvaluateGradient(double x[3], double g[3]);

  // Description:
  // Set/get plane normal. Plane is defined by point and normal.
  vtkSetVector3Macro(Normal,double);
  vtkGetVectorMacro(Normal,double,3);

  // Description:
  // Set/get point through which plane passes. Plane is defined by point
  // and normal.
  vtkSetVector3Macro(Origin,double);
  vtkGetVectorMacro(Origin,double,3);

  // Description:
  // Translate the plane in the direction of the normal by the
  // distance specified.  Negative values move the plane in the
  // opposite direction.
  void Push(double distance);

  // Description
  // Project a point x onto plane defined by origin and normal. The
  // projected point is returned in xproj. NOTE : normal assumed to
  // have magnitude 1.
  static void ProjectPoint(double x[3], double origin[3], double normal[3],
                           double xproj[3]);
  void ProjectPoint(double x[3], double xproj[3]);

  // Description
  // Project a vector v onto plane defined by origin and normal. The
  // projected vector is returned in vproj.
  static void ProjectVector(double v[3], double origin[3], double normal[3],
                           double vproj[3]);
  void ProjectVector(double v[3], double vproj[3]);

  // Description
  // Project a point x onto plane defined by origin and normal. The
  // projected point is returned in xproj. NOTE : normal does NOT have to
  // have magnitude 1.
  static void GeneralizedProjectPoint(double x[3], double origin[3],
                                      double normal[3], double xproj[3]);
  void GeneralizedProjectPoint(double x[3], double xproj[3]);


  // Description:
  // Quick evaluation of plane equation n(x-origin)=0.
  static double Evaluate(double normal[3], double origin[3], double x[3]);

  // Description:
  // Return the distance of a point x to a plane defined by n(x-p0) = 0. The
  // normal n[3] must be magnitude=1.
  static double DistanceToPlane(double x[3], double n[3], double p0[3]);
  double DistanceToPlane(double x[3]);

