VTK：图形基本操作进阶——网格平滑

1.网格平滑

现代扫描技术的发展使得获取点云数据不再困难，通过曲面重建技术可以获取表面网格来表示各种复杂的实体。但是点云数据中往往存在噪声，这样得到的重建网格通常都需要进行平滑处理。
拉普拉斯平滑是一种常见的网格平滑算法。该方法的原理比较简单。将每个点用邻域点的中心来代替。通过不断地迭代，可以得到交为光滑的网格。

代码

#include "vtkAutoInit.h" 
VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL2);
VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);

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

//测试文件：../data/fran_cut.vtk
int main(int argc, char* argv[])
{
	vtkSmartPointer<vtkPolyDataReader> reader =
		vtkSmartPointer<vtkPolyDataReader>::New();
	reader->SetFileName("data/fran_cut.vtk");
	reader->Update();

	vtkSmartPointer<vtkSmoothPolyDataFilter> smoothFilter =
		vtkSmartPointer<vtkSmoothPolyDataFilter>::New();
	smoothFilter->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());
	smoothFilter->SetNumberOfIterations(200);
	smoothFilter->Update();

	vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> inputMapper =
		vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
	inputMapper->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());
	vtkSmartPointer<vtkActor> inputActor =
		vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
	inputActor->SetMapper(inputMapper);

	vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> smoothedMapper =
		vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
	smoothedMapper->SetInputConnection(smoothFilter->GetOutputPort());

	vtkSmartPointer<vtkActor> smoothedActor =
		vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
	smoothedActor->SetMapper(smoothedMapper);

	double leftViewport[4] = { 0.0, 0.0, 0.5, 1.0 };
	double rightViewport[4] = { 0.5, 0.0, 1.0, 1.0 };

	vtkSmartPointer<vtkRenderer> leftRenderer =
		vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();

	leftRenderer->SetViewport(leftViewport);
	leftRenderer->AddActor(inputActor);
	leftRenderer->SetBackground(0.8, 0.8, 0.8);
	leftRenderer->ResetCamera();

	vtkSmartPointer<vtkRenderer> rightRenderer =
		vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
	rightRenderer->SetViewport(rightViewport);
	rightRenderer->AddActor(smoothedActor);
	rightRenderer->SetBackground(0.8, 0.8, 0.8);
	rightRenderer->SetActiveCamera(leftRenderer->GetActiveCamera());
	rightRenderer->ResetCamera();

	vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow =
		vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
	renderWindow->AddRenderer(leftRenderer);
	renderWindow->AddRenderer(rightRenderer);
	renderWindow->SetSize(640, 320);
	renderWindow->Render();
	renderWindow->SetWindowName("PolyDataLapLasianSmooth");

	vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> interactor =
		vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
	interactor->SetRenderWindow(renderWindow);

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

	return EXIT_SUCCESS;
}

平滑后的截图

vtkSmoothPolyDataFilter::SetNumberOfIterations()控制平滑的次数，次数越大平滑的越厉害。平滑的结果如下图所示，左侧为原始模型，右边为经过200次平滑后的模型。经过200次平滑之后，模型变得非常细腻，但是平滑的同时也损失了一些细节信息，例如在眼窝处的细节已经平滑掉，在使用该方法时需要注意这点。

另外BoundarySmoothing：控制是否对边界平滑。这里需要理解边界点的概念，在一个网格模型中，一条边只被一个单元包含那么这条边就是边界边，而边界边上的点称为边界点。如果一个模型中只含有边界边，则说明该模型不是封闭的，正如图中的一样。FeatureEdgeSmoothing：控制是否对特征边上的点进行平滑。如果一条边被两个邻近的多边形公用，若两个多边形法向量的夹角大于定义的阈值，则说明该边为一条特征边。因此，FeatureEdgeSmoothing设置开始时，需要调用SetFeatureAngela（）函数设置特征角的阈值。
特征角越大，说明改变边越尖锐。特征边/角往往表达模型的细节，平滑过程中最好不要进行处理，以保护细节不受损伤。
虽然通过特征边平滑设置可以降低一部分细节损失，但是并不能完全的避免，且随着laplace平滑的不断迭代，模型会逐渐地向中间收缩。所以vtkWindowSincPolyDataFilter是一种更好的选择，该算法采用传功Sinc函数实现网格平滑，能够最小程度地避免收缩。