VTK随笔二：三维场景的基本要素

一、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。

 示例代码：

#include <QApplication>
#include <QVTKOpenGLNativeWidget.h>
#include <vtkActor.h>
#include <vtkCamera.h>
#include <vtkCylinderSource.h>
#include <vtkNamedColors.h>
#include <vtkNew.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkProperty.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkGenericOpenGLRenderWindow.h>
#include <vtkLight.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    QApplication a(argc, argv);

    vtkNew<vtkCylinderSource> cylinder;
    cylinder->SetResolution(8);

    vtkNew<vtkPolyDataMapper> cylinderMapper;
    cylinderMapper->SetInputConnection(cylinder->GetOutputPort());

    vtkNew<vtkActor> cylinderActor;
    cylinderActor->SetMapper(cylinderMapper);
    cylinderActor->GetProperty()->SetColor(1,1,1);
    cylinderActor->RotateX(30.0);
    cylinderActor->RotateY(-45.0);

    vtkNew<vtkRenderer> renderer;
    renderer->AddActor(cylinderActor);
    renderer->SetBackground(1,1,1);
    renderer->ResetCamera();
    renderer->GetActiveCamera()->Zoom(1.5);

    vtkNew<vtkGenericOpenGLRenderWindow> renderWindow;
    renderWindow->AddRenderer(renderer);
    QVTKOpenGLNativeWidget w;
    w.setRenderWindow(renderWindow);

    // 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
    vtkNew<vtkLight> light1;
    light1->SetColor(0,1,0);
    light1->SetPosition(0,0,1);
    light1->SetFocalPoint(renderer->GetActiveCamera()->GetFocalPoint());
    renderer->AddLight(light1);

    // 定义蓝色光，位置在(0,0,1)，焦点对着相机的焦点，然后addLight到渲染场景中
    vtkNew<vtkLight> light2;
    light2->SetColor(0,0,1);
    light2->SetPosition(0,0,-1);
    light2->SetFocalPoint(renderer->GetActiveCamera()->GetFocalPoint());
    renderer->AddLight(light2);

    w.show();
    return a.exec();
}

效果如下： 

二、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。 

  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。 

示例代码：

    vtkNew<vtkCamera> myCamera;
    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);

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()。 

 三、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。

四、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。 

示例代码：

    vtkNew<vtkJPEGReader> reader;
    reader->SetFileName("texture.jpg");
    
    vtkNew<vtkTexture> texture;
    texture->SetInputConnection( reader->GetOutputPort() );
    texture->InterpolateOn();
    
    vtkNew<vtkPlaneSource> plane;
    vtkNew<vtkPolyDataMapper> mapper;
    mapper->SetInputConnection( plane->GetOutputPort() );
    
    vtkNew<vtkActor> actor;
    actor->SetMapper( mapper );
    actor->SetTexture( texture );