FEAT: Full 3d anisotropic implementation of marching cubes

Also includes surface area calculation algorithm from
generated mesh.
Convenient output to visualize with `mayavi.mlab`.
Efficient Cython implementation.
This commit is contained in:
Josh Warner (Mac)
2013-03-16 21:12:13 -05:00
parent 55e42309b8
commit 5eba5a42a7
2 changed files with 1124 additions and 0 deletions
+924
View File
@@ -0,0 +1,924 @@
#cython: cdivision=True
#cython: boundscheck=False
#cython: nonecheck=False
#cython: wraparound=False
import numpy as np
cimport numpy as cnp
cdef inline double _get_fraction(double from_value, double to_value,
double level):
if (to_value == from_value):
return 0
return ((level - from_value) / (to_value - from_value))
def iterate_and_store_3d(cnp.ndarray[double, ndim=3] arr,
double level, tuple sampling=(1., 1., 1.)):
"""Iterate across the given array in a marching-cubes fashion,
looking for volumes with edges that cross 'level'. If such a volume is
found, appropriate triangulations are added to a growing list of
triangles to be returned by the function.
If `sampling` is not provided, vertices are returned in the indexing
coordinate system (assuming all 3 spatial dimensions sampled equally).
If `sampling` is provided, vertices will be returned in volume coordinates
relative to the origin, regularly spaced as specified in each dimension.
"""
if arr.shape[0] < 2 or arr.shape[1] < 2 or arr.shape[2] < 2:
raise ValueError("Input array must be at least 2x2x2.")
if len(sampling) != 3:
raise ValueError("`sampling` must be of form (double, double, double)")
cdef list tri_list = []
cdef list norm_list = []
cdef Py_ssize_t n
cdef bint odd_sampling, plus_z
plus_z = False
if ((sampling == (1., 1., 1.)) or
(sampling == (1., 1., 1)) or
(sampling == (1., 1, 1.)) or
(sampling == (1, 1., 1.)) or
(sampling == (1, 1, 1.)) or
(sampling == (1., 1, 1)) or
(sampling == (1, 1., 1)) or
(sampling == (1, 1, 1))):
odd_sampling = False
else:
odd_sampling = True
# The plan is to iterate a 2x2x2 cube across the input array. This means
# the upper-left corner of the cube needs to iterate across a sub-array
# of size one-less-large in each direction (so we can get away with no
# bounds checking in Cython). The cube is represented by eight vertices:
# v1, v2, ..., v8, oriented thus (see Lorensen, Figure 4):
#
# v8 ------ v7
# / | / | y
# / | / | ^ z
# v4 ------ v3 | | /
# | v5 ----|- v6 |/ (note: NOT right handed!)
# | / | / ----> x
# |/ | /
# v1 ------ v2
#
# We also maintain the current 2D coordinates for v1, and ensure the array
# is of type 'double' and is C-contiguous (last index varies fastest).
# Coords start at (0, 0, 0).
cdef Py_ssize_t[3] coords
coords[0] = 0
coords[1] = 0
coords[2] = 0
# Extract doubles from `sampling` for speed
cdef double[3] sampling2
sampling2[0] = sampling[0]
sampling2[1] = sampling[1]
sampling2[2] = sampling[2]
# Calculate the number of iterations we'll need
cdef Py_ssize_t num_cube_steps = ((arr.shape[0] - 1) *
(arr.shape[1] - 1) *
(arr.shape[2] - 1))
cdef unsigned char cube_case = 0
cdef tuple e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10, e11, e12
cdef double v1, v2, v3, v4, v5, v6, v7, v8, r0, r1, c0, c1, d0, d1
cdef Py_ssize_t x0, y0, z0, x1, y1, z1
e5, e6, e7, e8 = (0, 0, 0), (0, 0, 0), (0, 0, 0), (0, 0, 0)
for n in range(num_cube_steps):
