VTK图形图像开发进阶-03VTK基本数据结构_vtk图形图像开发 csdn

3.1 可视化数据的基本特点

1.离散性

       为了让计算机能够获取、处理和分析数据，必须对无限、连续的空间体进行采样，生成有限的采样数据点，这些数据以离散点的形式存储，采样的过程是一个离散化的过程。由于可视化数据的离散性特点，在某些离散点上有精确的值存在，但点与点之间的值则是不可知的，要得到采样点之外的其他点的值，只有通过插值(Interpolation) 的方法获取。常用的插值方法是线性插值，要得到更精确的数值可以采用非线性插值。

2.数据具有规则或不规则的结构（结构化或非结构化）

        规则结构数据点之间有固定的关联关系，可以通过这些关联确定每个点的坐标，不规则结构数据之间没有固定的关联关系。对于规则结构的数据，在储时不必存储所有数据点，只需存储起始点，相邻两点之 间的间隔以及点的总数就可以保存完整的数据信息。对于不规则结构的数据，虽然不可以像规则结构的数据那样存储，但它也有自身的优势，即在数据变化频繁的区域可以密集表示，而数据变化不频繁的区域则稀疏表示。规则结构的数据可以在存储及计算时占优势，不规则结构的数据虽然在存储和计算时不能像规则结构那样高效，但它在数据表达方面相对而言更加自由、细致、灵活。

3.数据具有维度

        可视化数据的第三个特点是拓扑维度(Topological Dimension)。可视化数据具有零维、一维、二维、三维等任意维度，例如，零维数据表现为点，- -维数据表现为曲线。 二维数据表现为曲面、三维数据表现为体等。数据的维度决定了数据可视化的方法。

3.2数据对象和数据集

3.2.1 vtkDataObject

1.数据一般以数据对象（类vtkDataObject）的形式表现，数据对象是数据的基合，数据对象表现的数据是可以被可视化管线处理的数据，只有当数据对象被组织成一种结构后，才能被VTK提供的可视化算法所处理。

3.3.2 vtkDataSet

1.将数据对象组织成一种结构并且赋予相应的属性值，就形成了数据集（Dataset）

2.vtkDataSet由两个部分组成，即组织结构和与组织结构相关联的属性数据。

3.组织结构包括拓扑结构和几何结构

拓扑结构描述了对象的构成形式——点数据的连接形式形成单元数据，有单元数据形成了数据集的拓扑结构

几何结构描述了对象的空间位置关系——点数据所定义的一些列坐标构成了vtkDataset数据集的几何结构

4.属性数据是对拓扑结构和结合结构信息的补充，属性数据可以是每个空间点的温度值，也可以看作某个单元的质量等。

5.示例——如何将几何结构和拓扑结构加入数据集中

（1）将几何结构加入数据集

        先创建一个点数据（vtkPoints），里面含有三个点，再创建一个具体数据集（vtkPolyData）然后将创建的点加入数据集，最后把vtkPolyData的数据用类vtkPolyDataWriter写入triangle.vtk文件，保存路径为工程的当前目录。

        可以利用ParaView软件打开.vtk文件。

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkPoints.h>
#include <vtkPolyData.h>
#include <vtkPolyDataWriter.h>
 
int main(int argc, char* argv[])
{
 
	// 创建点数据
	vtkSmartPointer<vtkPoints> points =
				vtkSmartPointer<vtkPoints>::New();
	points->InsertNextPoint(1.0, 0.0, 0.0);
	points->InsertNextPoint(0.0, 0.0, 0.0);
	points->InsertNextPoint(0.0, 1.0, 0.0);
 
	// 创建vtkPolyData类型数据，vtkPolyData派生自vtkPointSet
	// vtkPointSet是vtkDataSet子类，即vtkPolyData是一种数据集
	vtkSmartPointer<vtkPolyData> polyData =
		vtkSmartPointer<vtkPolyData>::New();
 
	// 将创建的点数据加入到vtkPolyData数据里
	polyData->SetPoints(points);
 
	//将vtkPolyData类型的数据写入到一个vtk文件，保存位置是工程当前目录
	vtkSmartPointer<vtkPolyDataWriter> writer =
		vtkSmartPointer<vtkPolyDataWriter>::New();
	writer->SetFileName("triangle.vtk");
	writer->SetInputData(polyData);
	writer->Write();
 
	return 0;
 
