VTK中的三维场景的变换（相机、光源）

1 VTK 中的相机（vtkCamera）的作用和原理：

VTK 相机 基于计算机图形学中的透视投影原理来模拟相机的行为。它定义了一个虚拟相机，可以从不同的角度观察三维场景，并将其投影到屏幕上。
透视投影变换 是一种数学技术，将三维场景中的点转换为屏幕上的二维像素坐标。在透视投影中，相机位于三维空间的某个位置，通过视点（ViewPoint）来定义相机的位置。相机还有一个方向向量，表示相机的观察方向。视点和方向向量共同决定了相机的位置和朝向。

相机的参数：

• Position（相机位置）：光心的位置，相当于小孔相机模型中小孔的位置。可以通过 vtkCamera::SetPosition() 和 vtkCamera::GetPosition() 设置和获取。
• Focal Point（相机焦点）：焦点的位置，用三维坐标表示，默认相机焦点的位置在世界坐标系的原点。通过vtkCamera::SetFocusPoint() 和 vtkCamera::GetFocusPoint() 设置和获取。
• View Up（相机朝向）：ViewUp 指图像的正方向。由 Position 和 Focal Point 确定了相机的实际方向，即确定了相机的视图。
• View Angle（相机视角）：视角，默认是 30°。决定了图像的比例大小，通过设置 vtkCamera::SetViewAngle() 可以对图像进行缩放。
• Front Clipping Plane / Back Clipping Plane（前/后裁剪平面）：只有在这两个剪切平面之间的内容才会被渲染和显示，默认值是 (0.1, 1000)。
• Direction of Projection（投影方向）：一个三维矢量，从光心位置指向焦点位置。它决定了相机的视线方向。
• Azimuth（水平旋转）：要将相机水平翻转（绕垂直轴旋转），您可以使用 vtkCamera::Azimuth(180.0) 方法。这将使相机绕其焦点旋转 180 度，从而实现水平翻转。
• Elevation（垂直旋转）：要实现相机的垂直翻转（绕水平轴旋转），您可以使用 vtkCamera::Roll(180.0) 方法。这将使相机绕其视线方向旋转 180 度，从而实现垂直翻转。
• Zoom（）：通过改变视角的方法放大缩小对象。
• ResetCamera（重置相机）：自适应

示例代码：

import vtk

def create_camera():
    # 创建一个相机
    camera = vtk.vtkCamera()
    # 设置相机位置
    camera.SetPosition(0, 0, 10)
    # 设置相机焦点
    camera.SetFocalPoint(0, 0, 0)
    # 设置相机朝向
    camera.SetViewUp(0, 1, 0)
    # 设置相机视角
    camera.SetViewAngle(30)
    # 设置前/后裁剪平面
    camera.SetClippingRange(0.1, 1000)
    # 在 X 方向上旋转 34 度
    camera.Azimuth(34.0)
    return camera

if __name__ == "__main__":
    # 创建相机
    my_camera = create_camera()
    
    # 打印相机参数
    print("Camera Position:", my_camera.GetPosition())
    print("Camera Focal Point:", my_camera.GetFocalPoint())
    print("Camera View Up:", my_camera.GetViewUp())
    print("Camera View Angle:", my_camera.GetViewAngle())
    print("Camera Clipping Range:", my_camera.GetClippingRange())

2 光源 Light

VTK 中的光源（vtkLight）
作用和原理：
vtkLight 用于模拟三维渲染中的光照效果。它提供了定位光源和方向光源的功能，可以控制光照的亮度、颜色和衰减等属性。
在 VTK 中，光源分为两类：

• 位置光源（Positional Light，也称为聚光灯）：光源位置在渲染场景中的某个位置。您可以指定光照的衰减值、锥角等。
• 方向光源（Directional Light，也称为平行光）：光源位置在无穷远，光线可以认为是平行的，类似自然界中的太阳光。

光源参数：

• 位置（Position）：光源的位置，可以通过 vtkLight::SetPosition(x, y, z) 设置。
• 焦点（Focal Point）：光线的方向，通过 vtkLight::SetFocalPoint(x, y, z) 设置。
• 环境光颜色（Ambient Color）：光源的环境光颜色，通过 vtkLight::SetAmbientColor(r, g, b) 设置。
• 漫反射颜色（Diffuse Color）：光源的漫反射颜色，通过 vtkLight::SetDiffuseColor(r, g, b) 设置。
• 镜面反射颜色（Specular Color）：光源的镜面反射颜色，通过 vtkLight::SetSpecularColor(r, g, b) 设置。

示例代码：

import vtk

def create_light():
    # 创建一个光源
    light = vtk.vtkLight()
    # 设置光源位置
    light.SetPosition(0, 0, 10)
    # 设置光源焦点
    light.SetFocalPoint(0, 0, 0)
    # 设置光源的颜色
    light.SetColor(1, 0, 0)
    # 设置光源环境光颜色
    light.SetAmbientColor(0.2, 0.2, 0.2)
    # 设置光源漫反射颜色
    light.SetDiffuseColor(1.0, 1.0, 1.0)
    # 设置光源镜面反射颜色
    light.SetSpecularColor(1.0, 1.0, 1.0)
    
    return light

if __name__ == "__main__":
    # 创建光源
    my_light = create_light()
    
    # 打印光源参数
    print("Light Position:", my_light.GetPosition())
    print("Light Focal Point:", my_light.GetFocalPoint())
    print("Light Ambient Color:", my_light.GetAmbientColor())
    print("Light Diffuse Color:", my_light.GetDiffuseColor())
    print("Light Specular Color:", my_light.GetSpecularColor())