# There are 255 unique values for `cube_case`. This algorithm follows
# the Lorensen paper in vertex and edge labeling, however, it should
# be noted that Lorensen used a left-handed coordinate system while
# NumPy uses a proper right handed system. Transforming between these
# coordinate systems was handled in the definitions of the cube
# vertices v1, v2, ..., v8.
#
# Refer to the paper, figure 4, for cube edge designations e1, ... e12
# Standard Py_ssize_t coordinates for indexing
x0, y0, z0 = coords[0], coords[1], coords[2]
x1, y1, z1 = x0 + 1, y0 + 1, z0 + 1
if odd_sampling:
# These doubles are the modified world coordinates; they are only
# calculated if non-default `sampling` provided.
r0 = coords[0] * sampling2[0]
c0 = coords[1] * sampling2[1]
d0 = coords[2] * sampling2[2]
r1 = r0 + sampling2[0]
c1 = c0 + sampling2[1]
d1 = d0 + sampling2[2]
else:
r0, c0, d0, r1, c1, d1 = x0, y0, z0, x1, y1, z1
# We use a right-handed coordinate system, UNlike the paper, but want
# to index in agreement - the coordinate adjustment takes place here.
v1 = arr[x0, y0, z0]
v2 = arr[x1, y0, z0]
v3 = arr[x1, y1, z0]
v4 = arr[x0, y1, z0]
v5 = arr[x0, y0, z1]
v6 = arr[x1, y0, z1]
v7 = arr[x1, y1, z1]
v8 = arr[x0, y1, z1]
# Unique triangulation cases
cube_case = 0
if (v1 > level): cube_case += 1
if (v2 > level): cube_case += 2
if (v3 > level): cube_case += 4
if (v4 > level): cube_case += 8
if (v5 > level): cube_case += 16
if (v6 > level): cube_case += 32
if (v7 > level): cube_case += 64
if (v8 > level): cube_case += 128
if (cube_case != 0 and cube_case != 255):
# Only do anything if there's a plane intersecting the cube.
# Cases 0 and 255 are entirely below/above the contour.
if cube_case > 127:
cube_case = 255 - cube_case
# Calculate cube edges, to become triangulation vertices.
# If we moved in a convenient direction, save 1/3 of the effort by
# re-assigning prior results.
if plus_z:
# Reassign prior calculated edges
e1 = e5
e2 = e6
e3 = e7
e4 = e8
else:
# Calculate edges normally
if odd_sampling:
e1 = r0 + _get_fraction(v1, v2, level) * sampling2[0], c0, d0
e2 = r1, c0 + _get_fraction(v2, v3, level) * sampling2[1], d0
e3 = r0 + _get_fraction(v4, v3, level) * sampling2[0], c1, d0
e4 = r0, c0 + _get_fraction(v1, v4, level) * sampling2[1], d0
else:
e1 = r0 + _get_fraction(v1, v2, level), c0, d0
e2 = r1, c0 + _get_fraction(v2, v3, level), d0
e3 = r0 + _get_fraction(v4, v3, level), c1, d0
e4 = r0, c0 + _get_fraction(v1, v4, level), d0
# These must be calculated at each point uunless we implemented a
# large, growing lookup table for all adjacent values; could save
# ~30% in terms of runtime at the expense of memory usage and
# much greater complexity.
if odd_sampling:
e5 = r0 + _get_fraction(v5, v6, level) * sampling2[0], c0, d1
e6 = r1, c0 + _get_fraction(v6, v7, level) * sampling2[1], d1
e7 = r0 + _get_fraction(v8, v7, level) * sampling2[0], c1, d1
e8 = r0, c0 + _get_fraction(v5, v8, level) * sampling2[1], d1
e9 = r0, c0, d0 + _get_fraction(v1, v5, level) * sampling2[2]
e10 = r1, c0, d0 + _get_fraction(v2, v6, level) * sampling2[2]
e11 = r0, c1, d0 + _get_fraction(v4, v8, level) * sampling2[2]
e12 = r1, c1, d0 + _get_fraction(v3, v7, level) * sampling2[2]
else:
e5 = r0 + _get_fraction(v5, v6, level), c0, d1
e6 = r1, c0 + _get_fraction(v6, v7, level), d1
e7 = r0 + _get_fraction(v8, v7, level), c1, d1
e8 = r0, c0 + _get_fraction(v5, v8, level), d1
e9 = r0, c0, d0 + _get_fraction(v1, v5, level)
e10 = r1, c0, d0 + _get_fraction(v2, v6, level)
e11 = r0, c1, d0 + _get_fraction(v4, v8, level)
e12 = r1, c1, d0 + _get_fraction(v3, v7, level)
# Append appropriate triangles to the growing output `tri_list`
_append_tris(tri_list, cube_case, e1, e2, e3, e4, e5,
e6, e7, e8, e9, e10, e11, e12)
# Advance the coords indices
if coords[2] < arr.shape[2] - 2:
coords[2] += 1
plus_z = True
elif coords[1] < arr.shape[1] - 2:
coords[1] += 1
coords[2] = 0
plus_z = False
else:
coords[0] += 1
coords[1] = 0
coords[2] = 0
plus_z = False
return tri_list
def _append_tris(list tri_list, unsigned char case, tuple e1, tuple e2,
tuple e3, tuple e4, tuple e5, tuple e6, tuple e7, tuple e8,
tuple e9, tuple e10, tuple e11, tuple e12):
