MarchingCubes 网格数据体素化并提取等值面

一：主要的知识点

1、说明
本文只是教程内容的一小段，因博客字数限制，故进行拆分。主教程链接：vtk教程------逐行解析官网所有Python示例-CSDN博客
2、知识点纪要
本段代码主要涉及的有①MarchingCubes提取等值面的机理，②多边形体素化
二：代码及注释

python 复制代码
import vtkmodules.vtkRenderingOpenGL2
from vtkmodules.vtkCommonColor import vtkNamedColors
from vtkmodules.vtkCommonDataModel import vtkImageData
from vtkmodules.vtkFiltersCore import vtkFlyingEdges3D, vtkMarchingCubes
from vtkmodules.vtkFiltersSources import vtkSphereSource
from vtkmodules.vtkImagingHybrid import vtkVoxelModeller
from vtkmodules.vtkRenderingCore import (
    vtkActor,
    vtkPolyDataMapper,
    vtkRenderWindow,
    vtkRenderWindowInteractor,
    vtkRenderer
)
 
if __name__ == '__main__':
    colors = vtkNamedColors()
    iso_value = 50
 
    volume = vtkImageData()
 
    sphere_source = vtkSphereSource()
    sphere_source.SetPhiResolution(20)
    sphere_source.SetThetaResolution(20)
    sphere_source.Update()
 
    bounds = list(sphere_source.GetOutput().GetBounds())
    """
    根据现有包围盒，将包围盒大小进行扩大
    """
    for i in range(0, 6, 2):
        dist = bounds[i + 1] - bounds[i]
        bounds[i] = bounds[i] - 0.1 * dist
        bounds[i + 1] = bounds[i + 1] + 0.1 * dist
 
    """
    vtkVoxelModeller 将任意几何对象（如多边形数据）转换为体素化的三维体积数据
    通过计算每个体素点到几何表面的距离场来生成体数据
    """
    voxel_modeller = vtkVoxelModeller()
    voxel_modeller.SetInputConnection(sphere_source.GetOutputPort())
    voxel_modeller.SetModelBounds(bounds)
    voxel_modeller.SetSampleDimensions(50, 50, 50)
    voxel_modeller.SetScalarTypeToFloat()
    """
    SetMaximumDistance  设定体素化过程中距离场的渐变范围的厚度
    
    渐变范围的厚度的意思：
    体素化的两种思路：
    1)二值化（Binary）模式  每个体素（voxel）的值要么是 1（在几何体内），要么是 0（在几何体外）表面就是 内外的分界线
    2) 带渐变的距离场（Signed Distance Field, SDF） 每个体素的值表示 到几何表面的距离，通常内部为负，外部为正 在表面附近的一个"带状区域"里，值会平滑过渡，而不是硬切换
    vtkVoxelModeller.SetMaximumDistance(d) 控制的就是这个带状区域的厚度 d
    
    例子：
    假设我们有一个球，半径 = 10，SetMaximumDistance(0.5)：
    在表面上：值 ≈ 0.5 （归一化后 ≈ 0.5）。
    表面以内 0.5 个体素厚度的区域：值逐渐减小到 0。
    表面以外 0.5 个体素厚度的区域：值逐渐增大到 1。
    超过 0.5 的距离后，值就被**截断（clamp）**了，不再渐变，而是固定为 0（内部）或 1（外部）。
    这样就形成了一个 宽度 = 1.0（内外各 0.5） 的渐变区域
    """
    voxel_modeller.SetMaximumDistance(0.1)
    voxel_modeller.Update()
    volume.DeepCopy(voxel_modeller.GetOutput())
 
    """
    当你用 vtkFlyingEdges3D（或 vtkMarchingCubes）提取等值面时  
    0.5 恰好是"几何表面"的位置
    < 0.5 是物体内部，> 0.5 是外部
    所以 iso_value = 0.5 表示提取出原始几何体的近似表面
    """
    iso_value = 0.5
    surface = vtkFlyingEdges3D()
    surface.SetInputData(volume)
    surface.ComputeNormalsOn()
    surface.SetValue(0, iso_value)
 
    """
    iso_value 和SetMaximumDistance中的数字的关系
    MaximumDistance 控制"场的模糊范围"，相当于"球体表面周围的缓冲区厚度"；
    iso_value = 0.5 则是一个固定的"分界线"，永远对应原始几何表面的位置。
    换句话说：
    MaximumDistance 决定场数据是如何从"表面"向外/向内过渡；
    但你提取几何时，仍然要用 0.5 来还原表面。
    前者控制场的平滑/模糊厚度  后者是标准化后的等值阈值，固定用 0.5 才能提取原始几何表面
    """
 
    renderer = vtkRenderer()
    renderer.SetBackground(colors.GetColor3d('DarkSlateGray'))
 
    render_window = vtkRenderWindow()
    render_window.AddRenderer(renderer)
    render_window.SetWindowName('MarchingCubes')
 
    interactor = vtkRenderWindowInteractor()
    interactor.SetRenderWindow(render_window)
 
    mapper = vtkPolyDataMapper()
    mapper.SetInputConnection(surface.GetOutputPort())
    mapper.ScalarVisibilityOff()
 
    actor = vtkActor()
    actor.SetMapper(mapper)
    actor.GetProperty().SetColor(colors.GetColor3d('MistyRose'))
 
    renderer.AddActor(actor)
 
    render_window.Render()
    interactor.Start()