第05章 16 Implicit Function应用举例

Implicit Function在VTK中有多种广泛的应用场合，以下是一些主要的应用场景及其详细说明：

1. 几何裁剪（Clipping）

Implicit Function可以用于对几何体进行裁剪，生成新的几何形状。裁剪操作通常基于一个Implicit Function的等值面（如零值面）来分割几何体。例如，可以使用一个球形Implicit Function来裁剪一个立方体，生成一个被球形裁剪的立方体形状。

应用场景：

生成复杂的几何形状。
对几何体进行局部裁剪，用于分析或可视化。

代码示例：

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkSphere.h>
#include <vtkPlane.h>
#include <vtkImplicitBoolean.h>
#include <vtkCubeSource.h>
#include <vtkClipPolyData.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkActor.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>int main(int, char *[])
{// 创建一个立方体源vtkSmartPointer<vtkCubeSource> cubeSource = vtkSmartPointer<vtkCubeSource>::New();cubeSource->Update();// 创建一个球形Implicit FunctionvtkSmartPointer<vtkSphere> sphere = vtkSmartPointer<vtkSphere>::New();sphere->SetRadius(0.5);sphere->SetCenter(0.0, 0.0, 0.0);// 使用Implicit Function进行裁剪vtkSmartPointer<vtkClipPolyData> clipper = vtkSmartPointer<vtkClipPolyData>::New();clipper->SetInputConnection(cubeSource->GetOutputPort());clipper->SetClipFunction(sphere);clipper->Update();// 创建Mapper和ActorvtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper = vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();mapper->SetInputConnection(clipper->GetOutputPort());vtkSmartPointer<vtkActor> actor = vtkSmartPointer<vtkActor>::New();actor->SetMapper(mapper);// 创建渲染器、渲染窗口和交互器vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();renderWindow->AddRenderer(renderer);vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> interactor = vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();interactor->SetRenderWindow(renderWindow);// 添加Actor并启动渲染renderer->AddActor(actor);renderer->SetBackground(0.1, 0.2, 0.3);renderWindow->Render();interactor->Start();return EXIT_SUCCESS;
}

代码说明：

使用 vtkCubeSource 创建一个立方体几何体。
使用 vtkSphere 创建一个球形Implicit Function。
使用 vtkClipPolyData 对立方体进行裁剪，生成被球形裁剪后的立方体形状。

2. 表面提取（Surface Extraction）

Implicit Function可以用于提取几何形状的表面。典型的应用是通过Marching Cubes算法从Implicit Function中提取等值面，生成三维表面网格。

应用场景：

从标量场中提取等值面。
生成三维模型的表面。

代码示例：

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkSphere.h>
#include <vtkSampleFunction.h>
#include <vtkMarchingCubes.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkActor.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>int main(int, char *[])
{// 创建一个球形Implicit FunctionvtkSmartPointer<vtkSphere> sphere = vtkSmartPointer<vtkSphere>::New();sphere->SetRadius(1.0);sphere->SetCenter(0.0, 0.0, 0.0);// 对Implicit Function进行采样vtkSmartPointer<vtkSampleFunction> sample = vtkSmartPointer<vtkSampleFunction>::New();sample->SetImplicitFunction(sphere);sample->SetModelBounds(-2.0, 2.0, -2.0, 2.0, -2.0, 2.0);sample->SetSampleDimensions(50, 50, 50);sample->Update();// 使用Marching Cubes提取等值面vtkSmartPointer<vtkMarchingCubes> surface = vtkSmartPointer<vtkMarchingCubes>::New();surface->SetInputConnection(sample->GetOutputPort());surface->SetValue(0, 0.0); // 提取零值面surface->Update();// 创建Mapper和ActorvtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper = vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();mapper->SetInputConnection(surface->GetOutputPort());vtkSmartPointer<vtkActor> actor = vtkSmartPointer<vtkActor>::New();actor->SetMapper(mapper);// 创建渲染器、渲染窗口和交互器vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();renderWindow->AddRenderer(renderer);vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> interactor = vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();interactor->SetRenderWindow(renderWindow);// 添加Actor并启动渲染renderer->AddActor(actor);renderer->SetBackground(0.1, 0.2, 0.3);renderWindow->Render();interactor->Start();return EXIT_SUCCESS;
}

代码说明：

使用 vtkSphere 创建一个球形Implicit Function。
使用 vtkSampleFunction 对Implicit Function进行采样，生成一个标量场。
使用 vtkMarchingCubes 从标量场中提取等值面（零值面），生成球体的表面网格。

3. 空间查询（Spatial Query）

Implicit Function可以用于空间查询，判断某个点是否在几何形状内部或外部。这种功能在碰撞检测、布尔运算等场景中非常有用。

应用场景：

碰撞检测。
几何体内部/外部判断。

代码示例：

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkSphere.h>
#include <vtkPoints.h>
#include <vtkPolyData.h>
#include <vtkProbeFilter.h>
#include <vtkPointData.h>
#include <vtkFloatArray.h>
#include <vtkDataSetMapper.h>
#include <vtkActor.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>int main(int, char *[])
{// 创建一个球形Implicit FunctionvtkSmartPointer<vtkSphere> sphere = vtkSmartPointer<vtkSphere>::New();sphere->SetRadius(1.0);sphere->SetCenter(0.0, 0.0, 0.0);// 创建一组测试点vtkSmartPointer<vtkPoints> points = vtkSmartPointer<vtkPoints>::New();points->InsertNextPoint(0.0, 0.0, 0.0); // 球心points->InsertNextPoint(1.5, 0.0, 0.0); // 球外points->InsertNextPoint(0.5, 0.0, 0.0); // 球内vtkSmartPointer<vtkPolyData> pointData = vtkSmartPointer<vtkPolyData>::New();pointData->SetPoints(points);// 使用ProbeFilter进行空间查询vtkSmartPointer<vtkProbeFilter> probe = vtkSmartPointer<vtkProbeFilter>::New();probe->SetInputData(pointData);probe->SetSourceData(pointData);probe->SetProbeTypeToPoints();probe->Update();// 获取查询结果vtkFloatArray* scalars = vtkFloatArray::SafeDownCast(probe->GetOutput()->GetPointData()->GetScalars());for (vtkIdType i = 0; i < points->GetNumberOfPoints(); i++){double value = scalars->GetValue(i);std::cout << "Point " << i << ": " << value << std::endl;}return EXIT_SUCCESS;
}

代码说明：

使用 vtkSphere 创建一个球形Implicit Function。
创建一组测试点，使用 vtkProbeFilter 对这些点进行空间查询，判断它们是否在球形内部或外部。

总结

Implicit Function在VTK中具有广泛的应用，包括几何裁剪、表面提取和空间查询等。通过Implicit Function，可以方便地定义几何形状并执行各种几何操作。代码示例展示了如何使用VTK中的Implicit Function进行裁剪、表面提取和空间查询，帮助用户理解其使用方法和应用场景。