【VTK-Rendering::Core】第一期 vtkCoordinate坐标系统

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前言

本文分享vtkCoordinate源码解析，并对VTK中的各种坐标变换进行分析，希望对各位小伙伴有所帮助！

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1. vtkCoordinate

? ? ? ? 在VTK的各种坐标系统中，执行坐标变换，并表示位置（Position）。也可以创建一个相互引用的vtkCoordinate对象。

????????vtkCoordinate对象允许引用，即一个vtkCoordinate对象A可以引用另一个vtkCoordinate对象B，vtkCoordinate对象B也可以引用其他vtkCoordinate对象，依此类推，但是不能形成自循环。这允许你创建像vtkActor2D这样的组合组，它们的位置相对于另一个。注意，在级联序列中，每个vtkCoordinate对象可以在不同的坐标系中指定!。例如在vtkCaptionActor2D的定义中AttachmentPointCoordinate在WORLD坐标系中指定；PositionCoordinate在DISPLAY坐标系中指定。

? ? ? ? VTK中的坐标系统有如下几种：

DISPLAY坐标系统：表示在窗口上的x,y的像素值

? ? ? ? 最小值：（0， 0）表示左下角的第一个像素。

? ? ? ? 最大值：（Size，Size）表示右上角的最后一个像素

NORMALIZED DISPLAY坐标系统：表示归一化后的窗口像素值。

? ? ? ? 最小值：（0， 0）表示左下角的第一个像素。

? ? ? ? 最大值：（1，1）表示右上角的最后一个像素

VIEWPORT坐标系统：表示Viewport上的x,y像素值

? ? ? ? 最小值：（0， 0）表示左下角的第一个像素。

? ? ? ? 最大值：（Size，Size）表示右上角的最后一个像素

NORMALIZED VIEWPORT坐标系统：表示归一化后的Viewport的像素值

? ? ? ? 最小值：（0， 0）表示左下角的第一个像素。

? ? ? ? 最大值：（1，1）表示右上角的最后一个像素

POSE坐标系统：WORLD坐标系统相对于相机位置和View方向进行的移动和旋转坐标系统。

VIEW坐标系统：相机所看到的坐标系统，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。

WORLD坐标系统：世界坐标系

USERDEFINED坐标系统：表示在用户定义的坐标系统下的值。

2. VTK中各坐标系统关系

Model坐标系统：指定义模型时所采用的坐标系统。

Ｗorld坐标系统：放置Actor的三维空间系统。

vtkActor负责将模型从Model坐标系转化到World坐标系。

VTK中一个窗口可以放置多个Renderer（即ViewPort）。

renderer1->SetViewport(0.,0.,0.5,0.5);
renderer1->SetViewport(0.,0.5,0.5,1.0);
renderer1->SetViewport(0.5,0.,1.,0.5);
renderer1->SetViewport(0.5,0.5,1.0,1.0);

3. vtkCoordinate重要参数

3.1 设置/获取当前的坐标系统

  //@{
  /**
   * Set/get the coordinate system which this coordinate
   * is defined in. The options are Display, Normalized Display,
   * Viewport, Normalized Viewport, View, and World.
   */
  vtkSetMacro(CoordinateSystem, int);
  vtkGetMacro(CoordinateSystem, int);
  void SetCoordinateSystemToDisplay() { this->SetCoordinateSystem(VTK_DISPLAY); }
  void SetCoordinateSystemToNormalizedDisplay()
  {
    this->SetCoordinateSystem(VTK_NORMALIZED_DISPLAY);
  }
  void SetCoordinateSystemToViewport() { this->SetCoordinateSystem(VTK_VIEWPORT); }
  void SetCoordinateSystemToNormalizedViewport()
  {
    this->SetCoordinateSystem(VTK_NORMALIZED_VIEWPORT);
  }
  void SetCoordinateSystemToView() { this->SetCoordinateSystem(VTK_VIEW); }
  void SetCoordinateSystemToPose() { this->SetCoordinateSystem(VTK_POSE); }
  void SetCoordinateSystemToWorld() { this->SetCoordinateSystem(VTK_WORLD); }
  //@}

  const char* GetCoordinateSystemAsString();

3.2 设置/获取坐标值

 //@{
  /**
   * Set/get the value of this coordinate. This can be thought of as
   * the position of this coordinate in its coordinate system.
   */
  vtkSetVector3Macro(Value, double);
  vtkGetVector3Macro(Value, double);
  void SetValue(double a, double b) { this->SetValue(a, b, 0.0); }
  //@}

