VTK修炼之道45：图形进阶_vtkPolyData属性数据

1.从图形着色说起

前一个实验显示结果中的图像是白色的，而图形颜色与vtkPolyData属性数据息息相关。由于并未指定任何颜色和属性数据，因此在显示时默认以白色显示。
属性数据包括点属性和单元属性。可以为vtkPolyData的点数据和单元数据分别指定属性数据。
属性数据可以是标量，如点的曲率；可以是向量，如点或者单元的法向量；也可以是张量，主要在流场中较为常见。
颜色可以直接作为一种标量属性数据，设置到相应的点或者单元数据中，这也是最直接的一种图形着色方式。
下面的实例代码仅是对上例图形进行着色：

#include <vtkAutoInit.h>
VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL);

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkPoints.h>
#include <vtkPolygon.h>
#include <vtkTriangle.h>
#include <vtkCellArray.h>
#include <vtkPolyData.h>
#include <vtkUnsignedCharArray.h> //Attribution
#include <vtkPointData.h>
#include <vtkCellData.h>
///////
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkActor.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>

int main()
{
//几何结构数据：点集
vtkSmartPointer<vtkPoints> pts =
vtkSmartPointer<vtkPoints>::New();
pts->InsertNextPoint(0.0, 0.0, 0.0);
pts->InsertNextPoint(1.0, 0.0, 0.0);
pts->InsertNextPoint(1.0, 1.0, 0.0);
pts->InsertNextPoint(0.0, 1.0, 0.0);
pts->InsertNextPoint(2.0, 0.0, 0.0);
//拓扑结构数据：正四边形
vtkSmartPointer<vtkPolygon> polygon =
vtkSmartPointer<vtkPolygon>::New();
polygon->GetPointIds()->SetNumberOfIds(4);
polygon->GetPointIds()->SetId(0, 0);
polygon->GetPointIds()->SetId(1, 1);
polygon->GetPointIds()->SetId(2, 2);
polygon->GetPointIds()->SetId(3, 3);
//拓扑结构数据：三角形
vtkSmartPointer<vtkTriangle> triangle =
vtkSmartPointer<vtkTriangle>::New();
triangle->GetPointIds()->SetId(0, 1);
triangle->GetPointIds()->SetId(1, 2);
triangle->GetPointIds()->SetId(2, 4);
//构成拓扑结构集合
vtkSmartPointer<vtkCellArray> cells =
vtkSmartPointer<vtkCellArray>::New();
cells->InsertNextCell(polygon);
cells->InsertNextCell(triangle);
//合成几何拓扑结构用于显示
vtkSmartPointer<vtkPolyData> polygonPolyData =
vtkSmartPointer<vtkPolyData>::New();
polygonPolyData->SetPoints(pts);
polygonPolyData->SetPolys(cells);

//添加属性结构
unsigned char red[3] = { 255, 0, 0 };
unsigned char green[3] = { 0, 255, 0 };
unsigned char blue[3] = { 0, 0, 255 };
vtkSmartPointer<vtkUnsignedCharArray> ptColor =
vtkSmartPointer<vtkUnsignedCharArray>::New();
ptColor->SetNumberOfComponents(3);
ptColor->InsertNextTupleValue(red);
ptColor->InsertNextTupleValue(green);
ptColor->InsertNextTupleValue(blue);
ptColor->InsertNextTupleValue(red);
ptColor->InsertNextTupleValue(green);
polygonPolyData->GetPointData()->SetScalars(ptColor);

vtkSmartPointer<vtkUnsignedCharArray> cellColor =
vtkSmartPointer<vtkUnsignedCharArray>::New();
cellColor->SetNumberOfComponents(3);
cellColor->InsertNextTupleValue(blue);
cellColor->InsertNextTupleValue(red);
polygonPolyData->GetCellData()->SetScalars(cellColor);
////////////////////////////////////////////////////////
vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper =
vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
mapper->SetInputData(polygonPolyData);

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

vtkSmartPointer<vtkRenderer> render =
vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
render->AddActor(actor);
render->SetBackground(0.0, 0.0, 0.0);

vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> rw =
vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
rw->AddRenderer(render);
rw->SetSize(320, 240);
rw->SetWindowName("Creating PolyData Structure");

vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> rwi =
vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
rwi->SetRenderWindow(rw);
rwi->Render();
rwi->Start();

return 0;
}

该示例代码继承了上一节中的vtkPolyData数据。定义了两个vtkUnsignedCharArray对象ptColor和cellColor，分别为点和单元设置颜色数据。vtkUnsignedCharArray对象实际上为一个Unsigned char类型的数组。SetNumberOfComponents()函数指定了该数组中每个元组的大小。由于每个颜色是由RGB三个颜色分量组成。因此设置元组大小为3。InsertNextTupleValue()函数可以顺序插入元组数据。
由于要为点集设置颜色，因此颜色数目要与点数保持一致。对于单元的颜色数据设置同样需要注意，有多少个单元，就要设置多少个颜色。
设置点的颜色时，需要通过GetPointData()函数获取vtkPointData类型的点数据指针，然后通过SetScalar()函数设置颜色数据。
显示结果如下所示，从图中可以看出，在进行颜色渲染时，使用的是点的颜色，而不是单元的颜色！



