VTK修炼之道52：图形基本操作进阶_多分辨率策略（模型抽取的三种方法）

1.多分辨率处理策略

模型抽取（Decimation）和细化（Subdivision）是两个相反的操作，是三角形网格模型多分辨处理中的两个重要操作。使用这两个操作可以在保持模型拓扑结构的同时，得到不同分辨率的网格模型。模型抽取的作用是减少模型中的点数据和单元数据，便于模型的后续处理与交互渲染，这类似于图像数据的降采样。而网格细化则是利用一定的细化规则，在给定的初始网格中插入新的点，从而不断细化出新的网格单元，在极限细化情况下，该网格能够收敛一个光华的曲面。

2.网格抽取（Decimation）

2.1 vtkDecimatePro

VTK中主要有三种网格抽取类：vtkDecimatePro、vtkQuadricDecimation、vtkQuadricClustering。

vtkDecimatePro是最常用的，该处理方法的原理参考文献[1]，是用一种边塌陷的方法来删除点和单元，处理速度比较快，而且可以方便的控制网格抽取的幅度，得到不同级别的模型数据。

该类的使用方法，如下：

vtkSmartPoint decimate = vtkSmartPointer::New();
decimate->SetInput(input);
decimate->SetTargetReduction(0.6);
decimate->update();

vtkDecimatePro接收一个单元为三角网格的vtkPolyData数据，其中函数SetTargetReduction()用于设置变量TargetReduction的大小，将网格面片抽取的比例控制在0~1.这里设置为0.6，说明有60%的三角面片单元将被移除。使用这个函数可以得到不同程度的简化网格模型，不过，为确保函数效果，一般需要满足下面四个条件：

• vtkDecimatePro需要支持模型拓扑的改变，即将PreserveTopology变量的值设置为FALSE。
• 支持网格分裂，即Splitting变量的值设置为TRUE。
• 支持修改模型的边界，即将变量BoundaryVetexDeletion的值设置为TRUE。
• 设置最大误差变量MaximumError的值为VTK_DOUBLE_MAX。

在满足这四个条件情况下，可以得到不同简化程度的模型。如果上面四个条件不满足，最终得到的模型简化率并非所期望的简化率。

2.2 vtkQuadricDecimation

该类也可以实现三角形网格简化，并能较好地逼近原模型。该简化算法思想可以参考文献[2]。该类虽然也提供了SetTargetReduction()函数用于设置模型简化程度，但是最终简化率并非严格等于程序中设置的简化率。可以通过GetActualReduction()函数来获取最终模型简化率。

2.3 vtkQuadricClustering

该类是三种实现模型抽取算法中最快的一种，能够处理大数据模型。其算法思想可以参考文献[3]。通过StartAppend()、Append()、EndAppend()函数可以将整个模型分为多个网格片处理，从而避免一次性处理整个模型，减少内存开支，提高处理效率。

3.vtkDecimatePro用于模型抽取实验

作为结果观测实验，这里仅仅使用vtkDecimatePro类实现模型抽取。

示例代码如下：

#include 
VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL);
VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingFreeType);
VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);

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

int main()
{
	vtkSmartPointer reader =
		vtkSmartPointer::New();
	reader->SetFileName("fran_cut.vtk");
	reader->Update();

	vtkSmartPointer original = reader->GetOutput();
	std::cout << "抽取前"<< "-----------------------" << std::endl;
	std::cout << "模型点数为： " << original->GetNumberOfPoints() << std::endl;
	std::cout << "模型面数为： " << original->GetNumberOfPolys() << std::endl;

	vtkSmartPointer decimation =
		vtkSmartPointer::New();
	decimation->SetInputData(reader->GetOutput());
	decimation->SetTargetReduction(0.6);
	decimation->Update();

	vtkSmartPointer decimated = decimation->GetOutput();
	std::cout << "抽取后"<< "-----------------------" << std::endl;
	std::cout << "模型点数为：" << decimated->GetNumberOfPoints() << std::endl;
	std::cout << "模型面数为：" << decimated->GetNumberOfPolys() << std::endl;
	/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
	vtkSmartPointer origMapper =
		vtkSmartPointer::New();
	origMapper->SetInputData(reader->GetOutput());
	vtkSmartPointer origActor =
		vtkSmartPointer::New();
	origActor->SetMapper(origMapper);

	vtkSmartPointer deciMapper =
		vtkSmartPointer::New();
	deciMapper->SetInputData(decimation->GetOutput());
	vtkSmartPointer deciActor =
		vtkSmartPointer::New();
	deciActor->SetMapper(deciMapper);
	///////////////////////
	double leftViewport[4] = { 0.0, 0.0, 0.5, 1.0 };
	double rightViewport[4] = { 0.5, 0.0, 1.0, 1.0 };

	vtkSmartPointer leftRenderer =
		vtkSmartPointer::New();
	leftRenderer->SetViewport(leftViewport);
	leftRenderer->AddActor(origActor);
	leftRenderer->SetBackground(1.0, 0, 0);

	vtkSmartPointer rightRenderer =
		vtkSmartPointer::New();
	rightRenderer->SetViewport(rightViewport);
	rightRenderer->AddActor(deciActor);
	rightRenderer->SetBackground(0, 0, 0);

	leftRenderer->GetActiveCamera()->SetPosition(0, -1, 0);
	leftRenderer->GetActiveCamera()->SetFocalPoint(0, 0, 0);
	leftRenderer->GetActiveCamera()->SetViewUp(0, 0, 1);
	leftRenderer->GetActiveCamera()->Azimuth(30);
	leftRenderer->GetActiveCamera()->Elevation(30);
	leftRenderer->ResetCamera();//刷新照相机
	rightRenderer->SetActiveCamera(leftRenderer->GetActiveCamera());//同步显示
	///////////
	vtkSmartPointer rw =
		vtkSmartPointer::New();
	rw->AddRenderer(leftRenderer);
	rw->AddRenderer(rightRenderer);
	rw->SetSize(640, 320);
	rw->SetWindowName("PolyData Decimation");

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

	return 0;
}

输出结果如下图所示：

左图为原始图像，右图为简化后的效果，从图总可以看出，简化后的模型面片数量减少，模型变得非常粗糙。

4.参考文献

[1].Schroeder W J. Decimation of triangle meshes[J]. Acm Siggraph Computer Graphics, 1992, 26(2):65-70.

[2].Garland M. Surface simplification using quadric error metrics[C]// Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques. ACM Press/Addison-Wesley Publishing Co. 1997:209-216.

[3].Lindstrom P. Out-of-core simplification of large polygonal models[C]// ACM SIGGRAPH. 2000:259-262.

5.参看资料

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.