# Permits recursive use for duplicated planes to conserve code - it's
# quite long enough as-is.
if (case == 1):
# front lower left corner
tri_list.append([e1, e4, e9])
elif (case == 2):
# front lower right corner
tri_list.append([e10, e2, e1])
elif (case == 3):
# front lower plane
tri_list.append([e2, e4, e9])
tri_list.append([e2, e9, e10])
elif (case == 4):
# front upper right corner
tri_list.append([e12, e3, e2])
elif (case == 5):
# lower left, upper right corners
_append_tris(tri_list, 1, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 4, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 6):
# front right plane
tri_list.append([e12, e3, e1])
tri_list.append([e12, e1, e10])
elif (case == 7):
# Shelf including v1, v2, v3
tri_list.append([e3, e4, e12])
tri_list.append([e4, e9, e12])
tri_list.append([e12, e9, e10])
elif (case == 8):
# front upper left corner
tri_list.append([e3, e11, e4])
elif (case == 9):
# front left plane
tri_list.append([e3, e11, e9])
tri_list.append([e3, e9, e1])
elif (case == 10):
# upper left, lower right corners
_append_tris(tri_list, 2, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 8, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 11):
# Shelf including v4, v1, v2
tri_list.append([e3, e11, e2])
tri_list.append([e11, e10, e2])
tri_list.append([e11, e9, e10])
elif (case == 12):
# front upper plane
tri_list.append([e11, e4, e12])
tri_list.append([e2, e4, e12])
elif (case == 13):
# Shelf including v1, v4, v3
tri_list.append([e11, e9, e12])
tri_list.append([e12, e9, e1])
tri_list.append([e12, e1, e2])
elif (case == 14):
# Shelf including v2, v3, v4
tri_list.append([e11, e10, e12])
tri_list.append([e11, e4, e10])
tri_list.append([e4, e1, e10])
elif (case == 15):
# Plane parallel to x-axis through middle
tri_list.append([e11, e9, e12])
tri_list.append([e12, e9, e10])
elif (case == 16):
# back lower left corner
tri_list.append([e8, e9, e5])
elif (case == 17):
# lower left plane
tri_list.append([e4, e1, e8])
tri_list.append([e8, e1, e5])
elif (case == 18):
# lower left back, lower right front corners
_append_tris(tri_list, 16, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 2, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 19):
# Shelf including v1, v2, v5
tri_list.append([e8, e4, e2])
tri_list.append([e8, e2, e10])
tri_list.append([e8, e10, e5])
elif (case == 20):
# lower left back, upper right front corners
_append_tris(tri_list, 16, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 4, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 21):
# lower left plane + upper right front corner, v1, v3, v5
_append_tris(tri_list, 17, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 4, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 22):
# front right plane + lower left back corner, v2, v3, v5
_append_tris(tri_list, 16, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 6, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 23):
# Rotated case 14 in the paper
tri_list.append([e3, e10, e8])
tri_list.append([e3, e10, e12])
tri_list.append([e8, e10, e5])
tri_list.append([e3, e4, e8])
elif (case == 24):
# upper front left, lower back left corners
_append_tris(tri_list, 16, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 8, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 25):
# Shelf including v1, v4, v5
tri_list.append([e1, e5, e3])
tri_list.append([e3, e8, e11])
tri_list.append([e3, e5, e8])
elif (case == 26):
# Three isolated corners
_append_tris(tri_list, 2, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 8, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 16, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 27):
# Full corner v1, case 9 in paper: (v1, v2, v4, v5)
tri_list.append([e11, e3, e2])
tri_list.append([e11, e2, e10])
tri_list.append([e10, e11, e8])
tri_list.append([e8, e5, e10])
elif (case == 28):
# upper front plane + corner v5
_append_tris(tri_list, 16, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 12, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 29):
# special case of 11 in the paper: (v1, v3, v4, v5)
tri_list.append([e11, e5, e2])
tri_list.append([e11, e12, e2])
tri_list.append([e11, e5, e8])
tri_list.append([e2, e1, e5])
elif (case == 30):
# Shelf (v2, v3, v4) and lower left back corner
_append_tris(tri_list, 14, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 16, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 31):
# Shelf: (v6, v7, v8) by inversion
tri_list.append([e11, e12, e10])
tri_list.append([e11, e8, e10])
tri_list.append([e8, e10, e5])
elif (case == 32):
# lower right back corner
tri_list.append([e6, e5, e10])
elif (case == 33):
