VTK 三维场景

VTK 三维场景

基本要素

VTK 三维场景的基本要素：

1. 灯光：vtkLight。vtkLight可以分为位置灯光（Positional Light，也叫聚光灯）和方向灯光（Direction Light）。 位置灯光是光源位置在渲染场景中的某个位置，可以指定灯光的衰减值、锥角等；方向灯光即光源位置在无穷远，可以认为光线是平行的，比如自然界中的太阳光。光源的位置和焦点的连线定义光线的方向，默认的vtkLight为方向灯光。
2. 相机：vtkCamera。vtkCamera 负责把三维场景投影到二维平面，如屏幕。
3. 颜色：颜色是Actor重要的属性之一。VTK采用RGB和HSV两种颜色系统来描述颜色。
4. 纹理映射：纹理映射是把二维图像“贴”到三维物体表面。纹理投射需要两块信息：一个纹理图片（常用vtkImageData数据集表示）和一个yong’yu表面上纹理定位的的纹理坐标。

坐标系统及空间变换

计算机图形学里常用的坐标系统主要有四种，分别是：Model坐标系统、World坐标系统、View坐标系统和Display坐标系统，以及两种表示坐标点的方式：以屏幕像素值为单位和归一化坐标值（各坐标轴取值都为[-1, 1]）。它们之间的关系如图所示。

Model坐标系统是定义模型时所采用的坐标系统，通常是局部的笛卡尔坐标系。例如，我们要定义一个表示球体的Actor，一般的做法是将该球体定义在一个柱坐标系统里。

World坐标系统是放置Actor的三维空间坐标系，Actor其中的一个功能就是负责将模型从Model坐标系统变换到World坐标系统。每一个模型可以定义有自己的Model坐标系统，但World坐标系只有一个，每一个Actor必须通过放缩、旋转、平移等操作将Model坐标系变换到World坐标系。World坐标系同时也是相机和光照所在的坐标系统。

View坐标系统表示的是相机所看见的坐标系统。X、Y、Z轴取值为[-1, 1]，X、Y值表示像平面上的位置，Z值表示到相机的距离。相机负责将World坐标系变换到View坐标系。

Display坐标系统跟View坐标系统类似，但是各坐标轴的取值不是[-1, 1]，而是使用屏幕像素值。屏幕上显示的不同窗口的大小会影响View坐标系的坐标值[-1, 1]到Display坐标系的映射。可以把不同的渲染场景放在同一个窗口进行显示，例如我们把一个窗口分为四个视口，用vtkRenderer::SetViewport()来设置视口的范围（取值为[0, 1]）：

renderer1->SetViewport(0.0, 0.0, 0.5, 0.5);
renderer2->SetViewport(0.5, 0.0, 1.0, 0.5);
renderer3->SetViewport(0.0, 0.5, 0.5, 1.0);
renderer4->SetViewport(0.5, 0.5, 1.0, 1.0);
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在VTK里，Model坐标系统用得比较少，其他三种坐标系统经常使用。根据坐标点单位、取值范围等不同，可以将坐标系统分为：

• DISPLAY：X、Y轴的坐标取值为渲染窗口的像素值。坐标原点位于渲染窗口的左下角，这个对于VTK里所有的二维坐标系统都是一样的，且VTK里的坐标系统都是采用右手坐标系。

• NORMALIZEDDISPLAY：X、Y轴坐标取值范围为[0, 1]，跟DISPLAY一样，也是定义在渲染窗口里的。

• VIEWPORT：X、Y的坐标值定义在视口或者渲染器(Renderer)里。

• NORMALIZEDVIEWPORT：X、Y坐标值定义在视口或渲染器里，取值范围为[0, 1]。

• VIEW：X、Y、Z坐标值定义在相机所在的坐标系统里，取值范围为[-1, 1]，Z值表示深度信息。

• WORLD：X、Y、Z坐标值定义在世界坐标系统，参考图3.9。

• USERDEFINED：用户自定义坐标系统。

vtkCoordinate 类提供的设置以上坐标系统的方法是：

SetCoordinateSystemToDisplay()
SetCoordinateSystemToNormalizedDisplay()
SetCoordinateSystemToViewport()
SetCoordinateSystemToNormalizedViewport()
SetCoordinateSystemToView()
SetCoordinateSystemToWorld()
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