VTK笔记——vtkCamera的理解和用法

其实，网上有不少介绍VTK Camera的内容。在3D图形学中，相机对于渲染对象来说是必不可少的。我们可以通过它来观察物体，包括执行放大缩小、移动相机等操作，所以它是我们需要了解的基础和重要的知识之一。

本篇博客记录的是相机的作用，相机的参数，以及如何控制相机和在实际中的应用。

vtkCamera的作用

在三维渲染场景中，相机好比人的眼睛，人站立的位置影响事物的大小，视角的不同影响看到事物的范围，目光的朝向影响看到事物的正反。我们可以通过VTK的相机来控制三维图形，物体的缩放、视角的切换等。

下图是vtkCamera的模型示意图，需要注意的是左边的摄像机，它和焦点都是在相机内部。

VTK用vtkCamera来表示相机，vtkCamera负责把三维场景投影到二维平面，如屏幕、图像等，vtkCamera定义观察者的位置、焦点以及相关的属性。

vtkCamera的参数

Position(相机位置)

光心的位置，可以理解为小孔相机模型中小孔的位置。可以通过vtkCamera::SetPosition()和vtkCamera::GetPosition()设置和获取。

Focal Point(相机焦点)

焦点的位置，用三维坐标表示，默认相机焦点的位置在世界坐标系的原点。通过vtkCamera::SetFocusPoint()和vtkCamera::GetFocusPoint()设置和获取。

View up(相机朝向)

ViewUp指图像的正方向。由Position和FocalPoint我们可以确定5个自由度，相机仍然可以沿着主光轴任意旋转。所以这里要指定正方向，即ViewUp。这里注意，ViewUp是一个方向向量，不存在位置，或者说起点永远在原点。

Position、Focal Point和View Up三个因素确定了相机的实际方向，即确定了相机的视图。

ViewAngle(相机视角)

ViewAngle是视角，默认是30°。这个是一个重要的参数，它决定了图像的比例大小，通过设置vtkCamera::SetViewAngle()可以对图像缩放。

Front Clipping Plane/Back Clipping Plane(前/后裁剪平面)

前/后剪切平面，包含两个。只有在这两个剪切平面之间的内容才会被渲染和显示，默认值是(0.1,1000)。这个参数一般不需要修改。可以调用vtkRenderer::ResetCameraClippingRange()方法来自动重设渲染范围。

Direction of Projection(投影方向)

一个三维矢量，从光心位置Position指向焦点位置FocalPoint。

如果你想获取vtkRenderer里默认的相机，可以用方法vtkRenderer::GetActiveCamera()。

vtkCamera如何控制

Cameras.cxx

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

int main(int, char *[])
{
	// Create a cone
	vtkSmartPointer sphereSource =
		vtkSmartPointer::New();

	sphereSource->SetRadius(.5);
	sphereSource->SetCenter(0, 0, 0);

	// Visualize
	vtkSmartPointer mapper =
		vtkSmartPointer::New();
	mapper->SetInputConnection(sphereSource->GetOutputPort());;

	vtkSmartPointer actor =
		vtkSmartPointer::New();
	actor->SetMapper(mapper);

	vtkSmartPointer renderer =
		vtkSmartPointer::New();
	renderer->AddActor(actor);
	renderer->SetBackground(.3, .3, .5); // Background color purple

	vtkSmartPointer renderWindow =
		vtkSmartPointer::New();
	renderWindow->SetSize(600, 600);
	renderWindow->AddRenderer(renderer);

	vtkSmartPointer renderWindowInteractor =
		vtkSmartPointer::New();
	renderWindowInteractor->SetRenderWindow(renderWindow);

	vtkCamera *activeCamera = renderer->GetActiveCamera();
	double position[3] = { 0 };
	activeCamera->GetPosition(position);
	cout << "Default Camera Position: [" << position[0] << "," << position[0] << "," << position[2] << "]" << endl;
	double focalPoint[3];
	activeCamera->GetFocalPoint(focalPoint);
	cout << "Default Camera Focal Point: [" << focalPoint[0] << "," << focalPoint[0] << "," << focalPoint[2] << "]" << endl;
	double viewAngle = activeCamera->GetViewAngle();
	cout << "Default Camera View Angle: " << viewAngle << endl;

	cout << "------------------------------------" << endl;
	vtkSmartPointer camera = vtkSmartPointer::New();
	position[0] = 1;
	position[0] = 0;
	position[0] = 0;
	cout << "Set Camera Position: [" << position[0] << "," << position[0] << "," << position[2] << "]" << endl;
	camera->SetPosition(position);
	focalPoint[0] = 0;
	focalPoint[1] = 1;
	focalPoint[2] = 0;
	cout << "Set Camera Focal Point: [" << focalPoint[0] << "," << focalPoint[0] << "," << focalPoint[2] << "]" << endl;
	camera->SetFocalPoint(focalPoint);
	viewAngle = 60.0;
	cout << "Camera View Angle: " << viewAngle << endl;
	camera->SetViewAngle(viewAngle);
	Render->SetActiveCamera(camera);

	cout << "------------------------------------" << endl;
	camera->GetPosition(position);
	cout << "Get Camera Position: [" << position[0] << "," << position[0] << "," << position[2] << "]" << endl;
	camera->GetFocalPoint(focalPoint);
	cout << "Get Camera Focal Point: [" << focalPoint[0] << "," << focalPoint[0] << "," << focalPoint[2] << "]" << endl;
	viewAngle = camera->GetViewAngle();
	cout << "Get Camera View Angle: " << viewAngle << endl;

	renderWindowInteractor->Start();

	return EXIT_SUCCESS;
}

实际过程中如何使用？

实际的项目开发中，可能你想知道Actor正处在哪个视角，就可以通过活动相机来计算角度。

	double curPosition[3], curFocalPoint[3], curViewUp[3];
	vtkCamera *curCamera =renderer->GetActiveCamera();
	curCamera->GetPosition(curPosition);
	curCamera->GetFocalPoint(curFocalPoint);
	curCamera->GetViewUp(curViewUp);
	double curViewDirection[3];
    // curViewDirection = curPosition - curFocalPoint
	vtkMath::Subtract(curPosition, curFocalPoint, curViewDirection);
	double viewDirection[3] = { curViewDirection[0], curViewDirection[1], curViewDirection[2] };

	double zAxis[3] = {0, 0, 1};
	//viewDirection*zAxis
	double dotValue = viewDirection[0] * zAxis[0] + viewDirection[1] * zAxis[1] + viewDirection[2] * zAxis[2];
	double angle = acosf(dotValue) * 180.0 / vtkMath::Pi();
	cout << "Angle: " << angle << endl;

Reference

The-Visualization-Toolkit-An-Object-Oriented-Approach-To-3D-Graphics

VTK相机类vtkCamera原理及用法

03-VTK基础概念(2)