# lower right back, lower left front corners
_append_tris(tri_list, 1, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 32, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 34):
# lower right plane
tri_list.append([e1, e2, e5])
tri_list.append([e2, e6, e5])
elif (case == 35):
# Shelf: v1, v2, v6
tri_list.append([e4, e2, e6])
tri_list.append([e4, e9, e6])
tri_list.append([e6, e9, e5])
elif (case == 36):
# upper right front, lower right back corners
_append_tris(tri_list, 32, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 4, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 37):
# lower left front, upper right front, lower right back corners
_append_tris(tri_list, 32, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 4, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 1, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 38):
# Shelf: v2, v3, v6
tri_list.append([e3, e1, e5])
tri_list.append([e3, e5, e12])
tri_list.append([e12, e5, e6])
elif (case == 39):
# Full corner v2: (v1, v2, v3, v6)
tri_list.append([e3, e4, e5])
tri_list.append([e4, e9, e5])
tri_list.append([e3, e5, e6])
tri_list.append([e3, e12, e6])
elif (case == 40):
# upper left front, lower right back corners
_append_tris(tri_list, 32, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 8, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 41):
# front left plane, lower right back corner
_append_tris(tri_list, 32, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 9, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 42):
# lower right plane, upper front left corner
_append_tris(tri_list, 8, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 34, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 43):
# Rotated case 11 in paper
tri_list.append([e11, e3, e9])
tri_list.append([e3, e9, e6])
tri_list.append([e3, e2, e6])
tri_list.append([e9, e5, e6])
elif (case == 44):
# upper front plane, lower right back corner
_append_tris(tri_list, 12, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 32, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 45):
# Shelf: (v1, v3, v4) + lower right back corner
_append_tris(tri_list, 13, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 32, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 46):
# Rotated case 14 in paper
tri_list.append([e4, e11, e12])
tri_list.append([e4, e12, e5])
tri_list.append([e12, e5, e6])
tri_list.append([e4, e5, e1])
elif (case == 47):
# Shelf: (v5, v8, v7) by inversion
tri_list.append([e11, e9, e12])
tri_list.append([e12, e9, e5])
tri_list.append([e12, e5, e6])
elif (case == 48):
# Back lower plane
tri_list.append([e9, e10, e6])
tri_list.append([e9, e6, e8])
elif (case == 49):
# Shelf: (v1, v5, v6)
tri_list.append([e4, e8, e6])
tri_list.append([e4, e6, e1])
tri_list.append([e6, e1, e10])
elif (case == 50):
# Shelf: (v2, v5, v6)
tri_list.append([e8, e6, e2])
tri_list.append([e8, e2, e1])
tri_list.append([e8, e9, e1])
elif (case == 51):
# Plane through middle of cube, parallel to x-z axis
tri_list.append([e4, e8, e2])
tri_list.append([e8, e2, e6])
elif (case == 52):
# Back lower plane, and front upper right corner
_append_tris(tri_list, 48, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 4, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 53):
# Shelf (v1, v5, v6) and front upper right corner
_append_tris(tri_list, 49, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 4, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 54):
# Rotated case 11 from paper (v2, v3, v5, v6)
tri_list.append([e1, e9, e3])
tri_list.append([e9, e3, e6])
tri_list.append([e9, e8, e6])
tri_list.append([e12, e3, e6])
elif (case == 55):
# Shelf: (v4, v8, v7) by inversion
tri_list.append([e4, e8, e6])
tri_list.append([e4, e6, e3])
tri_list.append([e6, e3, e12])
elif (case == 56):
# Back lower plane + upper left front corner
_append_tris(tri_list, 48, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 8, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 57):
# Rotated case 14 from paper (v4, v1, v5, v6)
tri_list.append([e3, e11, e8])
tri_list.append([e3, e8, e10])
tri_list.append([e10, e6, e8])
tri_list.append([e3, e1, e10])
elif (case == 58):
# Shelf: (v2, v6, v5) + upper left front corner
_append_tris(tri_list, 50, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 8, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 59):
# Shelf: (v3, v7, v8) by inversion
tri_list.append([e2, e6, e8])
tri_list.append([e8, e2, e3])
tri_list.append([e8, e3, e11])
elif (case == 60):
# AMBIGUOUS CASE: parallel planes (front upper, back lower)
_append_tris(tri_list, 48, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 12, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 61):