  // Description:
  // Given a line defined by the two points p1,p2; and a plane defined by the
  // normal n and point p0, compute an intersection. The parametric
  // coordinate along the line is returned in t, and the coordinates of
  // intersection are returned in x. A zero is returned if the plane and line
  // do not intersect between (0<=t<=1). If the plane and line are parallel,
  // zero is returned and t is set to VTK_LARGE_DOUBLE.
  static int IntersectWithLine(double p1[3], double p2[3], double n[3],
                               double p0[3], double& t, double x[3]);
  int IntersectWithLine(double p1[3], double p2[3], 
<think>我们已知平面方程:Ax + By + Cz + D = 0 目标:在AABB包围盒内绘制该平面(即平面与AABB相交形成的多边形) 步骤: 1. 获取AABB包围盒的边界(通常是一个长方体,由6个面组成) 2. 计算平面与AABB包围盒的12条边的交点(实际上只需要计算与包围盒的边的有效交点) 3. 将交点按顺序连接形成多边形(凸多边形) 具体方法: 我们可以使用vtkPlaneSource来生成平面,但是需要设置平面的原点两个轴向量。然而,如果我们已知平面方程AABB包围盒,我们可以通过计算平面与包围盒的交点来得到多边形。 另一种方法是使用vtkCutter,它可以用一个平面切割一个数据集(比如一个表示AABB的立方体),然后得到切割后的轮廓线(多边形)。 因此,步骤可以简化为: a. 创建一个表示AABB包围盒的vtkCubeSource(通过设置其边界) b. 创建一个vtkPlane(设置平面方程) c. 使用vtkCutter进行切割,得到交线(一个多边形) d. 将交线显示出来 但是注意:vtkCutter输出的是vtkPolyData,它包含切割后的多边形(可能是一个或多个多边形,但在这个情况下,平面与立方体相交通常是一个凸多边形) 代码步骤: 1. 创建vtkCubeSource,并设置其边界(通过AABB的边界,即xmin,xmax,ymin,ymax,zmin,zmax) 2. 创建vtkPlane,设置平面方程:A, B, C, D(注意:vtkPlane的平面方程是:Ax+By+Cz+D=0,其中D是常数项,但注意符号,通常我们提供的平面方程也是这种形式) 3. 创建vtkCutter,设置切割平面(vtkPlane输入数据(vtkCubeSource的输出) 4. 创建mapperactor来显示切割后的多边形 注意:如果平面与包围盒不相交,则不会生成多边形。 另外,我们也可以直接计算交点并构建多边形,但使用vtkCutter更简单。 参考引用[1]中提到了vtkBoundingBox,我们可以用它来获取AABB的边界,然后创建vtkCubeSource。 代码示例: 假设我们有一个平面方程:Ax+By+Cz+D=0,以及一个vtkBoundingBox对象boundingBox。 步骤: 1. 从boundingBox获取边界:double bounds[6]; boundingBox.GetBounds(bounds); 2. 创建cubeSource,设置bounds。 3. 创建vtkPlane,设置法向量(A,B,C)原点(通过一个点来确定平面位置,但vtkPlane也可以通过设置法向量常数项来定义?实际上,vtkPlane的SetNormal设置(A,B,C),SetOrigin可以设置一个点,但是平面方程中的D可以通过原点计算。然而,我们已知平面方程,可以直接使用SetNormal设置一个通过平面的点。但更直接的是使用SetNormalAndConstant方法(如果有的话)?实际上,vtkPlane有一个方法:SetNormal(double *normal) SetOrigin(double *origin),但D并不是直接设置的。在vtkPlane中,平面方程定义为:N·(X - X0)=0,其中N是法向量,X0是原点。因此,如果我们已知平面方程Ax+By+Cz+D=0,可以将其转化为:A(x-x0)+B(y-y0)+C(z-z0)=0的形式,但这样需要知道一个点。实际上,我们可以这样:设原点X0满足:A*x0+B*y0+C*z0 = -D。我们可以任意选择一个点,比如令x0=0, y0=0,则z0=-D/C(如果C不为0)。但这样比较麻烦。vtkPlane提供了另一种方法:EvaluateFunction,但我们不需要用它来设置平面方程。实际上,我们可以通过设置法向量一个点来定义平面,这个点可以是平面上的任意一点。我们可以选择平面与某条坐标轴的交点(如果存在)。 然而,我们也可以直接使用平面方程中的系数来设置平面。vtkPlane没有直接设置D的方法,所以我们需要计算一个点。例如,取平面上一点P0: 如果A不为0,则取P0=(-D/A, 0, 0) 否则如果B不为0,则取P0=(0, -D/B, 0) 否则如果C不为0,则取P0=(0,0,-D/C) 否则平面无效(A,B,C都为0,平面方程不成立) 因此,我们可以这样设置平面: vtkSmartPointer<vtkPlane> plane = vtkSmartPointer<vtkPlane>::New(); plane->SetNormal(A, B, C); // 计算一个在平面上的点 double origin[3]; if (abs(A) > 1e-6) { origin[0] = -D / A; origin[1] = 0; origin[2] = 0; } else if (abs(B) > 1e-6) { origin[0] = 0; origin[1] = -D / B; origin[2] = 0; } else if (abs(C) > 1e-6) { origin[0] = 0; origin[1] = 0; origin[2] = -D / C; } else { // 无效平面 return; } plane->SetOrigin(origin); 4. 