VTK 图形基本操作进阶_点云配准技术（LandMark标记点算法和坐标系显示方法）

1.点云配准

在计算机逆向工程中，通过三维扫描等实物数字化技术可以获取各种点云数据。但是受到测量环境和设备的影响，再一次测量的情况下，难以获取实物整体的点云数据，因此需要多次从不同角度进行测量。但不同的测量数据之间可能会存在平移错误或旋转错位等问题。这就需要使用点云配准技术来对测量点云数据进行局部配准和整合，以得到完整的模型数据。

另外，在外科手术导航技术中，图像标记点技术与人体表面标记点的配准是一个关键步骤，对于手术定位的精度有着重要的影响。通常这需要使用基于标记点的配准技术。因此，点云配准及时对一组源点云数据应用一个空间变换，使得变换后的数据与目标点云数据能够一一映射，使两组数据之间的平均距离误差最小。

2.LandMark配准实验

VTKLandMarkTransform实现了片几点配准算法，使得两个点集在配准后的平均距离最小。通过SetSourceLandmarks()和SetTargetLandmarks()函数分别设置源标记点集和目标标记点集。需要注意的是，源标记点集和目标标记点集序号要对应。

基于标记点的配准算法如下所示：

  1 #include <vtkAutoInit.h>
  2 VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL);
  3 VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingFreeType);
  4 VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);
  5  
  6 #include <vtkSmartPointer.h>
  7 #include <vtkPoints.h>
  8 #include <vtkLandmarkTransform.h>
  9 #include <vtkPolyData.h>
 10 #include <vtkVertexGlyphFilter.h>
 11 #include <vtkTransformPolyDataFilter.h>
 12 #include <vtkPolyDataMapper.h>
 13 #include <vtkActor.h>
 14 #include <vtkProperty.h>
 15 #include <vtkRenderer.h>
 16 #include <vtkRenderWindow.h>
 17 #include <vtkRenderWindowInteractor.h>
 18 #include <vtkAxesActor.h>
 19 //研究一下坐标系显示位置
 20 #include <vtkOrientationMarkerWidget.h>
 21 int main()
 22 {
 23     vtkSmartPointer<vtkPoints> sourcePoints =
 24         vtkSmartPointer<vtkPoints>::New();
 25     double sourcePoint1[3] = { 0.5, 0, 0 };
 26     sourcePoints->InsertNextPoint(sourcePoint1);
 27     double sourcePoint2[3] = { 0, 0.5, 0 };
 28     sourcePoints->InsertNextPoint(sourcePoint2);
 29     double sourcePoint3[3] = { 0, 0, 0.5 };
 30     sourcePoints->InsertNextPoint(sourcePoint3);
 31  
 32     vtkSmartPointer<vtkPoints> targetPoints =
 33         vtkSmartPointer<vtkPoints>::New();
 34     double targetPoint1[3] = { 0.0, 0.0, 0.55 };
 35     targetPoints->InsertNextPoint(targetPoint1);
 36     double targetPoint2[3] = { 0.0, 0.55, 0.0 };
 37     targetPoints->InsertNextPoint(targetPoint2);
 38     double targetPoint3[3] = { -0.55, 0.0, 0.0 };
 39     targetPoints->InsertNextPoint(targetPoint3);
 40     //利用Landmark算法求变换矩阵
 41     vtkSmartPointer<vtkLandmarkTransform> landmarkTransform =
 42         vtkSmartPointer<vtkLandmarkTransform>::New();
 43     landmarkTransform->SetSourceLandmarks(sourcePoints);
 44     landmarkTransform->SetTargetLandmarks(targetPoints);
 45     landmarkTransform->SetModeToRigidBody(); //执行刚体配准
 46     landmarkTransform->Update();
 47     构造PolyData类型 进行图形可视化
 48     vtkSmartPointer<vtkPolyData> source =
 49         vtkSmartPointer<vtkPolyData>::New();
 50     source->SetPoints(sourcePoints);
 51     vtkSmartPointer<vtkPolyData> target =
 52         vtkSmartPointer<vtkPolyData>::New();
 53     target->SetPoints(targetPoints);
 54     /
 55     vtkSmartPointer<vtkVertexGlyphFilter> sourceGlyphFilter =
 56         vtkSmartPointer<vtkVertexGlyphFilter>::New();
 57     sourceGlyphFilter->SetInputData(source);
 58     sourceGlyphFilter->Update();
 59  
 60     vtkSmartPointer<vtkVertexGlyphFilter> targetGlyphFilter =
 61         vtkSmartPointer<vtkVertexGlyphFilter>::New();
 62     targetGlyphFilter->SetInputData(target);
 63     targetGlyphFilter->Update();
 64     源数据施加配准变换矩阵
 65     vtkSmartPointer<vtkTransformPolyDataFilter> transformFilter =
 66         vtkSmartPointer<vtkTransformPolyDataFilter>::New();
 67     transformFilter->SetInputData(sourceGlyphFilter->GetOutput());
 68     transformFilter->SetTransform(landmarkTransform);
 69     transformFilter->Update();
 70     /
 71     vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> sourceMapper =
 72         vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
 73     sourceMapper->SetInputConnection(sourceGlyphFilter->GetOutputPort());
 74  
 75     vtkSmartPointer<vtkActor> sourceActor =
 76         vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
 77     sourceActor->SetMapper(sourceMapper);
 78     sourceActor->GetProperty()->SetColor(1, 1, 0);
 79     sourceActor->GetProperty()->SetPointSize(10);
 80  
 81     vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> targetMapper =
 82         vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
 83     targetMapper->SetInputConnection(targetGlyphFilter->GetOutputPort());
 84  
 85     vtkSmartPointer<vtkActor> targetActor =
 86         vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
 87     targetActor->SetMapper(targetMapper);
 88     targetActor->GetProperty()->SetColor(0, 1, 0);
 89     targetActor->GetProperty()->SetPointSize(10);
 90  
 91     vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> solutionMapper =
 92         vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
 93     solutionMapper->SetInputConnection(transformFilter->GetOutputPort());
 94  
 95     vtkSmartPointer<vtkActor> solutionActor =
 96         vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
 97     solutionActor->SetMapper(solutionMapper);
 98     solutionActor->GetProperty()->SetColor(1, 0, 0);
 99     solutionActor->GetProperty()->SetPointSize(10);
100     
101     vtkSmartPointer<vtkRenderer> render =
102         vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
103     render->AddActor(sourceActor);
104     render->AddActor(targetActor);
105     render->AddActor(solutionActor);
106     render->SetBackground(0, 0, 0);
107  
108     vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> rw =
109         vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
110     rw->AddRenderer(render);
111     rw->SetSize(480, 480);
112     rw->SetWindowName("Regisration by Landmark");
113     //设置坐标系显示功能
114     vtkSmartPointer<vtkAxesActor> axes =
115         vtkSmartPointer<vtkAxesActor>::New();
116     axes->SetScale(10);
117     render->AddActor(axes);
118  
119     vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> rwi =
120         vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
121     rwi->SetRenderWindow(rw);
122     /************************************************************/
123     vtkSmartPointer<vtkOrientationMarkerWidget> widget =
124         vtkSmartPointer<vtkOrientationMarkerWidget>::New();
125     widget->SetOutlineColor(0.9300, 0.5700, 0.1300);
126     widget->SetOrientationMarker(axes);
127     widget->SetInteractor(rwi); //加入鼠标交互
128     widget->SetViewport(0.0, 0.0, 0.3, 0.3);  //设置显示位置
129     widget->SetEnabled(1);
130     widget->InteractiveOn();//开启鼠标交互
131     /************************************************************/
132     render->ResetCamera();
133     rw->Render();
134     rwi->Initialize();
135     rwi->Start();
136  
137     return 0;
138 }

