VTK：实现光照效果，从一根线到一个面
VTK：实现光照效果，从一根线到一个面
导读：很多地方需要查看光照度什么的，目前也有很多软件来处理。今天就做了一个关于光照效果的内容。从早上10点开始，到下午3点半，开始写头条号。大概就这么长时间。中午没有休息，没有吃饭。
内容：
1、从一个最简单的案例说起
2、我的Lighting类
3、基本参数设置
4、网格导入和基本初始化（update_grid函数）
5、设置光线（update_lights函数）
6、设置一个场来显示光的作用（update_shadow函数）
7、结果的闪亮登场 可视化
8、结束（附全部代码）
一个简单的操作，如果没有变化，重复一万次，也还是只是一个操作。
一个简单的操作，如果有2个变量，重复一万次，就是一个系统。
1、从一个简单的案例说起
pyvita里有一个案例。寻找从一个点出发与网格相交点的例子。
如图，蓝色的是一根线，与球面相交用点来显示。
这个简单的案例，我们可以先分析一下，为了获得面上的交点，我们需要知道什么。
（1）需要一个起始点
start
（2）需要一个终点，
end，
（3）需要一条直线，
（4）需要明确一个面
（5）求交点
我们看一下这个简单案例的代码：
import pyvista as pv
import numpy as np
# Create source to ray trace
sphere=pv.Sphere(radius=0.85)
# Define line segment
start=[0, 0, 0]
stop=[0.25, 1, 0.5]
# Perform ray trace
points, ind=sphere.ray_trace(start, stop)
# # Create geometry to represent ray trace
ray=pv.Line(start, stop)
intersection=pv.PolyData(points)
#
# # Render the result
p=pv.Plotter()
p.add_mesh(sphere,
show_edges=True, opacity=0.5, color="w",
lighting=False, label="Test Mesh")
p.add_mesh(ray, color="blue", line_width=5, label="Ray Segment")
p.add_mesh(intersection, color="maroon",
point_size=25, label="Intersection Points")
p.add_legend()
p()其实，5,8,9,12这四行就完成了主要的操作。
Line 5：定义了一个球面网格
Line 8-9：定义了起点和终点
Line 12,：ray_trace函数获取交点。
后面都是一些现实的内容。
2、我的Lighting类
我构造了一个类，完全按上面的简单的案例来操作。形成下图的光的效果。
后面蓝色的圆，是终点的显示。
我们先看一下基本结构：
除了一些基本的参数之外，只有三个步骤，也就对应上面的三个函数：
update_grid
update_lights
update_shadow
3、基本参数设置
在__init__函数里，我们定义了9个参数。
输入参数
source 表示点光源的坐标
angle 表示了，点光源扩散的角度，形成一个锥
direction 表示光中心的方向，是一个单位向量
seeds 是为了获取光终点坐标需要的一个数量的参数
除了这四个之外，类的实例变量增加了
grid 用于存储网格数据
distance 设置光锥的长度
nlights 记录光线的个数
seed_polydata 是存储光点的可视化的数据
为了计算两个点之间的距离，我定义了个mag函数
@staticmethod
def mag(start,end):
s=(start[0] - end[0]) ** 2 + (start[1] - end[1]) ** 2 + (start[2] - end[2]) ** 2
return s ** 0.5库里应该是有类似的函数的，不过我就懒得去查了。
还有两个属性
@property
def source_polydata(self):
return pv.PolyData(self.source)
@property
def aim_radius(self):
return np.tan(self.angle) * self.distance第一个生成点光源的可视化数据
第二个，aim_radius是目标终点的半径。
我们是在从点光源出发之后的，底面上散列点，来确定光线个数的。
4、网格导入和基本初始化（update_grid函数）
第一件事，我们得处理一下网格。并且初始化一些游戏下载数据，比如distance之类的。
我们先看一下函数代码：
def update_grid(self,filename):
self.grid=pv.read(filename)
xmin,xmax,ymin,ymax,zmin,zmax=self.grid.bounds
start=[xmin,ymin,zmin]
end=[xmax,ymax,zmax]
dis=self.mag(start,end)
p=[[xmin, ymin, zmin],
[xmin, ymin, zmax],
[xmin, ymax, zmin],
[xmin, ymax, zmax],
[xmax, ymin, zmin],
[xmax, ymin, zmax],
[xmax, ymax, zmin],
[xmax, ymax, zmax]
]
for i in p:
self.distance=max(dis, self.mag(self.source, i))
self.distance=self.distance*1.05（1）从文件读取网格
（2）计算距离，以确定点光源发出的光线和网格的所有的位置要相交
5、设置光线（update_lights函数）
也就是说我们需要提取那些终点的数据。看一下代码：
def update_lights(self):
# 生成面
# 终点中心
end_center=[self.source[0] + self.distance * self.direction[0],
self.source[1] + self.distance * self.direction[1],
self.source[2] + self.distance * self.direction[2]
]
plane=pv.Plane(center=end_center, direction=self.direction,
i_size=2 * self.aim_radius, j_size=2 * self.aim_radius,
i_resolution=self.seeds, j_resolution=self.seeds)
# 定义终点
stops=[]
for point in plane.points:
x1=point[0]
y1=point[1]
z1=point[2]
if self.mag(point, end_center) < self.aim_radius:
stops.append([x1, y1, z1])
self.nlights=len(stops)
self.lights=stops
self.seed_polydata=pv.PolyData(stops)（1）生成一个以底面中心为中心的平面数据。
（2）提取出属于球内的点的数据
（3）生成一个polydata数据，用于可视化
6、设置一个场来显示光的作用（update_shadow函数）
这个名字可能不是很好，光照的地方居然用了shadow这个单词。
同样先看代码：
def update_shadow(self):
shadow_cell_ids=[]
for i in range(self.nlights):
point, ind=self.grid.ray_trace(self.source, self.lights[i])
if len(point) < 1:
pass
else:
a=self.mag(self.source, point[0])
end=ind[0]
for i in point:
if self.mag(self.source, i) < a:
a=self.mag(self.source, i)
end=ind
else:
end=ind[0]
shadow_cell_ids.append(end)
# 创建shadow cell属性
shadow=np.zeros((self.grid.n_cells,))
for i in shadow_cell_ids:
shadow[i]=10
self.grid.cell_arrays['shadow']=shadow（1）生成一个id列表，这个id是由ray_trace生成的，是面的编号列表。
同时，需要说明的是，ray_trace会和面交两个以上的点，我们选择那些最近的，因为光线不会穿越物体。
（2）生成一个shadow的标量属性，在列表内的面，赋值为10，其他为0.
