第05章 17 Contour 过滤器介绍与例子

news/2025/2/1 19:17:14 标签: 信息可视化, VTK

vtkContourFilter 是 VTK（Visualization Toolkit）中的一个关键类，用于从输入数据生成等值线或等值面。它是基于阈值的过滤器，可以从标量字段中提取等值线或等值面。vtkContourFilter 的核心功能是根据用户指定的值生成等值线或等值面，并将其表示为多边形网格。

vtkContourFilter 的主要功能

  • 等值线/等值面生成：根据用户指定的等值（通常是标量值）生成等值线或等值面。
  • 多重等值线/等值面：可以同时生成多个等值线或等值面。
  • 支持多种数据类型：可以处理结构化网格、非结构化网格、点云等多种数据类型。
  • 插值：在生成等值线/等值面时，支持插值操作，以确保生成的表面平滑。

vtkContourFilter 的常用方法

  • SetValue(int index, double value)：设置第index个等值线的值为value。
  • GenerateValues(int numContours, double range[2])：自动生成numContours个等值线，范围在range之间。
  • SetInputData(vtkDataObject input)：设置输入数据。
  • Update()：更新过滤器并生成输出数据。

vtkContourFilter 的衍生类

vtkContourFilter 是 VTK 中用于生成等值线/等值面的基础类。根据不同的应用场景和需求，VTK 提供了一些专门化的衍生类，这些类继承自 vtkContourFilter，并在其基础上进行了功能扩展或优化。以下是一些常见的 vtkContourFilter 衍生类：

1. vtkMarchingCubes
  • 用途：用于从体积数据（如 CT 或 MRI 扫描数据）中提取等值面。
  • 特点：使用 marching cubes 算法，能够生成高质量的多边形表面。
  • 应用场景：医学图像处理、三维重建。
2. vtkDiscreteMarchingCubes
  • 用途：专门用于处理离散数据（如标签映射数据），生成具有明确标签的等值面。
  • 特点：生成的等值面具有清晰的边界，适用于分割结果的可视化。
  • 应用场景：医学图像分割、地质数据可视化。
3. vtkFlyingEdges3D
  • 用途：用于从三维体积数据中提取等值面。
  • 特点：使用 flying edges 算法，相比于 marching cubes，计算速度更快，生成的表面质量更高。
  • 应用场景：三维体积数据的实时渲染、体绘制。
4. vtkBandedPolyDataContourFilter
  • 用途：用于生成带状等值线。
  • 特点：可以生成多个连续的等值线，通常用于数据的可视化。
  • 应用场景：气象数据中的等压线、地形数据中的等高线。
5. vtkSynchronizedTemplates3D
  • 用途：用于从三维体积数据中生成等值面。
  • 特点：使用同步模板算法，可以生成平滑的等值面。
  • 应用场景：三维体积数据的可视化。
6. vtkSynchronizedTemplatesCutter3D
  • 用途：类似于 vtkSynchronizedTemplates3D，但支持通过其他几何体进行切割。
  • 特点：可以生成与特定几何体相交的等值面。
  • 应用场景：定制化的三维数据可视化。

总结

vtkContourFilter 及其衍生类是 VTK 中用于生成等值线/等值面的核心工具。根据不同的应用场景和需求，用户可以选择合适的类来生成高质量的等值面。例如，vtkMarchingCubes 适用于医学图像中的三维重建，而 vtkFlyingEdges3D 则更适合实时渲染和体绘制。

1. vtkContourFilter

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkMarchingCubes.h>
#include <vtkNamedColors.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
#include <vtkSampleFunction.h>
#include <vtkSphere.h>
#include <vtkContourFilter.h>

int main(int, char *[])
{
  vtkSmartPointer<vtkSphere> sphere = vtkSmartPointer<vtkSphere>::New();
  sphere->SetCenter(0.0, 0.0, 0.0);
  sphere->SetRadius(1.0);

  vtkSmartPointer<vtkSampleFunction> sample = vtkSmartPointer<vtkSampleFunction>::New();
  sample->SetImplicitFunction(sphere);
  sample->SetModelBounds(-2.5, 2.5, -2.5, 2.5, -2.5, 2.5);
  sample->SetSampleDimensions(50, 50, 50);
  sample->SetCapping(true);
  sample->SetCapValue(100);
  sample->Update();

  vtkSmartPointer<vtkContourFilter> contourFilter = vtkSmartPointer<vtkContourFilter>::New();
  contourFilter->SetInputConnection(sample->GetOutputPort());
  contourFilter->GenerateValues(5, 0.0, 1.0); // 生成5个等值面
  contourFilter->Update();