}

（2）将拓扑结构加入数据集

        以下示例实例化了一个vtkCellArray对象，其中vtkCellArray类型中的vertices就是指定数据集polydata的拓扑结构，points定义几何结构。

        该示例中定义的数据集的拓扑结构为零维的点，单元类型为vertices

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkPoints.h>
#include <vtkCellArray.h>
#include <vtkPolyData.h>
#include <vtkPolyDataWriter.h>
 
int main(int argc, char* argv[])
{
 
	// 创建点坐标
	double X[3] = { 1.0, 0.0, 0.0 };
	double Y[3] = { 0.0, 0.0, 0.0 };
	double Z[3] = { 0.0, 1.0, 0.0 };
 
	// 创建点数据以及在每个点坐标上加入顶点（Vertex）类型的单元
	// vtkPointSet是vtkDataSet子类，即vtkPolyData是一种数据集
	vtkSmartPointer<vtkPoints> points =
						vtkSmartPointer<vtkPoints>::New();
	vtkSmartPointer<vtkCellArray> vertices =
		vtkSmartPointer<vtkCellArray>::New();
 
	for (unsigned int i = 0; i < 3; ++i)
	{
		// 定义用于存储点索引的中间变量，vtkIdType就相当于int long等类型
		vtkIdType pid[1];
 
		// 把每个点坐标加入vtkPoints中，InsertNextPoints()返回加入的点的索引号
		// 下面需要使用这个索引号来创建顶点类型的单元
		pid[0] = points->InsertNextPoint(X[i], Y[i], Z[i]);
 
		// 在每个坐标点上分别创建一个顶点，顶点是单元（Cell）里的一种类型
		vertices->InsertNextCell(1, pid);
 
	}
	// 创建vtkPolyData对象
	vtkSmartPointer<vtkPolyData> polyData =
		vtkSmartPointer<vtkPolyData>::New();
 
	// 指定数据集的几何结构（由points指定）以及数据集的拓扑结构（由vertices指定）
	polyData->SetPoints(points);
	polyData->SetVerts(vertices);
 
	//将生成的数据集写入到TriangleVerts.vtk文件，保存位置是工程当前目录
	vtkSmartPointer<vtkPolyDataWriter> writer =
		vtkSmartPointer<vtkPolyDataWriter>::New();
	writer->SetFileName("TriangleVerts.vtk");
	writer->SetInputData(polyData);
	writer->Write();
 
	return 0;
 
}

        该示例定义的是一维拓扑结构。 

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkPoints.h>
#include <vtkLine.h>
#include <vtkPolyData.h>
#include <vtkPolyDataWriter.h>
 
int main(int argc, char* argv[])
{
 
	// 创建三个坐标点
	vtkSmartPointer<vtkPoints> points =
		vtkSmartPointer<vtkPoints>::New();
	points->InsertNextPoint(1.0, 0.0, 0.0); // 返回第一个点的ID：0
	points->InsertNextPoint(0.0, 0.0, 0.0); // 返回第一个点的ID：1
	points->InsertNextPoint(0.0, 1.0, 0.0); // 返回第一个点的ID：2
	
	// 每两个坐标点之间分别创建一条线
	// SetId()的第一个参数是线段的端点ID，第二个参数是连接的点ID
	vtkSmartPointer<vtkLine> line0 =
		vtkSmartPointer<vtkLine>::New();
	line0->GetPointIds()->SetId(0, 0);
	line0->GetPointIds()->SetId(1,1);
 
	vtkSmartPointer<vtkLine> line1 =
		vtkSmartPointer<vtkLine>::New();
	line1->GetPointIds()->SetId(0, 1);
	line1->GetPointIds()->SetId(1, 2);
 
	vtkSmartPointer<vtkLine> line2 =
		vtkSmartPointer<vtkLine>::New();
	line2->GetPointIds()->SetId(0, 2);
	line2->GetPointIds()->SetId(1, 0);
 
	// 创建单元数组，用于存储以上创建的线段
	vtkSmartPointer<vtkCellArray> lines =
		vtkSmartPointer<vtkCellArray>::New();
	lines->InsertNextCell(line0);
	lines->InsertNextCell(line1);
	lines->InsertNextCell(line2);
 
