《VTK图形图像开发进阶》第2章——三维场的基本要素

2.1 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，如果没有指定，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示例也可以打开、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（Position 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(): 设置光照位置。
• setFocalPoint(): 设置灯光焦点。
• setIntensity(): 设置灯光的强度。
• setSwitch()/SwitchOn()/SwitchOff(): 打开或关闭对应的灯光。

vtkLight里的方法setSwitch()/GetSwitch()/SwitchOn()/SwitchOff()控制灯光的开或关。不难发现，在VTK中属性的设置都是采取这类方法，以vtkLight为例，SwitchOn()与SetSwitch(1)实现的效果是一样的，而SwitchOff()与SetSwitch(0)一样，GetSwitch()则是用于获取vtkLight对象关闭或打开这个属性的值。如果某个类有提供SetXXX()方法，一般会提供相应的GetXXX()方法来获取该属性值。再如vtkLight还提供SetPosition()/GetPosition()/PositionalOn()/PositionalOff()这一类方法用来控制位置灯光的开关。

示例2.2_RenderCylinder-Lights

#include <vtkAutoInit.h>
VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL2);
VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingFreeType);
VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
#include <vtkInteractorStyleTrackballCamera.h>
#include <vtkCylinderSource.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkActor.h>
#include <vtkLight.h>
#include <vtkCamera.h>
#include <vtkProperty.h>

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);

	// 定义绿色光，位置在(0,0,1)，焦点对着相机的焦点，然后addLight到渲染场景中
	vtkSmartPointer<vtkLight> myLight = 
		vtkSmartPointer<vtkLight>::New();
	myLight->SetColor(0,1,0);
	myLight->SetPosition(0,0,1);
	myLight->SetFocalPoint(
		renderer->GetActiveCamera()->GetFocalPoint());
	renderer->AddLight(myLight);

	vtkSmartPointer<vtkLight> myLight2 =
		vtkSmartPointer<vtkLight>::New();
	myLight2->SetColor(0,0,1);
	myLight2->SetPosition(0,0,-1);
	myLight2->SetFocalPoint(
		renderer->GetActiveCamera()->GetFocalPoint());
	renderer->AddLight(myLight2);

	iren->Initialize();
	iren->Start();

	return EXIT_SUCCESS;
}

2.2 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负责把三维场景投射到二维平面，如屏幕。相机投影示意图如下图所示，与相机投影相关的要素主要有如下几个。

  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。
  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。

下面的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);
	myCamera->SetFocalPoint(0.0573, -0.2134, -0.0523);
	myCamera->SetPosition(0.3245, -0.1139, -0.2932);
	myCamera->SetViewUp(-0.2234, 0.9983, 0.0345);
	renderer->SetActiveCamera(myCamera);

SetClippingRange()/SetFocalPoint()/SetPosition()分别用于设置相机的前后裁剪平面、焦点和位置。ComputeViewPlaneNormal()方法是根据设置的相机位置、焦点等信息，重新计算视平面(View Plane)的法向量。一般该法向量与视平面是垂直的，如果不垂直，Actor等看起来会有一些特殊的效果，如错切。SetViewUp()方法用于设置相机朝上方向。最后用vtkRenderer::SetActiveCamera()方法把相机设置到渲染场景中。

vtkCamera除了提供设置于相机投影因素相关的方法之外，还提供了大量的控制相机运动的方法，如Dolly()、Roll()、Azimuth()、Yaw()、Elevation()、Pitch()、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行，如下图所示。

2.3 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颜色系统由三个颜色分量：红色R、绿色G、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)采用的就是RGB颜色系统设置颜色属性值。

HSV颜色系统统一也是由三个分量来决定颜色，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。

与颜色设置相关的VTK类除了vtkProperty和vtkLookupTable之外，还有vtkColorTransferFunction，vtkLookupTable和vtkColorTransferFunction都派生自vtkScalarsToColors。

2.4 纹理映射

纹理映射是创建逼真效果的强大图形工具，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：带贴图的表面、纹理映射以及纹理坐标。其中纹理映射在VTK中就是vtkImageData的数据集，而纹理坐标则用于控制纹理图在表面的位置。

示例2.2_TextureExample

#include <vtkAutoInit.h>
VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL2);
VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingFreeType);
VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkJPEGReader.h>
#include <vtkTexture.h>
#include <vtkPlaneSource.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkActor.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>

//测试文件：data/texture.jpg
int main(int argc, char* argv[])
{
	/*if (argc < 2)
	{
		std::cout<<argv[0]<<" "<<"TextureFile(*.jpg)"<<std::endl;
		return EXIT_FAILURE;
	}*/
	const char* jpgdata = "texture.jpg";

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

	vtkSmartPointer< vtkPlaneSource > plane = 
		vtkSmartPointer< vtkPlaneSource >::New();
	vtkSmartPointer< vtkPolyDataMapper > mapper = 
		vtkSmartPointer< vtkPolyDataMapper >::New();
	mapper->SetInputConnection( plane->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 0;
}