VTK修炼之道70：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：

volumeProperty->ShadeOn();volumeProperty->SetAmbient(0.4);volumeProperty->SetDiffuse(0.6);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：

#include <vtkAutoInit.h>  VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL);VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingVolumeOpenGL);VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingFreeType);VTK_MODULE_INIT(vtkInteractionStyle);#include <vtkSmartPointer.h>#include <vtkStructuredPoints.h>#include <vtkStructuredPointsReader.h>#include <vtkVolumeProperty.h>#include <vtkPiecewiseFunction.h>#include <vtkColorTransferFunction.h>#include <vtkGPUVolumeRayCastMapper.h>#include <vtkVolume.h>#include <vtkLODProp3D.h>#include <vtkRenderer.h>#include <vtkRenderWindow.h>#include <vtkRenderWindowInteractor.h>#include <vtkCamera.h>int main(int argc, char *argv[]){vtkSmartPointer<vtkStructuredPointsReader> reader =vtkSmartPointer<vtkStructuredPointsReader>::New();reader->SetFileName("mummy.128.vtk");reader->Update();vtkSmartPointer<vtkVolumeProperty> volumeProperty =vtkSmartPointer<vtkVolumeProperty>::New();volumeProperty->SetInterpolationTypeToLinear();volumeProperty->ShadeOn();volumeProperty->SetAmbient(0.4);volumeProperty->SetDiffuse(0.6);volumeProperty->SetSpecular(0.2);vtkSmartPointer<vtkPiecewiseFunction> compositeOpacity =vtkSmartPointer<vtkPiecewiseFunction>::New();compositeOpacity->AddPoint(70, 0.00);compositeOpacity->AddPoint(90, 0.40);compositeOpacity->AddPoint(180, 0.60);volumeProperty->SetScalarOpacity(compositeOpacity);vtkSmartPointer<vtkColorTransferFunction> color =vtkSmartPointer<vtkColorTransferFunction>::New();color->AddRGBPoint(0.000, 0.00, 0.00, 0.00);color->AddRGBPoint(64.00, 1.00, 0.52, 0.30);color->AddRGBPoint(190.0, 1.00, 1.00, 1.00);color->AddRGBPoint(220.0, 0.20, 0.20, 0.20);volumeProperty->SetColor(color);/******************************************************************/vtkSmartPointer<vtkGPUVolumeRayCastMapper> hiresMapper =vtkSmartPointer<vtkGPUVolumeRayCastMapper>::New();hiresMapper->SetInputData(reader->GetOutput());hiresMapper->SetAutoAdjustSampleDistances(0); //关闭自动调整功能vtkSmartPointer<vtkGPUVolumeRayCastMapper> lowresMapper =vtkSmartPointer<vtkGPUVolumeRayCastMapper>::New();lowresMapper->SetInputData(reader->GetOutput());lowresMapper->SetAutoAdjustSampleDistances(0);lowresMapper->SetSampleDistance(4 * hiresMapper->GetSampleDistance());lowresMapper->SetImageSampleDistance(4 * hiresMapper->GetImageSampleDistance());/******************************************************************/vtkSmartPointer<vtkLODProp3D> prop =vtkSmartPointer<vtkLODProp3D>::New();prop->AddLOD(lowresMapper, volumeProperty, 0.0);prop->AddLOD(hiresMapper, volumeProperty, 0.0);vtkSmartPointer<vtkVolume> volume =vtkSmartPointer<vtkVolume>::New();volume->SetMapper(hiresMapper);volume->SetProperty(volumeProperty);////////////////double volumeView[4] = { 0, 0, 0.5, 1 };double lodpropView[4] = { 0.5, 0, 1, 1 };vtkSmartPointer<vtkRenderer> volumeRender = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();volumeRender->SetBackground(1, 1, 0);volumeRender->AddVolume(volume);volumeRender->SetViewport(volumeView);vtkSmartPointer<vtkRenderer> propRender = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();propRender->SetBackground(0, 1, 0);propRender->AddVolume(prop);propRender->SetViewport(lodpropView);///////////////vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renWin = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();renWin->AddRenderer(volumeRender);renWin->AddRenderer(propRender);renWin->SetSize(640, 320);renWin->Render();renWin->SetWindowName("Volume By vtkLODProp3D");vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> rwi =vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();rwi->SetRenderWindow(renWin);volumeRender->GetActiveCamera()->SetPosition(0, -1, 0);volumeRender->GetActiveCamera()->SetFocalPoint(0, 0, 0);volumeRender->GetActiveCamera()->SetViewUp(0, 0, 1);volumeRender->GetActiveCamera()->Azimuth(30);volumeRender->GetActiveCamera()->Elevation(30);volumeRender->ResetCamera();propRender->SetActiveCamera(volumeRender->GetActiveCamera());renWin->Render();rwi->Start();return 0;}

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。

3.参看资料

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.