【QT+VTK 学习笔记】02:灯光、相机、颜色、纹理映射

前言

“VTK图形图像开发进阶_张晓东_罗火灵”的学习笔记。
东灵工作室 教程系列导航：http://blog.csdn.net/www_doling_net/article/details/8763686

学习资料

VTK8.2.0+QT5+VS2015 x86/x64 已编译第三方库以其测试DEMO:
https://download.csdn.net/download/qq_37373742/83350761?spm=1001.2014.3001.5503
VTK官网学习地址：https://vtk.org/doc/nightly/html/

灯光

程序展示 加入绿色和蓝色光照的效果

vtkLight 灯光
剧场里有各式各样的灯光，三维渲染场景中也一样，可以有多个灯光存在。灯光和相机 是三维渲染场景必备的要素，vtkRenderer会自动创建默认的灯光和相机。VTK里用类vtkLight来表示渲 染场景中的灯光。与现实中的灯光类似，VTK中的vtkLight实例也可以打开、关闭，设置灯 光的颜色，照射位置(焦点)，灯光所在的位置、强度等。
vtkLight可以分为位置灯光(Positional Light,也叫聚光灯)和方向灯光(Direction Light)。 位置灯光是光源位置在渲染场景中的某个位置，可以指定灯光的衰减值、锥角等；方向灯光 即光源位置在无穷远，可以认为光线是平行的，比如自然界中的太阳光。光源的位置和焦点 的连线定义光线的方向，默认的vtkLight为方向灯光。
vtkLight的常用方法如下。

SetColor()：设置灯光的颜色，以RGB的形式指定颜色。
SetPosition()：设灯光照位置。
SetFocalPoint()：设置灯光焦点。
Setlntensity()：设置灯光的强度。
SetSwitch()/SwitchOn()/SwitchOff()：打开或关闭对应的灯光。
vtkLight还提供SetPositional() / Get Positional() / PositionalOn() / PositionalOff()这一类方法用来控制位置灯光的开关。

程序说明
本章光照示例定义了两个vtkLight对象，一个为绿色光，位置在(0,0,1),焦点对着相机的焦点； 另一个为蓝色光，位置在(0,0,-1)，焦点也是对着相机的焦点，最后调用vtkRenderer的方法 AddLight()将两个灯光对象加入到渲染场景中。因为Renderer里可以有多个灯光，所以VTK 提供的接口是AddLight()而不是SetLight。
程序源码

#include 
#include 
VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL2)
VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle)

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
    vtkSmartPointer<vtkCylinderSource> cylinder = vtkSmartPointer<vtkCylinderSource>::New();
    cylinder->SetHeight( 3.0 );
    cylinder->SetRadius( 1.0 );
    cylinder->SetResolution( 10 );

    vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> cylinderMapper = vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
    cylinderMapper->SetInputConnection( cylinder->GetOutputPort() );

    vtkSmartPointer<vtkActor> cylinderActor = vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
    cylinderActor->SetMapper( cylinderMapper );

    vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
    renderer->AddActor( cylinderActor );
    renderer->SetBackground( 1.0, 1.0, 1.0 );

    vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renWin = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
    renWin->AddRenderer( renderer );
    renWin->SetSize( 640, 480 );
    renWin->Render();
    renWin->SetWindowName("RenderCylinder-Lights");

    vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> iren = vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
    iren->SetRenderWindow(renWin);

    vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleTrackballCamera> style = vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleTrackballCamera>::New();
    iren->SetInteractorStyle(style);

    vtkSmartPointer<vtkLight> myLight = vtkSmartPointer<vtkLight>::New();
    myLight->SetColor(0,1,0);       //设置光颜色          
    myLight->SetPosition(0,0,1);    //设置光照位置
    myLight->SetFocalPoint(renderer->GetActiveCamera()->GetFocalPoint());  //设置灯光焦点
    renderer->AddLight(myLight);