	// 创建vtkPolyData对象
	vtkSmartPointer<vtkPolyData> polyData =
		vtkSmartPointer<vtkPolyData>::New();
 
	// 指定数据集的几何结构（由points指定）以及数据集的拓扑结构（由lines指定）
	polyData->SetPoints(points);
	polyData->SetVerts(lines);
 
	//将生成的数据集写入到TriangleVerts.vtk文件，保存位置是工程当前目录
	vtkSmartPointer<vtkPolyDataWriter> writer =
		vtkSmartPointer<vtkPolyDataWriter>::New();
	writer->SetFileName("TriangleLines.vtk");
	writer->SetInputData(polyData);
	writer->Write();
 
	return 0;
 
}
 

3.3 单元类型

1.数据集由一个或多个单元组成。一系列有序的点按指定类型连接所定义的结构就是单元。

2.单元是由单元的类型和构成的定点列表（由点的检索号表示）两部分构成。

3.3.1 线性单元

(a）VTK_VERTEX。顶点，零维的基本类型。

(b）VTK_POLY_VERTEX。多顶点，多个顶点组成，零维的基本类型。

(c）VTK_LINE。直线，一维的基本类型，方向由第一个点指向第二个点。

(d）VTK_POLY_LINE。折线

(e）VTK_TRIANGLE 三角形，三个点逆时针防线连接

(f）VTK_TRIANGLE_STRIP 三角形条带

(g）VTK_QUAD。四边形，二维的基本类型,非自交的凸多边形

(h）VTK_PIXEL。二维的基本类型

(i）VTK_POLYGON。多边形，二维的基本类型，逆时针方向顺序定义，可以是非凸的

(j）VTK_TETRA。四面体，三维的基本类型

(k）VTK_HEXAHEDRON。六面体，三维的基本类型

(l）VTK_VOXEL。三维的基本类型

(m）VTK_WEDGE。楔形，三维的基本类型

(n）VTK_PYRAMID 。角椎体

(o)VTK_PENTAGONAL_PRISM 。五棱柱

(p)VTK_HEXAGONAL_PRISM。六角柱

3.3.2 非线性单元

        非线性单元常见的处理方式是将非线性单元细分成线性单元，再把细分结果当作线性单元处理，采用固定细分的方法。

3.4 属性数据

        属性数据主要用于描述数据集的属性特征，对数据集的可视化实质上就是对属性数据的可视化。在VTK中，用vtkPointData类和vtkCellDta类表达数据集属性，他们是类vtkDataSetAttributes（vtkDataSetAttributes派生自vtkFieldData）的子类,构成数据集的每个点（或单元）和属性数据之间存在一对一的关系。

3.4.1 标量数据

        标量数据是数据集里的每个位置具有单值的数据，它只表示数据的大小。例如温度、压力、密度、高度等。

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkPoints.h>
#include <vtkDoubleArray.h>
#include <vtkPolyData.h>
 
int main(int , char* [])
{
 
	// 创建点集数据：包含两个坐标点
	vtkSmartPointer<vtkPoints> points =
		vtkSmartPointer<vtkPoints>::New();
	points->InsertNextPoint(0, 0, 0); // 返回第一个点的ID：0
	points->InsertNextPoint(1, 0, 0); // 返回第一个点的ID：1
 
	// 创建多边形数据
	vtkSmartPointer<vtkPolyData> polyData =
		vtkSmartPointer<vtkPolyData>::New();
	polyData->SetPoints(points);
	
	// 准备加入点数据的标量值，两个标量值分别为1和2
	vtkSmartPointer<vtkDoubleArray> weights =
		vtkSmartPointer<vtkDoubleArray>::New();
	weights->SetNumberOfValues(2);
	weights->SetValue(0, 1);
	weights->SetValue(1, 2);
 
	// 先获取多边形数据的点数据指针，然后设置该点数据的标量属性值
	polyData->GetPointData->SetScalars(weights);
		
	// 输出索引号为0的点标量值
	double weight = vtkDoubleArray::SafeDownCast(
					polyData->GetPointData->GetScalars())->GetValue(0);
	std::cout << "double weight:" << weight << std::endl;
 
	return 0;
 