7、结果的闪亮登场 可视化
最后，我们其实综合写了一个update函数。
def update(self,filename):
self.update_grid(filename)
self.update_lights()
self.update_shadow()主要是为了书写方便。
看一下我们调用的方式：
if __name__=='__main__':
source=[3000,0,-2000]
angle=20
direction=[-0.3,0.1,1]
seeds=100
light=Lighting(source,angle,direction,seeds)
light.update('car.stl')
p=pv.Plotter()
p.add_background_image('road.jpg')
#
p.add_mesh(light.source_polydata, color="yellow", point_size=20, render_points_as_spheres=True)
p.add_mesh(light.seed_polydata, color="blue", line_width=5, label="Ray Segment")
p.add_mesh(light.grid, scalars='shadow')
# p.add_legend()
p()设置了四个参数，同时调用update函数，读取了car.stl文件。并且显示出来。
结果就是如上面我们说的那样的效果了。
8、结论
一个小小的功能，放在实际应用中，都会有很多不可思议的东西。其实很多时候，我们所用到的知识并不是那么多。更多的可能是组织形式。
我是张麟博士，大家记得关注，如果大家对什么感兴趣，也可以在留言区回复。
祝好！
最后附上所有的代码：
import pyvista as pv
import numpy as np
class Lighting:
def __init__(self, source, angle, direction, seeds=10):
self.direction=direction
self.source=source
self.angle=angle/180*np.pi
self.seeds=seeds
# 根据输入的网格确定距离
self.grid=None
self.distance=None
# 生成光源种子
self.nlights=None
self.lights=None
self.seed_polydata=None
@staticmethod
def mag(start,end):
s=(start[0] - end[0]) ** 2 + (start[1] - end[1]) ** 2 + (start[2] - end[2]) ** 2
return s ** 0.5
@property
def source_polydata(self):
return pv.PolyData(self.source)
@property
def aim_radius(self):
return np.tan(self.angle) * self.distance
def update_grid(self,filename):
self.grid=pv.read(filename)
xmin,xmax,ymin,ymax,zmin,zmax=self.grid.bounds
start=[xmin,ymin,zmin]
end=[xmax,ymax,zmax]
dis=self.mag(start,end)
p=[[xmin, ymin, zmin],
[xmin, ymin, zmax],
[xmin, ymax, zmin],
[xmin, ymax, zmax],
[xmax, ymin, zmin],
[xmax, ymin, zmax],
[xmax, ymax, zmin],
[xmax, ymax, zmax]
]
for i in p:
self.distance=max(dis, self.mag(self.source, i))
self.distance=self.distance*1.05
def update_lights(self):
# 生成面
# 终点中心
end_center=[self.source[0] + self.distance * self.direction[0],
self.source[1] + self.distance * self.direction[1],
self.source[2] + self.distance * self.direction[2]
]
plane=pv.Plane(center=end_center, direction=self.direction,
i_size=2 * self.aim_radius, j_size=2 * self.aim_radius,
i_resolution=self.seeds, j_resolution=self.seeds)
# 定义终点
stops=[]
for point in plane.points:
x1=point[0]
y1=point[1]
z1=point[2]
if self.mag(point, end_center) < self.aim_radius:
stops.append([x1, y1, z1])
self.nlights=len(stops)
self.lights=stops
self.seed_polydata=pv.PolyData(stops)
def update_shadow(self):
shadow_cell_ids=[]
for i in range(self.nlights):
point, ind=self.grid.ray_trace(self.source, self.lights[i])
if len(point) < 1:
pass
else:
a=self.mag(self.source, point[0])
end=ind[0]
for i in point:
if self.mag(self.source, i) < a:
a=self.mag(self.source, i)
end=ind
else:
end=ind[0]
shadow_cell_ids.append(end)
# 创建shadow cell属性
shadow=np.zeros((self.grid.n_cells,))
for i in shadow_cell_ids:
shadow[i]=10
self.grid.cell_arrays['shadow']=shadow
def update(self,filename):
self.update_grid(filename)
self.update_lights()
self.update_shadow()
if __name__=='__main__':
source=[3000,0,-2000]
angle=20
direction=[-0.3,0.1,1]
seeds=100
light=Lighting(source,angle,direction,seeds)
light.update('car.stl')
p=pv.Plotter()
p.add_background_image('road.jpg')
#
p.add_mesh(light.source_polydata, color="yellow", point_size=20, render_points_as_spheres=True)
p.add_mesh(light.seed_polydata, color="blue", line_width=5, label="Ray Segment")
p.add_mesh(light.grid, scalars='shadow')
# p.add_legend()
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