3.3 设置/获取参考坐标系

  //@{
  /**
   * If this coordinate is relative to another coordinate,
   * then specify that coordinate as the ReferenceCoordinate.
   * If this is NULL the coordinate is assumed to be absolute.
   * 若该坐标A关联其他坐标B，则将坐标B设置为参考坐标；
   * 若参考坐标为孔，则该坐标A是绝对坐标系统下的坐标
   */
  virtual void SetReferenceCoordinate(vtkCoordinate*);
  vtkGetObjectMacro(ReferenceCoordinate, vtkCoordinate);
  //@}

3.4 设置关联的Viewport

  //@{
  /** 设置关联的viewport
   * If you want this coordinate to be relative to a specific
   * vtkViewport (vtkRenderer) then you can specify that here.
   * NOTE: this is a raw pointer, not a weak pointer nor a reference counted
   * object, to avoid reference cycle loop between rendering classes and filter
   * classes.
   */
  void SetViewport(vtkViewport* viewport);
  vtkGetObjectMacro(Viewport, vtkViewport);
  //@}

3.5 获取各坐标系下的值

  //@{
  /**
   * Return the computed value in a specified coordinate system.
   */
  double* GetComputedWorldValue(vtkViewport*) VTK_SIZEHINT(3);
  int* GetComputedViewportValue(vtkViewport*) VTK_SIZEHINT(2);
  int* GetComputedDisplayValue(vtkViewport*) VTK_SIZEHINT(2);
  int* GetComputedLocalDisplayValue(vtkViewport*) VTK_SIZEHINT(2);
  //@}

  double* GetComputedDoubleViewportValue(vtkViewport*) VTK_SIZEHINT(2);
  double* GetComputedDoubleDisplayValue(vtkViewport*) VTK_SIZEHINT(2);

  /**
   * GetComputedValue() will return either World, Viewport or
   * Display based on what has been set as the coordinate system.
   * This is good for objects like vtkLineSource, where the
   * user might want to use them as World or Viewport coordinates.
   */
  double* GetComputedValue(vtkViewport*) VTK_SIZEHINT(3);

  /**
   * GetComputedUserDefinedValue() is to be used only when
   * the coordinate system is VTK_USERDEFINED. The user
   * must subclass vtkCoordinate and override this function,
   * when set as the TransformCoordinate in 2D-Mappers, the user
   * can customize display of 2D polygons
   */
  virtual double* GetComputedUserDefinedValue(vtkViewport*) VTK_SIZEHINT(3) { return this->Value; }

4. vtkViewport进行坐标变换

上面RenderWindow的尺寸为（300，300），白色方框的Display坐标为（150，150），执行下面代码为：

  double XF = eventPos[0]; //XF = 150
  double YF = eventPos[1]; //YF = 150

  // convert to normalized viewport coordinates
  this->Renderer->DisplayToNormalizedDisplay(XF, YF); //XF = 150/300.=0.5;YF = 0.5;
  this->Renderer->NormalizedDisplayToViewport(XF, YF);//XF = 150;YF=150
  this->Renderer->ViewportToNormalizedViewport(XF, YF);//XF=0.5;YF=0.5;

void vtkViewport::DisplayToNormalizedDisplay(double& u, double& v)
{
  if (this->VTKWindow)
  {
    /* get physical window dimensions */
    const int* size = this->VTKWindow->GetSize();

    if (size && size[0] != 0 && size[1] != 0)
    {
      u = u / size[0];
      v = v / size[1];
    }
  }
}

//----------------------------------------------------------------------------
void vtkViewport::NormalizedDisplayToViewport(double& u, double& v)
{
  if (this->VTKWindow)
  {
    // get the pixel value for the viewport origin
    double vpou, vpov;
    vpou = this->Viewport[0];
    vpov = this->Viewport[1];
    this->NormalizedDisplayToDisplay(vpou, vpov);

    // get the pixel value for the coordinate
    this->NormalizedDisplayToDisplay(u, v);

    // subtract the vpo
    u = u - vpou;
    v = v - vpov;
  }
}

//----------------------------------------------------------------------------
void vtkViewport::ViewportToNormalizedViewport(double& u, double& v)
{
  if (this->VTKWindow)
  {
    /* get physical window dimensions */
    /*
      double vpsizeu, vpsizev;
      const int *size = this->VTKWindow->GetSize();
      vpsizeu = size[0]*(this->Viewport[2] - this->Viewport[0]);
      vpsizev = size[1]*(this->Viewport[3] - this->Viewport[1]);

      u = u/(vpsizeu - 1.0);
      v = v/(vpsizev - 1.0);
    */
    const int* size = this->GetSize();
    if (size && size[0] != 0 && size[1] != 0)
    {
      u = u / size[0];
      v = v / size[1];
    }
  }
}

结论：

? ? ? ? 理解坐标变换是VTK用好的基础，小伙伴一定要理解。

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