  vtkSmartPointer<vtkNamedColors> colors = vtkSmartPointer<vtkNamedColors>::New();

  vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper = vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
  mapper->SetInputConnection(contourFilter->GetOutputPort());
  mapper->ScalarVisibilityOff();

  vtkSmartPointer<vtkActor> actor = vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
  actor->SetMapper(mapper);
  actor->GetProperty()->SetColor(colors->GetColor3d("MistyRose").GetData());

  vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
  vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
  renderWindow->AddRenderer(renderer);
  vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor = vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
  renderWindowInteractor->SetRenderWindow(renderWindow);

  renderer->AddActor(actor);
  renderer->SetBackground(colors->GetColor3d("SlateGray").GetData());

  renderWindow->Render();
  renderWindowInteractor->Start();

  return 0;
}

解释

  1. 生成隐式几何体：使用 vtkSphere 生成一个球体。
  2. 采样函数：使用 vtkSampleFunction 对球体进行采样，生成一个标量场。
  3. 等值面生成：使用 vtkContourFilter 从采样结果中提取多个等值面。
  4. 渲染：使用 VTK 的渲染管道将等值面显示出来。

2. vtkMarchingCubes

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkNamedColors.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
#include <vtkSampleFunction.h>
#include <vtkSphere.h>
#include <vtkMarchingCubes.h>

int main(int, char *[])
{
  vtkSmartPointer<vtkSphere> sphere = vtkSmartPointer<vtkSphere>::New();
  sphere->SetCenter(0.0, 0.0, 0.0);
  sphere->SetRadius(1.0);

  vtkSmartPointer<vtkSampleFunction> sample = vtkSmartPointer<vtkSampleFunction>::New();
  sample->SetImplicitFunction(sphere);
  sample->SetModelBounds(-2.5, 2.5, -2.5, 2.5, -2.5, 2.5);
  sample->SetSampleDimensions(50, 50, 50);
  sample->SetCapping(true);
  sample->SetCapValue(100);
  sample->Update();

  vtkSmartPointer<vtkMarchingCubes> marchingCubes = vtkSmartPointer<vtkMarchingCubes>::New();
  marchingCubes->SetInputConnection(sample->GetOutputPort());
  marchingCubes->SetValue(0, 0.0); // 生成单个等值面
  marchingCubes->Update();

  vtkSmartPointer<vtkNamedColors> colors = vtkSmartPointer<vtkNamedColors>::New();

  vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper = vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
  mapper->SetInputConnection(marchingCubes->GetOutputPort());
  mapper->ScalarVisibilityOff();

  vtkSmartPointer<vtkActor> actor = vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
  actor->SetMapper(mapper);
  actor->GetProperty()->SetColor(colors->GetColor3d("MistyRose").GetData());

  vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
  vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
  renderWindow->AddRenderer(renderer);
  vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor = vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
  renderWindowInteractor->SetRenderWindow(renderWindow);

  renderer->AddActor(actor);
  renderer->SetBackground(colors->GetColor3d("SlateGray").GetData());

  renderWindow->Render();
  renderWindowInteractor->Start();

  return 0;
}

解释

  1. 生成隐式几何体：使用 vtkSphere 生成一个球体。
  2. 采样函数：使用 vtkSampleFunction 对球体进行采样，生成一个标量场。
  3. 等值面生成：使用 vtkMarchingCubes 从采样结果中提取单个等值面。
  4. 渲染：使用 VTK 的渲染管道将等值面显示出来。

3. vtkDiscreteMarchingCubes

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkNamedColors.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
#include <vtkSampleFunction.h>
#include <vtkSphere.h>
#include <vtkDiscreteMarchingCubes.h>

int main(int, char *[])
{
  vtkSmartPointer<vtkSphere> sphere = vtkSmartPointer<vtkSphere>::New();
  sphere->SetCenter(0.0, 0.0, 0.0);
  sphere->SetRadius(1.0);

  vtkSmartPointer<vtkSampleFunction> sample = vtkSmartPointer<vtkSampleFunction>::New();
  sample->SetImplicitFunction(sphere);
  sample->SetModelBounds(-2.5, 2.5, -2.5, 2.5, -2.5, 2.5);
  sample->SetSampleDimensions(50, 50, 50);
  sample->SetCapping(true);
  sample->SetCapValue(100);
  sample->Update();