    vtkSmartPointer<vtkLight> myLight2 =vtkSmartPointer<vtkLight>::New();
    myLight2->SetColor(0,0,1);      //设置光颜色   
    myLight2->SetPosition(0,0,-1);  //设置光照位置
    myLight2->SetFocalPoint(renderer->GetActiveCamera()->GetFocalPoint()); //设置灯光焦点
    renderer->AddLight(myLight2);

    iren->Initialize();
    iren->Start();
    return EXIT_SUCCESS;
}

相机

观众的眼睛好比三维渲染场景中的相机，在VTK中用vtkCamera类来表示。vtkCamera 负责把三维场景投影到二维平面，如屏幕。相机投影示意图如图2-4所示。从下图可以看出与相机投影相关的要素主要有如下儿个。

1)相机位置
相机所处的位置，用vtkCamera::SetPosition()方法设置。
2)相机焦点
用vtkCamera::SetFocusPoint()方法设置，默认的焦点位置在世界坐标系的 原点o
3)朝上方向
朝上方向即哪个方向为相机朝上的方向。就好比直立看东西，方向为头朝 上，看到的东西也是直立的，如果倒立看某个东西，这时方向为头朝下，看到的东西就是倒 立的。相机位置、相机焦点和朝上方向三个因素确定了相机的实际方向，即确定相机的视图。
4)投影方向
相机位置到相机焦点的向量方向即为投影方向。
5)投影方法
该要素用于确定Actor是如何映射到像平面的。vtkCamera定义了两种投 影方法：一种是正交投影(Orthographic Projection),也叫平行投影(Parallel Projection),即 进入相机的光线与投影方向是平行的：另一种是透视投影(Perspective Projection),即所有光 线相交于一点。该投影方法最符合人类眼睛对于景物所产生的近大远小的视觉习惯。
6)视角
透视投影时需要指定相机的视角(View Angle),默认的视角大小为30° ,可 以用 vtkCamera::SetViewAngle()方法设置。
7)前后裁剪平面
裁剪平面与投影方向相交，一般与投影方向也是垂直的。裁剪平面主 要用于评估Actor与相机距离的远近，只有在前后裁剪平面之间的Actor才是可见的。裁剪平 面的位置可以用vtkCamera::SetClippingRange()方法设置。

代码演示了如何生成和设置相机：

    vtkSmartPointer<vtkCamera> myCamera = vtkSmartPointer<vtkCamera>::New();
    myCamera->SetClippingRange(0.0475, 2.3786);         //裁剪平面的位置  裁剪平面主 要用于评估Actor与相机距离的远近，只有在前后裁剪平面之间的Actor才是可见的
    myCamera->SetFocalPoint(0.0573, -0.2134, -0.0523);  //相机焦点
    myCamera->SetPosition(0.3245, -0.1139, 1);          //相机位置
    myCamera->SetViewUp(-0.2234, 0.9983, 0.0345);       //相机朝上方向
    renderer->SetActiveCamera(myCamera);				//相机设置到渲染场景中

控制相机运动的方法
如 Dolly。、Roll。、Azimuth()^ Yaw()、Elevation。、Pitch。和 Zoom。这些方法具体是怎么运动以及相对哪个位置或者方向运动，请参考下图及相机运动方向示意图。

颜色

颜色是Actor重要的属性之一。VTK采用RGB和HSV两种颜色系统来描述颜色。
RGB颜色系统
RGB颜色系统由三个颜色分量：红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）的组合表示，在 VTK里，这三个分量的取值范围都是0〜1, （0, 0, 0）表示黑色，（1, 1, 1）表示白色。 vtkProperty::SetColor（r, g, b）釆用的就是RGB颜色系统设置颜色属性值。
HSV颜色系统
HSV颜色系统同样也是由三个分量来决定颜色，它们分别是：色相（Hue）,表示颜色 的基本属性，就是通常所说的颜色名称，如红色、黄色等；饱和度（Saturation）,是指颜色 的纯度，其值越高则越纯；值（Value,也就是强度Intensity或者亮度Bright）,值为0通常 表示的是黑色，值为1表示的是最亮的颜色。这三个分量的取值范围0~1。
类vtkLookupTable提供了 HSV颜色系统设置的方法。
表2-1列出了常用颜色RGB和HSV值的对照。

