1.多分辨率處理策略

模型抽取（Decimation）和細(xì)化（Subdivision）是兩個相反的操作，是三角形網(wǎng)格模型多分辨處理中的兩個重要操作。使用這兩個操作可以在保持模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同時，得到不同分辨率的網(wǎng)格模型。模型抽取的作用是減少模型中的點(diǎn)數(shù)據(jù)和單元數(shù)據(jù)，便于模型的后續(xù)處理與交互渲染，這類似于圖像數(shù)據(jù)的降采樣。而網(wǎng)格細(xì)化則是利用一定的細(xì)化規(guī)則，在給定的初始網(wǎng)格中插入新的點(diǎn)，從而不斷細(xì)化出新的網(wǎng)格單元，在極限細(xì)化情況下，該網(wǎng)格能夠收斂一個光華的曲面。

2.網(wǎng)格抽取（Decimation）

2.1?vtkDecimatePro

VTK中主要有三種網(wǎng)格抽取類：vtkDecimatePro、vtkQuadricDecimation、vtkQuadricClustering。 vtkDecimatePro是最常用的，該處理方法的原理參考文獻(xiàn)[1]，是用一種邊塌陷的方法來刪除點(diǎn)和單元，處理速度比較快，而且可以方便的控制網(wǎng)格抽取的幅度，得到不同級別的模型數(shù)據(jù)。
該類的使用方法，如下： vtkSmartPoint<vtkDecimatePro> decimate = vtkSmartPointer<vtkDecimatePro>::New(); decimate->SetInput(input); decimate->SetTargetReduction(0.6); decimate->update();vtkDecimatePro接收一個單元為三角網(wǎng)格的vtkPolyData數(shù)據(jù)，其中函數(shù)SetTargetReduction()用于設(shè)置變量TargetReduction的大小，將網(wǎng)格面片抽取的比例控制在0~1.這里設(shè)置為0.6，說明有60%的三角面片單元將被移除。使用這個函數(shù)可以得到不同程度的簡化網(wǎng)格模型，不過，為確保函數(shù)效果，一般需要滿足下面四個條件：

• vtkDecimatePro需要支持模型拓?fù)涞母淖?#xff0c;即將PreserveTopology變量的值設(shè)置為FALSE。
• 支持網(wǎng)格分裂，即Splitting變量的值設(shè)置為TRUE。
• 支持修改模型的邊界，即將變量BoundaryVetexDeletion的值設(shè)置為TRUE。
• 設(shè)置最大誤差變量MaximumError的值為VTK_DOUBLE_MAX。

在滿足這四個條件情況下，可以得到不同簡化程度的模型。如果上面四個條件不滿足，最終得到的模型簡化率并非所期望的簡化率。

2.2 vtkQuadricDecimation

該類也可以實(shí)現(xiàn)三角形網(wǎng)格簡化，并能較好地逼近原模型。該簡化算法思想可以參考文獻(xiàn)[2]。該類雖然也提供了SetTargetReduction()函數(shù)用于設(shè)置模型簡化程度，但是最終簡化率并非嚴(yán)格等于程序中設(shè)置的簡化率。可以通過GetActualReduction()函數(shù)來獲取最終模型簡化率。

2.3 vtkQuadricClustering

該類是三種實(shí)現(xiàn)模型抽取算法中最快的一種，能夠處理大數(shù)據(jù)模型。其算法思想可以參考文獻(xiàn)[3]。通過StartAppend()、Append()、EndAppend()函數(shù)可以將整個模型分為多個網(wǎng)格片處理，從而避免一次性處理整個模型，減少內(nèi)存開支，提高處理效率。

3.vtkDecimatePro用于模型抽取實(shí)驗

作為結(jié)果觀測實(shí)驗，這里僅僅使用vtkDecimatePro類實(shí)現(xiàn)模型抽取。 示例代碼如下： #include <vtkAutoInit.h> VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL); VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingFreeType); VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);#include <vtkSmartPointer.h> #include <vtkPolyDataReader.h> #include <vtkDecimatePro.h> #include <vtkPolyDataMapper.h> #include <vtkActor.h> #include <vtkRenderer.h> #include <vtkCamera.h> #include <vtkRenderWindow.h> #include <vtkRenderWindowInteractor.h>int main() {vtkSmartPointer<vtkPolyDataReader> reader =vtkSmartPointer<vtkPolyDataReader>::New();reader->SetFileName("fran_cut.vtk");reader->Update();vtkSmartPointer<vtkPolyData> original = reader->GetOutput();std::cout << "抽取前"<< "-----------------------" << std::endl;std::cout << "模型點(diǎn)數(shù)為： " << original->GetNumberOfPoints() << std::endl;std::cout << "模型面數(shù)為： " << original->GetNumberOfPolys() << std::endl;vtkSmartPointer<vtkDecimatePro> decimation =vtkSmartPointer<vtkDecimatePro>::New();decimation->SetInputData(reader->GetOutput());decimation->SetTargetReduction(0.6);decimation->Update();vtkSmartPointer<vtkPolyData> decimated = decimation->GetOutput();std::cout << "抽取后"<< "-----------------------" << std::endl;std::cout << "模型點(diǎn)數(shù)為：" << decimated->GetNumberOfPoints() << std::endl;std::cout << "模型面數(shù)為：" << decimated->GetNumberOfPolys() << std::endl;/vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> origMapper =vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();origMapper->SetInputData(reader->GetOutput());vtkSmartPointer<vtkActor> origActor =vtkSmartPointer<vtkActor>::New();origActor->SetMapper(origMapper);vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> deciMapper =vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();deciMapper->SetInputData(decimation->GetOutput());vtkSmartPointer<vtkActor> deciActor =vtkSmartPointer<vtkActor>::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<vtkRenderer> leftRenderer =vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();leftRenderer->SetViewport(leftViewport);leftRenderer->AddActor(origActor);leftRenderer->SetBackground(1.0, 0, 0);vtkSmartPointer<vtkRenderer> rightRenderer =vtkSmartPointer<vtkRenderer>::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();//刷新照相機(jī)rightRenderer->SetActiveCamera(leftRenderer->GetActiveCamera());//同步顯示///vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> rw =vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();rw->AddRenderer(leftRenderer);rw->AddRenderer(rightRenderer);rw->SetSize(640, 320);rw->SetWindowName("PolyData Decimation");vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> rwi =vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();rwi->SetRenderWindow(rw);rwi->Start();return 0; }輸出結(jié)果如下圖所示：
左圖為原始圖像，右圖為簡化后的效果，從圖總可以看出，簡化后的模型面片數(shù)量減少，模型變得非常粗糙。

4.參考文獻(xiàn)

[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.

5.參看資料

1.《C++ primer》
2.《The VTK User’s Guide – 11thEdition》
3. ?張曉東, 羅火靈. VTK圖形圖像開發(fā)進(jìn)階[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2015. 與50位技術(shù)專家面對面20年技術(shù)見證，附贈技術(shù)全景圖

總結(jié)

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