根据之前的内容，我们知道：点数据和单元的属性数据是分别存储在VTKPointData和VTKCellData中的。
在这里，我们还是要着重区分一下标量属性数据和向量属性数据的区别：
向量数据具有方向和模；而标量数据不具有。如果一个数据（可以是单组分、也可以是多组分）经过一个几何变换后保持不变，那么该数据是一个标量，例如我们说的颜色属性。然而，对于法向量，该数据同样有三个组分，却是一个矢量属性，因为法向量经过几何变换后(如图像旋转)会发生改变。因此不能简单滴通过组分的个数来区分标量数据或者矢量数据。在对属性数据进行赋值时，也要分清标量数据还是矢量数据，不能将两者混淆，例如将颜色数据设置为矢量数据，那么在对图像数据进行几何变换后，颜色数据会发生改变。

2. 单元的标量属性和矢量属性数据设置

默认情况下，vtkPolyDataMapper会使用一个unsigned char类型的三元数组作为颜色值进行渲染。但是在很多情况下，模型颜色是通过属性数据获取的，比如根据标量数据在颜色查找表中获取相应的颜色。

#include <vtkAutoInit.h>
VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL);

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkPlaneSource.h>
#include <vtkPolyData.h>
#include <vtkFloatArray.h>
#include <vtkCellData.h>
#include <vtkLookupTable.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkActor.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>

int main()
{
vtkSmartPointer<vtkPlaneSource> gridSource =
vtkSmartPointer<vtkPlaneSource>::New();
gridSource->SetXResolution(3);
gridSource->SetYResolution(3);
gridSource->Update();

vtkSmartPointer<vtkPolyData> grid = gridSource->GetOutput();
//标量属性
vtkSmartPointer<vtkFloatArray> cellScalars =
vtkSmartPointer<vtkFloatArray>::New();
//矢量属性
vtkSmartPointer<vtkFloatArray> cellVector =
vtkSmartPointer<vtkFloatArray>::New();
cellVector->SetNumberOfComponents(3);
//设置属性
for (int i = 0; i < 9; i++)
{
cellScalars->InsertNextValue(i + 1); //九个索引
cellVector->InsertNextTuple3(0.0, 0.0, 1.0);
}

grid->GetCellData()->SetScalars(cellScalars);
grid->GetCellData()->SetVectors(cellVector);

vtkSmartPointer<vtkLookupTable> lut =
vtkSmartPointer<vtkLookupTable>::New();
lut->SetNumberOfTableValues(10);
lut->Build();
lut->SetTableValue(0, 0, 0, 0, 1);
lut->SetTableValue(1, 0.8900, 0.8100, 0.3400, 1);
lut->SetTableValue(2, 1.0000, 0.3882, 0.2784, 1);
lut->SetTableValue(3, 0.9608, 0.8706, 0.7020, 1);
lut->SetTableValue(4, 0.9020, 0.9020, 0.9804, 1);
lut->SetTableValue(5, 1.0000, 0.4900, 0.2500, 1);
lut->SetTableValue(6, 0.5300, 0.1500, 0.3400, 1);
lut->SetTableValue(7, 0.9804, 0.5020, 0.4471, 1);
lut->SetTableValue(8, 0.7400, 0.9900, 0.7900, 1);
lut->SetTableValue(9, 0.2000, 0.6300, 0.7900, 1);
//////////////////////////////////////////////////////
vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper =
vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
mapper->SetInputData(grid);
mapper->SetScalarRange(0, 9);
mapper->SetLookupTable(lut);
//////////////////////////////////////////////////////
vtkSmartPointer<vtkActor> actor =
vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
actor->SetMapper(mapper);

vtkSmartPointer<vtkRenderer> render =
vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
render->AddActor(actor);
render->SetBackground(0.0, 0.0, 0.0);

vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> rw =
vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
rw->AddRenderer(render);
rw->SetSize(320, 320);
rw->SetWindowName("Setting Attribution of Vectors and Scalars");

vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> rwi =
vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
rwi->SetRenderWindow(rw);
rwi->Start();

return 0;
}

这个实例主要演示了怎样添加单元的标量属性数据和向量属性数据。
VTKPlaneSource定义了一个3*3的网格数据。cellScalars定义了vtkFloatArray类型的标量属性数据，默认情况下其元组大小为1，因此不需要显示指定其大小；cellVectors则定义了vtkFloatArray类型的矢量属性数组，通过SetNumberOfComponents()指定向量维数为3，并通过InsertNextTuple3()可以方便地插入向量数据。
定义完毕后，vtkPolyData的单元数据（VTKCellData）通过调用函数SetScalars()和SetVectors()设置相应的属性数据和标量数据。
为了进一步演示利用标量数据进行颜色映射，定义了一个具有10个颜色的颜色映射表。利用vtkPolyDataMapper类的SetLookupTable()函数设置定义的颜色映射表。另外，需要注意的是，SetScalarRange()指定了颜色映射范围的最小值和最大值，当标量值大于最大值时，按定义最大值获取颜色；当小鱼最小值时，按照指定的最小值获取颜色。这样做的一个好处是，可以在一个小的标量范围内显示更多的颜色！！！
该例的输出结果为：

3.参看资料

1.《C++ primer》

2.《The VTK User’s Guide – 11thEdition》

3.  张晓东, 罗火灵. VTK图形图像开发进阶[M]. 机械工业出版社, 2015.