  vtkSmartPointer<vtkDiscreteMarchingCubes> discreteMarchingCubes = vtkSmartPointer<vtkDiscreteMarchingCubes>::New();
  discreteMarchingCubes->SetInputConnection(sample->GetOutputPort());
  discreteMarchingCubes->SetValue(0, 100); // 生成单个等值面
  discreteMarchingCubes->Update();

  vtkSmartPointer<vtkNamedColors> colors = vtkSmartPointer<vtkNamedColors>::New();

  vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper = vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
  mapper->SetInputConnection(discreteMarchingCubes->GetOutputPort());
  mapper->ScalarVisibilityOff();

  vtkSmartPointer<vtkActor> actor = vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
  actor->SetMapper(mapper);
  actor->GetProperty()->SetColor(colors->GetColor3d("MistyRose").GetData());

  vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
  vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
  renderWindow->AddRenderer(renderer);
  vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor = vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
  renderWindowInteractor->SetRenderWindow(renderWindow);

  renderer->AddActor(actor);
  renderer->SetBackground(colors->GetColor3d("SlateGray").GetData());

  renderWindow->Render();
  renderWindowInteractor->Start();

  return 0;
}

解释

  1. 生成隐式几何体：使用 vtkSphere 生成一个球体。
  2. 采样函数：使用 vtkSampleFunction 对球体进行采样，生成一个标量场。
  3. 等值面生成：使用 vtkDiscreteMarchingCubes 从采样结果中提取单个离散等值面。
  4. 渲染：使用 VTK 的渲染管道将等值面显示出来。

4. vtkFlyingEdges3D

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkNamedColors.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
#include <vtkSampleFunction.h>
#include <vtkSphere.h>
#include <vtkFlyingEdges3D.h>

int main(int, char *[])
{
  vtkSmartPointer<vtkSphere> sphere = vtkSmartPointer<vtkSphere>::New();
  sphere->SetCenter(0.0, 0.0, 0.0);
  sphere->SetRadius(1.0);

  vtkSmartPointer<vtkSampleFunction> sample = vtkSmartPointer<vtkSampleFunction>::New();
  sample->SetImplicitFunction(sphere);
  sample->SetModelBounds(-2.5, 2.5, -2.5, 2.5, -2.5, 2.5);
  sample->SetSampleDimensions(50, 50, 50);
  sample->SetCapping(true);
  sample->SetCapValue(100);
  sample->Update();

  vtkSmartPointer<vtkFlyingEdges3D> flyingEdges = vtkSmartPointer<vtkFlyingEdges3D>::New();
  flyingEdges->SetInputConnection(sample->GetOutputPort());
  flyingEdges->GenerateValues(5, 0.0, 1.0); // 生成5个等值面
  flyingEdges->Update();

  vtkSmartPointer<vtkNamedColors> colors = vtkSmartPointer<vtkNamedColors>::New();

  vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper = vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
  mapper->SetInputConnection(flyingEdges->GetOutputPort());
  mapper->ScalarVisibilityOff();

  vtkSmartPointer<vtkActor> actor = vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
  actor->SetMapper(mapper);
  actor->GetProperty()->SetColor(colors->GetColor3d("MistyRose").GetData());

  vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
  vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
  renderWindow->AddRenderer(renderer);
  vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor = vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
  renderWindowInteractor->SetRenderWindow(renderWindow);

  renderer->AddActor(actor);
  renderer->SetBackground(colors->GetColor3d("SlateGray").GetData());

  renderWindow->Render();
  renderWindowInteractor->Start();

  return 0;
}

解释

  1. 生成隐式几何体：使用 vtkSphere 生成一个球体。
  2. 采样函数：使用 vtkSampleFunction 对球体进行采样，生成一个标量场。
  3. 等值面生成：使用 vtkFlyingEdges3D 从采样结果中提取多个等值面。
  4. 渲染：使用 VTK 的渲染管道将等值面显示出来。