# Upper back plane + lower right front corner by inversion
_append_tris(tri_list, 63, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 2, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 62):
# Upper back plane + lower left front corner by inversion
_append_tris(tri_list, 63, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 1, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 63):
# Upper back plane
tri_list.append([e11, e12, e6])
tri_list.append([e11, e8, e6])
elif (case == 64):
# Upper right back corner
tri_list.append([e12, e7, e6])
elif (case == 65):
# upper right back, lower left front corners
_append_tris(tri_list, 64, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 1, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 66):
# upper right back, lower right front corners
_append_tris(tri_list, 64, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 2, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 67):
# lower front plane + upper right back corner
_append_tris(tri_list, 64, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 3, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 68):
# upper right plane
tri_list.append([e3, e2, e6])
tri_list.append([e3, e7, e6])
elif (case == 69):
# Upper right plane, lower left front corner
_append_tris(tri_list, 68, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 1, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 70):
# Shelf: (v2, v3, v7)
tri_list.append([e1, e3, e7])
tri_list.append([e1, e10, e7])
tri_list.append([e7, e10, e6])
elif (case == 71):
# Rotated version of case 11 in paper (v1, v2, v3, v7)
tri_list.append([e10, e7, e4])
tri_list.append([e4, e3, e7])
tri_list.append([e10, e4, e9])
tri_list.append([e7, e10, e6])
elif (case == 72):
# upper left front, upper right back corners
_append_tris(tri_list, 64, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 8, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 73):
# front left plane, upper right back corner
_append_tris(tri_list, 64, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 9, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 74):
# Three isolated corners, exactly case 7 in paper
_append_tris(tri_list, 64, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 8, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 2, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 75):
# Shelf: (v1, v2, v4) + upper right back corner
_append_tris(tri_list, 64, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 11, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 76):
# Shelf: (v4, v3, v7)
tri_list.append([e4, e2, e6])
tri_list.append([e4, e11, e7])
tri_list.append([e4, e7, e6])
elif (case == 77):
# Rotated case 14 in paper (v1, v4, v3, v7)
tri_list.append([e11, e9, e1])
tri_list.append([e11, e1, e6])
tri_list.append([e1, e6, e2])
tri_list.append([e11, e6, e7])
elif (case == 78):
# Full corner v3: (v2, v3, v4, v7)
tri_list.append([e1, e4, e7])
tri_list.append([e1, e7, e6])
tri_list.append([e4, e11, e7])
tri_list.append([e1, e10, e6])
elif (case == 79):
# Shelf: (v6, v5, v8) by inversion
tri_list.append([e9, e11, e10])
tri_list.append([e11, e7, e10])
tri_list.append([e7, e10, e6])
elif (case == 80):
# lower left back, upper right back corners (v5, v7)
_append_tris(tri_list, 64, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 16, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 81):
# lower left plane, upper right back corner
_append_tris(tri_list, 64, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 17, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 82):
# isolated corners (v2, v5, v7)
_append_tris(tri_list, 64, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 16, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 2, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 83):
# Shelf: (v1, v2, v5) + upper right back corner
_append_tris(tri_list, 64, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 19, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 84):
# upper right plane, lower left back corner
_append_tris(tri_list, 16, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 68, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 85):
# AMBIGUOUS CASE: upper right and lower left parallel planes
_append_tris(tri_list, 17, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 68, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 86):
# Shelf: (v2, v3, v7) + lower left back corner
_append_tris(tri_list, 70, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 16, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 87):