}
 

        要给数据集里的点数据或单元数据设置标量属性数据，只有先获得该数据集对应的点数据或单元数据，然后设置标量属性数据即可。

GetPointData->SetScalars();

3.4.2 矢量数据

        与物理学的矢量概念一样，VTK的矢量数据也是指既有大小也有方向的量，三维方向上用三元组（Triple）表示为(u, v, w)，如速度、应力、位移等。

       除了矢量数据用三元组表示，颜色等标量数据也会用类似三元组的结构表示。比如，从2.2.3节可知，颜色可以用RGB三个分量表示，RGB分量是构成颜色标量数据的三个组分，尽管颜色vtkColor也是使用vtkVector 容器，但它与矢量数据是有本质区别的。

         标量数据在数据集的几何变换过程中具有不变性。比如，假设有一个矢量数据存储在某个vtkDataSet 数据集里，当使用vtkTransformFilter对该数据集做变换时，希望的结果是该矢量数据也随着数据集的变换而变换;而对于RGB系统的颜色，假如把该颜色的RGB三个分量当成矢量方向的三个方向，对该数据集做变换时，颜色值也会随着变化，对于某一点的颜色，显然需要的结果是变换前后它的值应该保持不变。法向量是指大小恒为1的方向向量，也是一种常用的矢量数据，通常用于计算投影、光照等。当对数据集做变换时，法向量是会随之发生改变的。

3.4.3 纹理坐标

        为了使物体看起来更加真实，计算机图形学通常对显示的三维物体采用纹理映射。纹理坐标可以将点从笛卡儿坐标空间映射到一维、二维或三维的纹理空间中。

3.4.4 张量数据

        张量是矢量和矩阵通过复杂的数学算法得到的，一个k阶的张量可当作一个k维的表格。零阶的张量是标量，一阶的张量是矢量，二阶的张量是纹理坐标，三阶的张量是一个三维阵列，VTK只支持3×3的对称的张量。

3.5 不同类型的数据集

(a)vtkImageData

        vtkImageData类型的数据是按规则排列在矩形方格中的点和单元的集合。如果数据集的点和单元排列在平面（二维）上，则称此数据集为像素映射、位图或图像；如果排列在层叠面（三维）上，则称为体。

(b)vtkRectilinearGrid

        vtkRectilinearGrid类型的数据是排列在矩形方格中的点和单元的集合。线性网格的拓扑结构是规则的，但其几何结构只有部分是规则的。

(c)vtkStructuredGrid

        vtkStructuredGrid是结构化网格数据，是具有规则的拓扑结构和不规则的几何结构。

(d)vtkUnstructuredPoints

        vtkUnstructuredPoints 为非结构化点集，是指不规则地分布在空间的点集。非结构化点集具有不规则的几何结构，不具有拓扑结构，非结构化点集用离散点来表达。

(e)vtkPolyData

        多边形数据集vtkPolyData由顶点、多顶点、线、折线和三角形条带等单元构成，多边形数据是不规则结构的，并且多边形数据集的单元在拓扑维度上有多种类型。

(f)vtkUnstructuredGrid

        vtkUnstructuredPoints为非结构化点集，是指不规则地分布在空间的点集。非结构化点集具有不规则的几何结构，不具有拓扑结构，非结构化点集用离散点来表达。

3.6 数据的存储与表达

3.6.1  vtkDataArray

1.VTK中的内存分配采用连续内存，可以快速的创建、删除和遍历，称之为数据数组（Data Array）,用类vtkDataArray实现。

2.以vtkFloatArray类来说明如何在VTK中实现连续内存的数据数组。变量Array是一个指向浮点型数组的指针，数组的长度由变量Size指定，由于数组的长度是动态地增加的，所以当存储数据的数组长度超出指定的长度时，会自动触发Resize()操作来调整数组的长度，使数组的长度变成原来的两倍，Maxld是一个整型的偏移量，用来定义最后一个被插入的数据的索引。如果没有数据插入，Maxld等于-1，否则，Maxld 的值介于0和Size之间，即О≤MaxId<Size。

3.元组是数据数组的子数组，用于存储数据类型相同的分量数据，元组的组分成为元组的大小。

3.6.2  数据对象的表达