VTK 体绘制讨论_光照&阴影、VTKLODProp3D

1.光照与阴影

通过VTKVolumeProperty可以设置体绘制阴影效果（Shading）。阴影效果主要受环境光系数、散射光系数、反射光系数和高光强度四个参数影响。

vtkVolumeProperty::SetAmbient()设置环境光系数

vtkVolumeProperty::SetDiffuse()设置散射光系数

vtkVolumeProperty::SetSpecular()设置反射光系数

一般情况下，三个系数的和应该为1。

但是有时候，在体绘制过程中为了提高亮度，三值之和会大于1。

另外，还有一个参数是高光强度（Specular Power）,用于控制体绘制的外观平滑程度。可用于VTKVolumeProperty::SetSpecularPower()设置该参数。

光照与阴影设置标准代码片：
1 volumeProperty->ShadeOn();
2 volumeProperty->SetAmbient(0.4);
3 volumeProperty->SetDiffuse(0.6);
4 volumeProperty->SetSpecular(0.2);
vtkVolumeProperty中默认是是关闭阴影效果的，因此需要显式调用ShadeOn()函数来打开阴影效果。
代码中，设置了环境光系数为0.4，散射光系数为0.6，反射光系数为0.2。

在这三个系数中，当环境光系数占主导时，阴影效果不明显。当散射光系数占主导时，显示效果会比较粗燥；但反射光系数占主导时，显示效果会比较光滑。

当阴影效果关闭时，等同于环境光系数为1.0，其他两个系数为零。

当然阴影效果还与光源的数目、位置和颜色有关。

左视图是开启阴影后的效果；右视图是关闭阴影后的效果。通过比较我们可以发现：开启阴影后体绘制效果会更加清晰逼真。

需要注意的是，开启阴影效果对vtkUnstructuredGrid数据类型是无效的；此外，对vtkImageData的最大密度投影也是无效的。而且对于多元数据，虽然可以为每一个组分开启阴影以及设置相应的系数，但是，现有VTK的vtkVolumeMapper类并不支持该类型数据体数据中的渲染效果。

2. 体绘制加速:vtkLODProp3D

对于一个大数据来讲，体绘制是一个计算量非常庞大、非常耗时的操作。尤其是在用户交互过程，需要不断对数据进行渲染，这样就造成了交互不流畅，用户体验差。

可以使用VTKLODProp3D来解决这个问题，提高绘制速度。vtkLODProp3D类的用法与vtkVolume类似，两者都继承自vtkProp3D。不同的是，vtkLODProp3D类能够支持多个Mapper、Property和Texture对象，并由他选择Mapper对象实现绘制。

例如，当绘制一个数据量非常大的不规则网格数据时，可以添加一个vtkPolyDataMapper渲染一个表面模型，作为最低级别分辨率的渲染；然后将数据采样为VTKImageDataMapper数据，并添加一个vtkVolumeTextureMapper3D进行体绘制，作为一个中间级别渲染；左后可以通过ZSweep技术（vtkUnstructuredGridVolumeZSweepMapper）渲染原始数据，作为最高级别的渲染。