# Upper left plane + lower right back corner, by inversion
_append_tris(tri_list, 119, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 32, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 88):
# Isolated corners v4, v5, v7
_append_tris(tri_list, 64, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 16, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 8, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 89):
# Shelf: (v1, v4, v5) + isolated corner v7
_append_tris(tri_list, 25, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 64, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 90):
# Four isolated corners v2, v4, v5, v7
_append_tris(tri_list, 2, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 8, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 16, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 64, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 91):
# Three isolated corners, v3, v6, v8 by inversion
_append_tris(tri_list, 4, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 32, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 127, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 92):
# Shelf (v4, v3, v7) + isolated corner v5
_append_tris(tri_list, 76, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 16, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 93):
# Lower right plane + isolated corner v8 by inversion
_append_tris(tri_list, 127, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 34, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 94):
# Isolated corners v1, v6, v8 by inversion
_append_tris(tri_list, 1, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 32, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 127, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 95):
# Isolated corners v6, v8 by inversion
_append_tris(tri_list, 32, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 127, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 96):
# back right plane
tri_list.append([e7, e12, e5])
tri_list.append([e5, e10, e12])
elif (case == 97):
# back right plane + isolated corner v1
_append_tris(tri_list, 96, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 1, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 98):
# Shelf: (v2, v6, v7)
tri_list.append([e1, e7, e5])
tri_list.append([e7, e1, e12])
tri_list.append([e1, e12, e2])
elif (case == 99):
# Rotated case 14 in paper: (v1, v2, v6, v7)
tri_list.append([e9, e2, e7])
tri_list.append([e9, e2, e4])
tri_list.append([e2, e7, e12])
tri_list.append([e7, e9, e5])
elif (case == 100):
# Shelf: (v3, v6, v7)
tri_list.append([e3, e7, e5])
tri_list.append([e3, e5, e2])
tri_list.append([e2, e5, e10])
elif (case == 101):
# Shelf: (v3, v6, v7) + isolated corner v1
_append_tris(tri_list, 100, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 1, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 102):
# Plane bisecting left-right halves of cube
tri_list.append([e1, e3, e7])
tri_list.append([e1, e7, e5])
elif (case == 103):
# Shelf: (v4, v5, v8) by inversion
tri_list.append([e3, e7, e5])
tri_list.append([e3, e5, e4])
tri_list.append([e4, e5, e9])
elif (case == 104):
# Back right plane + isolated corner v4
_append_tris(tri_list, 8, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 96, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 105):
# AMBIGUOUS CASE: back right and front left planes
_append_tris(tri_list, 96, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 9, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 106):
# Shelf: (v2, v6, v7) + isolated corner v4
_append_tris(tri_list, 98, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 8, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 107):
# Back left plane + isolated corner v3 by inversion
_append_tris(tri_list, 4, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 111, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 108):
# Rotated case 11 from paper: (v4, v3, v7, v6)
tri_list.append([e4, e10, e7])
tri_list.append([e4, e10, e2])
tri_list.append([e4, e11, e7])
tri_list.append([e7, e10, e5])
elif (case == 109):
# Back left plane + isolated corner v2 by inversion
_append_tris(tri_list, 111, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 2, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 110):
# Shelf: (v1, v5, v8) by inversion
tri_list.append([e1, e5, e7])
tri_list.append([e1, e7, e11])
tri_list.append([e1, e11, e4])
elif (case == 111):
# Back left plane
tri_list.append([e11, e9, e7])
tri_list.append([e9, e7, e5])
elif (case == 112):
# Shelf: (v5, v6, v7)
tri_list.append([e9, e10, e12])
tri_list.append([e9, e12, e7])
tri_list.append([e9, e7, e8])
elif (case == 113):
# Exactly case 11 from paper: (v1, v5, v6, v7)
tri_list.append([e1, e8, e12])