5. vtkBandedPolyDataContourFilter

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkNamedColors.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
#include <vtkSampleFunction.h>
#include <vtkSphere.h>
#include <vtkBandedPolyDataContourFilter.h>

int main(int, char *[])
{
  vtkSmartPointer<vtkSphere> sphere = vtkSmartPointer<vtkSphere>::New();
  sphere->SetCenter(0.0, 0.0, 0.0);
  sphere->SetRadius(1.0);

  vtkSmartPointer<vtkSampleFunction> sample = vtkSmartPointer<vtkSampleFunction>::New();
  sample->SetImplicitFunction(sphere);
  sample->SetModelBounds(-2.5, 2.5, -2.5, 2.5, -2.5, 2.5);
  sample->SetSampleDimensions(50, 50, 50);
  sample->SetCapping(true);
  sample->SetCapValue(100);
  sample->Update();

  vtkSmartPointer<vtkBandedPolyDataContourFilter> bandedContourFilter = vtkSmartPointer<vtkBandedPolyDataContourFilter>::New();
  bandedContourFilter->SetInputConnection(sample->GetOutputPort());
  bandedContourFilter->GenerateValues(5, 0.0, 1.0); // 生成5个带状等值线
  bandedContourFilter->Update();

  vtkSmartPointer<vtkNamedColors> colors = vtkSmartPointer<vtkNamedColors>::New();

  vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper = vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
  mapper->SetInputConnection(bandedContourFilter->GetOutputPort());
  mapper->ScalarVisibilityOff();

  vtkSmartPointer<vtkActor> actor = vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
  actor->SetMapper(mapper);
  actor->GetProperty()->SetColor(colors->GetColor3d("MistyRose").GetData());

  vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
  vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
  renderWindow->AddRenderer(renderer);
  vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor = vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
  renderWindowInteractor->SetRenderWindow(renderWindow);

  renderer->AddActor(actor);
  renderer->SetBackground(colors->GetColor3d("SlateGray").GetData());

  renderWindow->Render();
  renderWindowInteractor->Start();

  return 0;
}

解释

  1. 生成隐式几何体：使用 vtkSphere 生成一个球体。
  2. 采样函数：使用 vtkSampleFunction 对球体进行采样，生成一个标量场。
  3. 等值线生成：使用 vtkBandedPolyDataContourFilter 从采样结果中提取多个带状等值线。
  4. 渲染：使用 VTK 的渲染管道将等值线显示出来。

6. vtkSynchronizedTemplates3D

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkNamedColors.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
#include <vtkSampleFunction.h>
#include <vtkSphere.h>
#include <vtkSynchronizedTemplates3D.h>

int main(int, char *[])
{
  vtkSmartPointer<vtkSphere> sphere = vtkSmartPointer<vtkSphere>::New();
  sphere->SetCenter(0.0, 0.0, 0.0);
  sphere->SetRadius(1.0);

  vtkSmartPointer<vtkSampleFunction> sample = vtkSmartPointer<vtkSampleFunction>::New();
  sample->SetImplicitFunction(sphere);
  sample->SetModelBounds(-2.5, 2.5, -2.5, 2.5, -2.5, 2.5);
  sample->SetSampleDimensions(50, 50, 50);
  sample->SetCapping(true);
  sample->SetCapValue(100);
  sample->Update();

  vtkSmartPointer<vtkSynchronizedTemplates3D> syncTemplates = vtkSmartPointer<vtkSynchronizedTemplates3D>::New();
  syncTemplates->SetInputConnection(sample->GetOutputPort());
  syncTemplates->SetValue(0, 0.0); // 生成单个等值面
  syncTemplates->Update();

  vtkSmartPointer<vtkNamedColors> colors = vtkSmartPointer<vtkNamedColors>::New();

  vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper = vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
  mapper->SetInputConnection(syncTemplates->GetOutputPort());
  mapper->ScalarVisibilityOff();

  vtkSmartPointer<vtkActor> actor = vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
  actor->SetMapper(mapper);
  actor->GetProperty()->SetColor(colors->GetColor3d("MistyRose").GetData());

  vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
  vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
  renderWindow->AddRenderer(renderer);
  vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor = vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
  renderWindowInteractor->SetRenderWindow(renderWindow);

  renderer->AddActor(actor);
  renderer->SetBackground(colors->GetColor3d("SlateGray").GetData());

  renderWindow->Render();
  renderWindowInteractor->Start();

  return 0;
}

解释

  1. 生成隐式几何体：使用 vtkSphere 生成一个球体。
  2. 采样函数：使用 vtkSampleFunction 对球体进行采样，生成一个标量场。
  3. 等值面生成：使用 vtkSynchronizedTemplates3D 从采样结果中提取单个等值面。
  4. 渲染：使用 VTK 的渲染管道将等值面显示出来。

这些示例代码展示了如何使用 vtkContourFilter 及其衍生类来生成等值线或等值面，并将其渲染出来。每个类都有其特定的应用场景和优势，可以根据具体需求选择合适的类。

 


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