vtkLODProp3D在渲染过程中，会为每个Mapper估计一个渲染时间，并选择一个最优的实现渲染。

2.1 使用vtkLODProp3D提高渲染速度和交互体验

示例代码如下：
  1 #include <vtkAutoInit.h>  
  2 VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL);
  3 VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingVolumeOpenGL);
  4 VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingFreeType);
  5 VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);
  6  
  7 #include <vtkSmartPointer.h>
  8 #include <vtkStructuredPoints.h>
  9 #include <vtkStructuredPointsReader.h>
 10 #include <vtkVolumeProperty.h>
 11 #include <vtkPiecewiseFunction.h>
 12 #include <vtkColorTransferFunction.h>
 13 #include <vtkGPUVolumeRayCastMapper.h>
 14 #include <vtkVolume.h>
 15 #include <vtkLODProp3D.h>
 16 #include <vtkRenderer.h>
 17 #include <vtkRenderWindow.h>
 18 #include <vtkRenderWindowInteractor.h>
 19 #include <vtkCamera.h>
 20  
 21 int main(int argc, char *argv[])
 22 {
 23     vtkSmartPointer<vtkStructuredPointsReader> reader =
 24         vtkSmartPointer<vtkStructuredPointsReader>::New();
 25     reader->SetFileName("mummy.128.vtk");
 26     reader->Update();
 27  
 28     vtkSmartPointer<vtkVolumeProperty> volumeProperty =
 29         vtkSmartPointer<vtkVolumeProperty>::New();
 30     volumeProperty->SetInterpolationTypeToLinear();
 31     volumeProperty->ShadeOn();
 32     volumeProperty->SetAmbient(0.4);
 33     volumeProperty->SetDiffuse(0.6);
 34     volumeProperty->SetSpecular(0.2);
 35  
 36     vtkSmartPointer<vtkPiecewiseFunction> compositeOpacity =
 37         vtkSmartPointer<vtkPiecewiseFunction>::New();
 38     compositeOpacity->AddPoint(70, 0.00);
 39     compositeOpacity->AddPoint(90, 0.40);
 40     compositeOpacity->AddPoint(180, 0.60);
 41     volumeProperty->SetScalarOpacity(compositeOpacity);
 42  
 43     vtkSmartPointer<vtkColorTransferFunction> color =
 44         vtkSmartPointer<vtkColorTransferFunction>::New();
 45     color->AddRGBPoint(0.000, 0.00, 0.00, 0.00);
 46     color->AddRGBPoint(64.00, 1.00, 0.52, 0.30);
 47     color->AddRGBPoint(190.0, 1.00, 1.00, 1.00);
 48     color->AddRGBPoint(220.0, 0.20, 0.20, 0.20);
 49     volumeProperty->SetColor(color);
 50 /******************************************************************/
 51     vtkSmartPointer<vtkGPUVolumeRayCastMapper> hiresMapper =
 52         vtkSmartPointer<vtkGPUVolumeRayCastMapper>::New();
 53     hiresMapper->SetInputData(reader->GetOutput());
 54     hiresMapper->SetAutoAdjustSampleDistances(0); //关闭自动调整功能
 55  
 56     vtkSmartPointer<vtkGPUVolumeRayCastMapper> lowresMapper =
 57         vtkSmartPointer<vtkGPUVolumeRayCastMapper>::New();
 58     lowresMapper->SetInputData(reader->GetOutput());
 59     lowresMapper->SetAutoAdjustSampleDistances(0);
 60     lowresMapper->SetSampleDistance(4 * hiresMapper->GetSampleDistance());
 61     lowresMapper->SetImageSampleDistance(4 * hiresMapper->GetImageSampleDistance());
 62 /******************************************************************/
 63     vtkSmartPointer<vtkLODProp3D> prop =
 64         vtkSmartPointer<vtkLODProp3D>::New();
 65     prop->AddLOD(lowresMapper, volumeProperty, 0.0);
 66     prop->AddLOD(hiresMapper, volumeProperty, 0.0);
 67     vtkSmartPointer<vtkVolume> volume =
 68         vtkSmartPointer<vtkVolume>::New();
 69     volume->SetMapper(hiresMapper);
 70     volume->SetProperty(volumeProperty);
 71     
 72     double volumeView[4] = { 0, 0, 0.5, 1 };
 73     double lodpropView[4] = { 0.5, 0, 1, 1 };
 74  
 75     vtkSmartPointer<vtkRenderer> volumeRender = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
 76     volumeRender->SetBackground(1, 1, 0);
 77     volumeRender->AddVolume(volume);
 78     volumeRender->SetViewport(volumeView);
 79  
 80     vtkSmartPointer<vtkRenderer> propRender = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
 81     propRender->SetBackground(0, 1, 0);
 82     propRender->AddVolume(prop);
 83     propRender->SetViewport(lodpropView);
 84     ///
 85     vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renWin = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
 86     renWin->AddRenderer(volumeRender);
 87     renWin->AddRenderer(propRender);
 88     renWin->SetSize(640, 320);
 89     renWin->Render();
 90     renWin->SetWindowName("Volume By vtkLODProp3D");
 91  
 92     vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> rwi =
 93         vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
 94     rwi->SetRenderWindow(renWin);
 95  
 96     volumeRender->GetActiveCamera()->SetPosition(0, -1, 0);
 97     volumeRender->GetActiveCamera()->SetFocalPoint(0, 0, 0);
 98     volumeRender->GetActiveCamera()->SetViewUp(0, 0, 1);
 99     volumeRender->GetActiveCamera()->Azimuth(30);
100     volumeRender->GetActiveCamera()->Elevation(30);
101     volumeRender->ResetCamera();
102     propRender->SetActiveCamera(volumeRender->GetActiveCamera());
103  
104     renWin->Render();
105     rwi->Start();
106  
107     return 0;
108 }
输出结果：

2.2 讨论

上面的例子定义了两个光线投影Mapper对象。由于vtkVolumeRayCastMapper中默认开始自动调整采样距离来提高效率，因此首先关闭自动调节采样距离。

对于lowresMapper，程序中设定光线采样步长和图像采样距离为hiresMapper的四倍。Mapper定义完毕后，我们就可以调用vtkLODProp3D进行渲染显示。

vtkLODProp3D类添加Mapper的函数原型为：

int AddLOD(vtkMapper* m, vtkProperty* p, double time);

该函数有三个参数，前两个定义了Mapper对象及Property属性。第三个参数为一个时间大小，表示当前Mapper渲染时间的初始值。如果该时间设置为0，表示开始时立即渲染对象而不用估计当前Mapper的渲染时间。

完成初试渲染后，可以得到各种Mapper的渲染时间。在vtkLODProp3D对象渲染时，会首先选择那些渲染时间为0的Mapper来渲染场景。

当然，一般来说，渲染时间为零的情况比较少见。在上个例子中，因为两个Mapper渲染时间的初始值均设为0，所以程序一开始便会渲染两次。

2.3 vtkLODProp3D的应用前景

实际中，经常会应用LOD技术来使用各种方法来实现体绘制，在满足精度的要求下提高交互体验。

我们知道，vtkVolume负责组合体绘制管线，除了包含一个Mapper对象外，还需要用VTKVolumeProperty对象来设置体绘制的颜色映射，如不透明度传输函数、梯度不透明度传输函数、颜色传输函数和设置阴影效果。vtkLODProp3D最大的优势在于提供了一种LOD技术来集成多种Mapper对象，能够有效提高渲染效率的交互体验。