VTK修炼之道50：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：

#include 
VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL);
VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingFreeType);
VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
//生成带孔洞的网格球
void GenerateData(vtkSmartPointer input)
{
	vtkSmartPointer sphereSource =
		vtkSmartPointer::New();
	sphereSource->Update();

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

	//选择树中的节,用于存储选择结果
	vtkSmartPointer selectionNode =
		vtkSmartPointer::New();
	selectionNode->SetFieldType(vtkSelectionNode::CELL);
	selectionNode->SetContentType(vtkSelectionNode::INDICES);
	selectionNode->SetSelectionList(ids);
	selectionNode->GetProperties()->Set(vtkSelectionNode::INVERSE(), 1);

	vtkSmartPointer selection =
		vtkSmartPointer::New();
	selection->AddNode(selectionNode);

	//从vtkdataset提取子集,删除操作
	vtkSmartPointer extractSelection =
		vtkSmartPointer::New();
	extractSelection->SetInputData(0, sphereSource->GetOutput());
	extractSelection->SetInputData(1, selection);
	extractSelection->Update();

	//vtkDataSetSurfaceFilter是更快版本的vtkgeometry滤波器
	//但它没有一个选择范围。比vtkGeometryFilter使用更多的内存
	//只有一个选择：输入结构类型时是否使用三角形条
	vtkSmartPointer surfaceFilter =
		vtkSmartPointer::New();
	surfaceFilter->SetInputConnection(extractSelection->GetOutputPort());
	surfaceFilter->Update();

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

int main()
{
	vtkSmartPointer input =
		vtkSmartPointer::New();
	GenerateData(input);

	vtkSmartPointer featureEdges =
		vtkSmartPointer::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 fillHolesFilter =
		vtkSmartPointer::New();
	fillHolesFilter->SetInputData(input);
	fillHolesFilter->Update();

	vtkSmartPointer normals =
		vtkSmartPointer::New();
	normals->SetInputConnection(fillHolesFilter->GetOutputPort());
	normals->ConsistencyOn(); //很重要，根据其他单元点的顺序调整补充点的顺序
	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 originalMapper =
		vtkSmartPointer::New();
	originalMapper->SetInputData(input);
	vtkSmartPointer backfaceProp =
		vtkSmartPointer::New();
	backfaceProp->SetDiffuseColor(0.89, 0.81, 0.34);
	vtkSmartPointer originalActor =
		vtkSmartPointer::New();
	originalActor->SetMapper(originalMapper);
	originalActor->SetBackfaceProperty(backfaceProp);
	originalActor->GetProperty()->SetDiffuseColor(1.0, 0.3882, 0.2784);

	vtkSmartPointer edgeMapper =
		vtkSmartPointer::New();
	edgeMapper->SetInputData(featureEdges->GetOutput());
	vtkSmartPointer edgeActor =
		vtkSmartPointer::New();
	edgeActor->SetMapper(edgeMapper);
	edgeActor->GetProperty()->SetEdgeColor(0., 0., 1.0);
	edgeActor->GetProperty()->SetEdgeVisibility(1);
	edgeActor->GetProperty()->SetLineWidth(5);

	vtkSmartPointer filledMapper =
		vtkSmartPointer::New();
	filledMapper->SetInputData(normals->GetOutput());
	vtkSmartPointer filledActor =
		vtkSmartPointer::New();
	filledActor->SetMapper(filledMapper);
	filledActor->GetProperty()->SetDiffuseColor(1.0, 0.3882, 0.2784);
	///////////////////////////
	vtkSmartPointer leftRenderer =
		vtkSmartPointer::New();
	leftRenderer->SetViewport(leftViewport);
	leftRenderer->AddActor(originalActor);
	leftRenderer->AddActor(edgeActor);
	leftRenderer->SetBackground(1.0, 1.0, 1.0);

	vtkSmartPointer rightRenderer =
		vtkSmartPointer::New();
	rightRenderer->SetViewport(rightViewport);
	rightRenderer->AddActor(filledActor);
	rightRenderer->SetBackground(0, 0, 0);

	vtkSmartPointer renderWindow =
		vtkSmartPointer::New();
	renderWindow->AddRenderer(leftRenderer);
	renderWindow->AddRenderer(rightRenderer);
	renderWindow->SetSize(640, 320);
	renderWindow->Render();
	renderWindow->SetWindowName("Poly Data Closed");

	vtkSmartPointer renderWindowInteractor =
		vtkSmartPointer::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()); //同步响应
	renderWindowInteractor->Start();

	return 0;
}

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。

2.参看资料

1.《C++ primer》
2.《The VTK User’s Guide – 11thEdition》
3.  张晓东, 罗火灵. VTK图形图像开发进阶[M]. 机械工业出版社, 2015.