创建cutter,设置切割函数(平面)输入连接(cubeSource的输出) 5. 将cutter的输出传递给mapper 注意:vtkCutter需要设置切割函数(vtkPlane输入数据(vtkPolyData)。vtkCubeSource的输出是表示立方体的vtkPolyData。 完整代码示例: ```cpp #include <vtkSmartPointer.h> #include <vtkCubeSource.h> #include <vtkPlane.h> #include <vtkCutter.h> #include <vtkPolyDataMapper.h> #include <vtkActor.h> #include <vtkRenderer.h> #include <vtkRenderWindow.h> #include <vtkRenderWindowInteractor.h> #include <vtkBoundingBox.h> int main() { // 假设我们有一个平面方程:x+y+z-1=0 (即A=1,B=1,C=1,D=-1) double A = 1.0; double B = 1.0; double C = 1.0; double D = -1.0; // 创建AABB包围盒,这里假设boundingBox已经定义,我们使用一个示例boundingBox vtkBoundingBox bbox; bbox.AddPoint(0,0,0); bbox.AddPoint(1,1,1); double bounds[6]; bbox.GetBounds(bounds); // 得到: xmin=0, xmax=1, ymin=0, ymax=1, zmin=0, zmax=1 // 创建立方体,表示包围盒 vtkSmartPointer<vtkCubeSource> cubeSource = vtkSmartPointer<vtkCubeSource>::New(); cubeSource->SetBounds(bounds); cubeSource->Update(); // 创建平面 vtkSmartPointer<vtkPlane> plane = vtkSmartPointer<vtkPlane>::New(); plane->SetNormal(A, B, C); // 计算平面上的一个点 double origin[3]; if (abs(A) > 1e-6) { origin[0] = -D / A; origin[1] = 0; origin[2] = 0; } else if (abs(B) > 1e-6) { origin[0] = 0; origin[1] = -D / B; origin[2] = 0; } else if (abs(C) > 1e-6) { origin[0] = 0; origin[1] = 0; origin[2] = -D / C; } else { std::cerr << "Invalid plane equation: normal vector is zero." << std::endl; return EXIT_FAILURE; } plane->SetOrigin(origin); // 创建切割器 vtkSmartPointer<vtkCutter> cutter = vtkSmartPointer<vtkCutter>::New(); cutter->SetCutFunction(plane); cutter->SetInputConnection(cubeSource->GetOutputPort()); cutter->GenerateValues(1, 0, 0); // 只生成一个切面(平面),参数:数量,开始值,结束值(这里我们只需要一个平面,所以开始结束值相同也没关系,因为只有一个平面) // 创建mapperactor vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> cutterMapper = vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New(); cutterMapper->SetInputConnection(cutter->GetOutputPort()); vtkSmartPointer<vtkActor> cutterActor = vtkSmartPointer<vtkActor>::New(); cutterActor->SetMapper(cutterMapper); cutterActor->GetProperty()->SetColor(1,0,0); // 设置为红色 // 创建渲染器 vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New(); renderer->AddActor(cutterActor); renderer->SetBackground(0.1,0.2,0.3); // 创建渲染窗口 vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New(); renderWindow->AddRenderer(renderer); renderWindow->SetSize(800,600); // 创建交互器 vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> interactor = vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New(); interactor->SetRenderWindow(renderWindow); // 开始渲染 renderWindow->Render(); interactor->Start(); return EXIT_SUCCESS; } ``` 注意:上述代码中,我们使用了vtkCubeSource来生成包围盒的几何表示,然后用vtkPlane切割它,得到平面与包围盒的交线(多边形)。然后我们将这个多边形显示出来。 另外,我们也可以使用vtkStripper将切割后的多边形连接成三角形带,但vtkCutter输出的多边形已经是按顺序排列的。 如果平面与包围盒不相交,则不会生成任何多边形。 参考引用[2]中提到了vtkBox,但这里我们使用的是vtkPlane,因为切割需要的是平面。 