tri_list.append([e1, e8, e4])
tri_list.append([e8, e7, e12])
tri_list.append([e12, e1, e10])
elif (case == 114):
# Full corner v6: (v2, v6, v7, v5)
tri_list.append([e1, e9, e7])
tri_list.append([e1, e7, e12])
tri_list.append([e1, e12, e2])
tri_list.append([e9, e8, e7])
elif (case == 115):
# Shelf: (v3, v4, v8)
tri_list.append([e2, e4, e8])
tri_list.append([e2, e12, e7])
tri_list.append([e2, e8, e7])
elif (case == 116):
# Rotated case 14 in paper: (v5, v6, v7, v3)
tri_list.append([e9, e2, e7])
tri_list.append([e9, e2, e10])
tri_list.append([e9, e8, e7])
tri_list.append([e2, e3, e7])
elif (case == 117):
# upper left plane + isolated corner v2 by inversion
_append_tris(tri_list, 2, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 119, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 118):
# Shelf: (v1, v4, v8)
tri_list.append([e1, e3, e7])
tri_list.append([e7, e1, e8])
tri_list.append([e1, e8, e9])
elif (case == 119):
# Upper left plane
tri_list.append([e4, e3, e7])
tri_list.append([e4, e8, e7])
elif (case == 120):
# Shelf: (v1, v2, v3) + isolated corner v8
_append_tris(tri_list, 7, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 127, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 121):
# Front right plane + isolated corner v8
_append_tris(tri_list, 6, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 127, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 122):
# Isolated corners v1, v3, v8
_append_tris(tri_list, 1, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 4, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 127, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 123):
# Isolated corners v3, v8
_append_tris(tri_list, 4, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 127, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 124):
# Front lower plane + isolated corner v8
_append_tris(tri_list, 3, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 127, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 125):
# Isolated corners v2, v8
_append_tris(tri_list, 2, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 127)
elif (case == 126):
# Isolated corners v1, v8
_append_tris(tri_list, 1, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
_append_tris(tri_list, 127, e1, e2, e3, e4, e5, e6, e7, e8, e9, e10,
e11, e12)
elif (case == 127):
# Isolated corner v8
tri_list.append([e11, e7, e8])
return
+200
View File
@@ -0,0 +1,200 @@
import numpy as np
from . import _marching_cubes
def marching_cubes(volume, level, sampling=(1., 1., 1.)):
"""
Marching cubes algorithm to find iso-valued surfaces in 3d volumetric data
Parameters
----------
volume : (M, N, P) array of doubles
Input data volume to find isosurfaces. Will be cast to `np.float64` if
not provided in this format.
level : float
Contour value to search for isosurfaces in `volume`.
sampling : length-3 tuple of floats
Voxel spacing in spatial dimensions corresponding to numpy array
indexing dimensions (M, N, P) as in `volume`.
Returns
-------
vert_list : list
Every entry in this list is a unique vertex on the isosurface.
tri_list : list
Every entry in this list is a length-3 list of integers. These
represent triangular faces; the integers in each sub-list correspond
to vertices held in `vert_list`.
Notes
-----
The marching cubes algorithm is implemented as described in [1]_.
A simple explanation is available here::
http://www.essi.fr/~lingrand/MarchingCubes/algo.html
There are several known ambiguous cases in the marching cubes algorithm.
Using point labeling as in [1]_, Figure 4, as shown:
v8 ------ v7
/ | / | y
/ | / | ^ z
v4 ------ v3 | | /
| v5 ----|- v6 |/ (note: NOT right handed!)
| / | / ----> x
|/ | /
v1 ------ v2
Most notably, if v4, v8, v2, and v6 are all >= `level` (or any
generalization of this case) two parallel planes are generated by this
algorithm, separating v4 and v8 from v2 and v6. An equally valid
interpretation would be a single connected thin surface enclosing all
four points. This is the best known ambiguity, though there are others.
This algorithm does not attempt to resolve such ambiguities; it is a naive
implementation of marching cubes as in [1]_, but may be a good beginning
for work with more recent techniques (Dual Marching Cubes, Extended
Marching Cubes, Cubic Marching Squares, etc.).
Because of interactions between neighboring cubes, the isosurface(s)
generated by this algorithm are NOT guaranteed to be closed, particularly
for complicated contours. Furthermore, this algorithm does not guarantee
a single contour will be returned. Indeed, ALL isosurfaces which cross
`level` will be found, regardless of connectivity.
