VTK修炼之道57：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：

#include <vtkAutoInit.h>VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL);VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingFreeType);VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);#include <vtkSmartPointer.h>#include <vtkPoints.h>#include <vtkLandmarkTransform.h>#include <vtkPolyData.h>#include <vtkVertexGlyphFilter.h>#include <vtkTransformPolyDataFilter.h>#include <vtkPolyDataMapper.h>#include <vtkActor.h>#include <vtkProperty.h>#include <vtkRenderer.h>#include <vtkRenderWindow.h>#include <vtkRenderWindowInteractor.h>#include <vtkAxesActor.h>//研究一下坐标系显示位置#include <vtkOrientationMarkerWidget.h>int main(){vtkSmartPointer<vtkPoints> sourcePoints =vtkSmartPointer<vtkPoints>::New();double sourcePoint1[3] = { 0.5, 0, 0 };sourcePoints->InsertNextPoint(sourcePoint1);double sourcePoint2[3] = { 0, 0.5, 0 };sourcePoints->InsertNextPoint(sourcePoint2);double sourcePoint3[3] = { 0, 0, 0.5 };sourcePoints->InsertNextPoint(sourcePoint3);vtkSmartPointer<vtkPoints> targetPoints =vtkSmartPointer<vtkPoints>::New();double targetPoint1[3] = { 0.0, 0.0, 0.55 };targetPoints->InsertNextPoint(targetPoint1);double targetPoint2[3] = { 0.0, 0.55, 0.0 };targetPoints->InsertNextPoint(targetPoint2);double targetPoint3[3] = { -0.55, 0.0, 0.0 };targetPoints->InsertNextPoint(targetPoint3);//利用Landmark算法求变换矩阵vtkSmartPointer<vtkLandmarkTransform> landmarkTransform =vtkSmartPointer<vtkLandmarkTransform>::New();landmarkTransform->SetSourceLandmarks(sourcePoints);landmarkTransform->SetTargetLandmarks(targetPoints);landmarkTransform->SetModeToRigidBody(); //执行刚体配准landmarkTransform->Update();////////////////////构造PolyData类型 进行图形可视化vtkSmartPointer<vtkPolyData> source =vtkSmartPointer<vtkPolyData>::New();source->SetPoints(sourcePoints);vtkSmartPointer<vtkPolyData> target =vtkSmartPointer<vtkPolyData>::New();target->SetPoints(targetPoints);/////////////////////vtkSmartPointer<vtkVertexGlyphFilter> sourceGlyphFilter =vtkSmartPointer<vtkVertexGlyphFilter>::New();sourceGlyphFilter->SetInputData(source);sourceGlyphFilter->Update();vtkSmartPointer<vtkVertexGlyphFilter> targetGlyphFilter =vtkSmartPointer<vtkVertexGlyphFilter>::New();targetGlyphFilter->SetInputData(target);targetGlyphFilter->Update();////////////////源数据施加配准变换矩阵vtkSmartPointer<vtkTransformPolyDataFilter> transformFilter =vtkSmartPointer<vtkTransformPolyDataFilter>::New();transformFilter->SetInputData(sourceGlyphFilter->GetOutput());transformFilter->SetTransform(landmarkTransform);transformFilter->Update();/////////////////////////////////////////////////////////vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> sourceMapper =vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();sourceMapper->SetInputConnection(sourceGlyphFilter->GetOutputPort());vtkSmartPointer<vtkActor> sourceActor =vtkSmartPointer<vtkActor>::New();sourceActor->SetMapper(sourceMapper);sourceActor->GetProperty()->SetColor(1, 1, 0);sourceActor->GetProperty()->SetPointSize(10);vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> targetMapper =vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();targetMapper->SetInputConnection(targetGlyphFilter->GetOutputPort());vtkSmartPointer<vtkActor> targetActor =vtkSmartPointer<vtkActor>::New();targetActor->SetMapper(targetMapper);targetActor->GetProperty()->SetColor(0, 1, 0);targetActor->GetProperty()->SetPointSize(10);vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> solutionMapper =vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();solutionMapper->SetInputConnection(transformFilter->GetOutputPort());vtkSmartPointer<vtkActor> solutionActor =vtkSmartPointer<vtkActor>::New();solutionActor->SetMapper(solutionMapper);solutionActor->GetProperty()->SetColor(1, 0, 0);solutionActor->GetProperty()->SetPointSize(10);////////////////////vtkSmartPointer<vtkRenderer> render =vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();render->AddActor(sourceActor);render->AddActor(targetActor);render->AddActor(solutionActor);render->SetBackground(0, 0, 0);vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> rw =vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();rw->AddRenderer(render);rw->SetSize(480, 480);rw->SetWindowName("Regisration by Landmark");//设置坐标系显示功能vtkSmartPointer<vtkAxesActor> axes =vtkSmartPointer<vtkAxesActor>::New();axes->SetScale(10);render->AddActor(axes);vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> rwi =vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();rwi->SetRenderWindow(rw);/************************************************************/vtkSmartPointer<vtkOrientationMarkerWidget> widget =vtkSmartPointer<vtkOrientationMarkerWidget>::New();widget->SetOutlineColor(0.9300, 0.5700, 0.1300);widget->SetOrientationMarker(axes);widget->SetInteractor(rwi); //加入鼠标交互widget->SetViewport(0.0, 0.0, 0.3, 0.3);  //设置显示位置widget->SetEnabled(1);widget->InteractiveOn();//开启鼠标交互/************************************************************/render->ResetCamera();rw->Render();rwi->Initialize();rwi->Start();return 0;}


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：

//设置坐标系显示功能vtkSmartPointer<vtkAxesActor> axes =vtkSmartPointer<vtkAxesActor>::New();axes->SetScale(10);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：

vtkSmartPointer<vtkOrientationMarkerWidget> widget =vtkSmartPointer<vtkOrientationMarkerWidget>::New();widget->SetOutlineColor(0.9300, 0.5700, 0.1300);widget->SetOrientationMarker(axes);widget->SetInteractor(rwi); //加入鼠标交互widget->SetViewport(0.0, 0.0, 0.3, 0.3);  //设置显示位置widget->SetEnabled(1);widget->InteractiveOn();//开启鼠标交互

4.参看资料

1.《C++ primer》
2.《The VTK User’s Guide – 11thEdition》
3.  张晓东, 罗火灵. VTK图形图像开发进阶[M]. 机械工业出版社, 2015.