输出结果：

黄色散点代表待配准点集；绿色散点代表金标准；红色散点代表施加变换矩阵后的源数据点集。

vtkVertexGliphFilter类显示点集！！！VTKTransformPolyDataFilter用来对源标记点进行变换来显示配准后的点集，SetTransform()直接设置为vtkLandmarkTransform的变换结果。

2.VTKLandmarkTransform类

VTKLandmarkTransform类的使用比较简单，只需要设定源标记点和目标标记点。SetModeToRigidBody()函数用于设置其配准变换类型为刚体变换，仅包括简单的平移和旋转（六个自由度）。此外还有一个更为广泛应用的函数——SetModeToSimilarity，设置为相似变换，包括平移、旋转和放缩变换（七个自由度）。以及SetModeToAffine()函数设置仿射变换。默认情况，就采用相似变换进行配准。

3.vtkAxesActor类

有的时候，在显示三维物体时，我们希望知道当前场景对应的坐标系位置或者方向，这样在旋转物体的时候，就能够很清楚地看到当前正对这视野的是什么面xy平面，还是y轴等信息了。

在vtk库中有一个vtkAxesActor负责显示坐标系，在查阅了vtk的wiki之后，找到了两个示例，在这里将两者结合起来，放在同一个例子中显示，并用java代码重写。

其中，第一个示例：http://vtk.org/Wiki/VTK/Examples/Cxx/GeometricObjects/Axes 是直接将vtkAxesActor加入到renderer中进行显示：
1     //设置坐标系显示功能
2     vtkSmartPointer<vtkAxesActor> axes =
3         vtkSmartPointer<vtkAxesActor>::New();
4     axes->SetScale(10);
5     render->AddActor(axes);
而第二个示例：
http://vtk.org/Wiki/VTK/Examples/Cxx/Visualization/DisplayCoordinateAxes 是以Widget的方式在一个独立的视口中显示，比较适合用来放在左下角指示当前的坐标系位置：
1 vtkSmartPointer<vtkOrientationMarkerWidget> widget =
2         vtkSmartPointer<vtkOrientationMarkerWidget>::New();
3     widget->SetOutlineColor(0.9300, 0.5700, 0.1300);
4     widget->SetOrientationMarker(axes);
5     widget->SetInteractor(rwi); //加入鼠标交互
6     widget->SetViewport(0.0, 0.0, 0.3, 0.3);  //设置显示位置
7     widget->SetEnabled(1);
8     widget->InteractiveOn();//开启鼠标交互