The output is a triangular mesh consisting of a set of unique vertices and
connecting triangles. The order of these vertices and triangles in the
output list is determined by the position of the smallest ``x,y,z`` (in
lexicographical order) coordinate in the contour. This is a side-effect
of how the input array is traversed, but can be relied upon.
To quantify the area of an isosurface generated by this algorithm, pass
the output directly into `skimage.measure.mesh_surface_area`.
Regarding visualization of algorithm output, the ``mayavi`` package
is recommended. To contour a volume named `myvolume` about the level 0.0:
>>> from mayavi import mlab
>>> verts, tris = marching_cubes(myvolume, 0.0, (1., 1., 2.))
>>> mlab.triangular_mesh([vert[0] for vert in verts],
[vert[1] for vert in verts],
[vert[2] for vert in verts],
tris)
>>> mlab.show()
References
----------
.. [1] Lorensen, William and Harvey E. Cline. Marching Cubes: A High
Resolution 3D Surface Construction Algorithm. Computer Graphics
(SIGGRAPH 87 Proceedings) 21(4) July 1987, p. 163-170).
See Also
--------
skimage.measure.mesh_surface_area
"""
# Check inputs
if volume.ndim != 3:
raise ValueError("Input volume must be 3d.")
if volume.dtype.kind == 'f':
volume = volume.astype(np.float)
else:
from skimage.util import img_as_float
# If incorrect type provided, convert BOTH contour value and input
# volume using same method
level = img_as_float(np.array(level, dtype=volume.dtype))[0]
volume = img_as_float(volume)
# Extract raw triangles using marching cubes in Cython
# Returns a list of length-3 lists, each sub-list containing three
# tuples. The tuples hold (x, y, z) coordinates for triangle vertices.
# Note: this algorithm is fast, but returns degenerate "triangles" which
# have repeated vertices - and equivalent vertices are redundantly
# placed in every triangle they connect with.
raw_tris = _marching_cubes.iterate_and_store_3d(volume, float(level),
sampling)
# Find and collect unique vertices, storing triangle verts as indices.
# Removes much redundancy and eliminates degenerate "triangles".
vert_list, tri_list = _unpack_unique_verts(raw_tris)
return vert_list, tri_list
def _unpack_unique_verts(trilist):
"""
Converts a list of lists of tuples corresponding to triangle vertices into
a unique vertex list, and a list of triangle faces w/indices corresponding
to entries of the vertex list.
"""
idx = 0
vert_index = {}
vert_list = []
tri_list = []
# Iterate over triangles
for i in range(len(trilist)):
templist = []
# Only parse vertices from non-degenerate triangles
if not ((trilist[i][0] == trilist[i][1]) or
(trilist[i][0] == trilist[i][2]) or
(trilist[i][1] == trilist[i][2])):
# Iterate over vertices within each triangle
for j in range(3):
vert = trilist[i][j]
# Check if a new unique vertex found
if vert not in vert_index:
vert_index[vert] = idx
templist.append(idx)
vert_list.append(vert)
idx += 1
else:
templist.append(vert_index[vert])
tri_list.append(templist)
return vert_list, tri_list
def mesh_surface_area(verts, tris):
"""
Compute surface area, given vertices & triangular faces
Parameters
----------
verts : list
List of length-3 NumPy arrays containing vertex coordinates.
Units in each dimension should be consistent.
tris : list
List of length-3 lists of integers, referencing vertex coordinates as
provided in `verts`
Returns
-------
area : float
Surface area of mesh. Units in coordinates maintained, but squared.
Notes
-----
The arguments expected by this function are the exact outputs from
`skimage.measure.marching_cubes`. For unit correct output, ensure correct
`spacing` was passed to `skimage.measure.marching_cubes`.
See Also
--------
skimage.measure.marching_cubes
"""
# Define two vector arrays `a` and `b` from triangle vertices
actual_verts = np.array([[verts[i] for i in tri] for tri in tris])
a = actual_verts[:, 0, :] - actual_verts[:, 1, :]
b = actual_verts[:, 0, :] - actual_verts[:, 2, :]
del actual_verts
# Area of triangle = 1/2 * Euclidean norm of cross product
return ((np.cross(a, b) ** 2).sum(axis=1) ** 0.5).sum() / 2.