参考引用[3]中提到了vtkOBBTree,但这里我们不需要使用它,因为我们只需要平面与AABB的交线,而AABB是轴对齐的,使用vtkCuttervtkCubeSource即可。 因此,以上方法可以满足需求。 相关问题: 1. 如何判断平面与AABB包围盒是否相交? 2. 如果平面与包围盒相交,得到的多边形顶点坐标如何获取? 3. 如何设置平面的裁剪方向(只显示一侧)? 注意:用户的问题已经解决,但如果有其他需求,可以进一步探讨。</think>### 在VTK中根据平面方程AABB包围盒绘制平面 在VTK中,可以通过以下步骤实现根据平面方程AABB包围盒绘制平面: 1. **解析平面方程** 标准平面方程为 $Ax + By + Cz + D = 0$,其中 $(A,B,C)$ 为法向量,$D$ 为常数项。 2. **获取AABB包围盒** 使用 `vtkBoundingBox` 获取空间包围盒的边界: ```cpp double bounds[6]; // [xmin, xmax, ymin, ymax, zmin, zmax] vtkBoundingBox bbox; bbox.AddPoint(...); // 添加点集 bbox.GetBounds(bounds); ``` 3. **创建平面切割器** 使用 `vtkPlane` 定义平面,配合 `vtkCutter` 切割AABB立方体: ```cpp vtkNew<vtkPlane> plane; plane->SetNormal(A, B, C); // 设置法向量 plane->SetOrigin(-D*A, -D*B, -D*C); // 计算平面上一点 vtkNew<vtkCutter> cutter; cutter->SetCutFunction(plane); cutter->SetInputConnection(cubeSource->GetOutputPort()); ``` 4. **生成AABB立方体** 用 `vtkCubeSource` 创建包围盒的几何表示: ```cpp vtkNew<vtkCubeSource> cubeSource; cubeSource->SetBounds(bounds); ``` 5. **完整代码示例** ```cpp #include <vtkActor.h> #include <vtkBoundingBox.h> #include <vtkCubeSource.h> #include <vtkCutter.h> #include <vtkNamedColors.h> #include <vtkPlane.h> #include <vtkPolyDataMapper.h> #include <vtkProperty.h> #include <vtkRenderWindow.h> #include <vtkRenderWindowInteractor.h> #include <vtkRenderer.h> int main() { // 1. 定义平面方程 x + y + z - 1 = 0 const double A = 1, B = 1, C = 1, D = -1; // 2. 创建AABB包围盒 (示例范围) vtkBoundingBox bbox; bbox.AddPoint(0, 0, 0); bbox.AddPoint(2, 2, 2); double bounds[6]; bbox.GetBounds(bounds); // 3. 创建包围盒立方体 vtkNew<vtkCubeSource> cubeSource; cubeSource->SetBounds(bounds); // 4. 创建平面 vtkNew<vtkPlane> plane; plane->SetNormal(A, B, C); plane->SetOrigin(-D * A, -D * B, -D * C); // 计算平面上一点 // 5. 创建切割器 vtkNew<vtkCutter> cutter; cutter->SetCutFunction(plane); cutter->SetInputConnection(cubeSource->GetOutputPort()); // 6. 可视化设置 vtkNew<vtkPolyDataMapper> planeMapper; planeMapper->SetInputConnection(cutter->GetOutputPort()); vtkNew<vtkActor> planeActor; planeActor->SetMapper(planeMapper); planeActor->GetProperty()->SetColor(1, 0, 0); // 红色平面 planeActor->GetProperty()->SetLineWidth(3); // 7. 渲染 vtkNew<vtkRenderer> renderer; vtkNew<vtkRenderWindow> renderWindow; renderWindow->AddRenderer(renderer); vtkNew<vtkRenderWindowInteractor> interactor; interactor->SetRenderWindow(renderWindow); renderer->AddActor(planeActor); renderer->SetBackground(0.2, 0.3, 0.4); renderWindow->Render(); interactor->Start(); return 0; } ``` ### 关键点说明 1. **平面点计算** 通过 $ \text{原点} = (-DA, -DB, -DC) $ 确保点在平面上,满足 $Ax_0 + By_0 + Cz_0 + D = 0$。 2. **切割原理** `vtkCutter` 将平面与立方体求交,输出交线多边形(平面在AABB内的截面)。 3. **边界处理** 当平面与AABB不相交时,不会生成任何几何数据。 4. **可视化优化** - 使用 `SetLineWidth()` 加粗交线 - 添加包围盒线框辅助观察空间关系 - 支持平面透明度设置(`SetOpacity()`) 此方法通过隐式函数求交实现高效的空间平面绘制,适用于任意平面方程AABB包围盒的组合[^1][^2]。 --- ### 相关问题 1. 如何判断平面与AABB包围盒是否相交? 2. 怎样获取平面与AABB相交形成的多边形顶点坐标? 3. 如何用VTK实现平面两侧不同颜色的渲染效果? 4. 在动态场景中如何实时更新平面与移动包围盒的交线?
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