纹理映射

程序展示

平面

球形
圆柱体

纹理映射是创建逼真效果的强大的图形工具，其原理是渲染时把二维的图像“贴”到物 体的表面上，根据二维图像渲染出丰富多彩的效果，所以也叫纹理贴图。
纹理映射需要三个 要素：待贴图的表面、纹理映射以及纹理坐标。

vtkTextureMapToCylinder
VTK中定义了多个类实现纹理空间到模型空间的映射，例如vtkTextureMapToPlane通过一个平面建立纹理空间到模型空间的 映射关系；vtkTextureMapToCylinder通过圆柱棉建立映射关系；vtkTextureMapToSphere通过球面建立映射关系。它们的本质是给输入数据的点数据设置纹理坐标，属性数据的一种。

程序源码

#include 
#include 
VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL2)
VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle)

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char* argv[])
{
    char* imgPath = (char *)"C:/Users/jbyyy/Desktop/userIn.jpg";
    vtkSmartPointer< vtkJPEGReader > reader = vtkSmartPointer< vtkJPEGReader >::New();
    reader->SetFileName(imgPath);

    vtkSmartPointer< vtkTexture > texture = vtkSmartPointer< vtkTexture >::New();
    texture->SetInputConnection( reader->GetOutputPort() );
    texture->InterpolateOn();

    //    //平面
    //    vtkSmartPointer< vtkPlaneSource > plane = vtkSmartPointer< vtkPlaneSource >::New();
    //    vtkSmartPointer< vtkPolyDataMapper > mapper = vtkSmartPointer< vtkPolyDataMapper >::New();
    //    mapper->SetInputConnection( plane->GetOutputPort() );

    //    //球体
    //    vtkSmartPointer sphereSource = vtkSmartPointer::New();
    //    sphereSource->SetCenter(0,0,0);
    //    sphereSource->SetRadius(1);
    //    sphereSource->SetThetaResolution(40);
    //    sphereSource->SetPhiResolution(40);
    //    sphereSource->Update();
    //    vtkSmartPointer textureMapToSphere = vtkSmartPointer::New();
    //    textureMapToSphere->SetInputConnection(sphereSource->GetOutputPort());
    //    //Create mapper and set the mapped texture as input
    //    vtkSmartPointer mapper = vtkSmartPointer::New();
    //    mapper->SetInputConnection(textureMapToSphere->GetOutputPort());

    //圆柱体
    vtkSmartPointer<vtkCylinderSource> cylinder = vtkSmartPointer<vtkCylinderSource>::New();
    cylinder->SetHeight(20.0);
    cylinder->SetCenter(0, 0, 0);
    cylinder->SetRadius(3.0);
    cylinder->SetResolution(100);

    vtkSmartPointer<vtkTextureMapToCylinder> texturemap = vtkSmartPointer<vtkTextureMapToCylinder>::New();
    texturemap->SetInputConnection(cylinder->GetOutputPort());
    texturemap->SetPreventSeam(0);

    vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper = vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
    mapper->SetInputConnection(texturemap->GetOutputPort());



    vtkSmartPointer< vtkActor > actor = vtkSmartPointer< vtkActor >::New();
    actor->SetMapper( mapper );
    actor->SetTexture( texture );

    vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
    renderer->AddActor( actor );
    renderer->SetBackground( 1.0, 1.0, 1.0);

    vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renWin = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
    renWin->AddRenderer( renderer );
    renWin->SetSize( 640, 480 );
    renWin->Render();
    renWin->SetWindowName("TextureExample");

    vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> iren = vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
    iren->SetRenderWindow(renWin);
    iren->Initialize();
    iren->Start();

    return EXIT_SUCCESS;
}