【vtk学习笔记4】基本数据类型_vtk数据类型

一、可视化数据的基本特点

可视化数据有以下特点：

1. 离散型
   计算机处理的数据是对无限、连续的空间进行采样，生成的有限采样点数据。在某些离散点上有精确的值，但点与点之间值不可知，只有通过插值方式获取
2. 数据具有规则或不规则的结构
   可视化数据分为规则与不规则或称为结构化与非结构化。规则结构数据点之间有固定的关联关系，可以通过这些关系确定每个点的坐标，不规则数据之间没有关联关系。规则结构的数据在存储及计算时占优势，不规则数据在数据表达方面更加自由、灵活、通用
3. 数据具有维度
   可视化数据分为零维、一维、二维、三维甚至更高维，例如零维表现为点，一维数据表现为曲线，二维数据表现为曲面，三维数据表现为体，甚至可以包含时间维度。

二、数据对象vtkDataObject

在VTK中，数据一般以数据对象(类vtkDataObject)的形式表现。数据对象是数据的集合，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提供的可视化算法处理。
VTK里的所有数据结构形式都是从vtkDataObject派生出来，但在实际的应用中，没有直接使用vtkDataObject来实例化数据对象，而是根据具体的可视化数据选用具体的子类实现。

三、vtkDataSet

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)。vtk里与数据集对应的类是vtkDataSet，该类从vtkDataObject直接派生。vtkDataSet由两部分组成：组织结构、属性数据。

组织结构又细分为拓扑结构和几何结构。拓扑结构描述了对象的构成形式，几何结构表述对象的空间位置关系。如点数据定义的一系列坐标点构成了数据集的几何结构；点之间的连接形成单元数据(Cell Data)则是拓扑结构。

属性数据是组织结构数据的补充，可以是空间某点的位移值，温度值等。

四、单元类型

一系列有序的点按指定类型连接所定义的结构就是单元，数据集由一个或多个单元组成。VTK支持的线性和非线性单元如下图：

单元是由单元类型和构成单元的顶点两部分组成。单元类型决定了点集里点的顺序，点的个数是单元是大小Size。单元的线性与非线性的划分主要是以插值函数为依据。VTK里单元类型的定义在vtkCellType.h文件中。

非线性单元提供更加准确的插值函数，可获得更加理想的可视化效果。非线性单元需转换成线性单元才能进行渲染，VTK中是将非线性单元进行细分，将细分结果当初线性单元进行处理。

看个绘制三角形的例子：

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkPolygon.h>
#include <vtkTriangle.h>
#include <vtkCellArray.h>
#include <vtkPolyData.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkActor.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
#include <vtkProperty.h>
#include <vtkNew.h>
#include <iostream>

int main(int argc, char *argv[])
{
    // 几何点
	vtkNew<vtkPoints> points;
	points->InsertNextPoint(0.0, 0.0, 0.0);
	points->InsertNextPoint(1.0, 0.0, 0.0);
	points->InsertNextPoint(1.0, 1.0, 0.0);

    // 多边形单元，有三个顶点
	vtkNew<vtkPolygon> polygon;
	polygon->GetPointIds()->SetNumberOfIds(3);
	polygon->GetPointIds()->SetId(0, 0);
	polygon->GetPointIds()->SetId(1, 1);
	polygon->GetPointIds()->SetId(2, 2);

    // 数据集的单元Set
	vtkNew<vtkCellArray> cells;
	cells->InsertNextCell(polygon);

    // 建立多边形数据集，包括几何点与拓扑信息
	vtkNew<vtkPolyData> polygonPolyData;
	polygonPolyData->SetPoints(points);
	polygonPolyData->SetLines(cells);

	vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper =
		vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
	mapper->SetInputData(polygonPolyData);

	vtkSmartPointer<vtkActor> actor =
		vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
	actor->SetMapper(mapper);

	vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer =
		vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
	renderer->AddActor(actor);
	renderer->SetBackground(0.5, 0.5, 0.5);

	vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow =
		vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
	renderWindow->AddRenderer(renderer);
	renderWindow->SetSize( 640, 480 );
	renderWindow->Render();
	renderWindow->SetWindowName("PolyDataNew");

	vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor =
		vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
	renderWindowInteractor->SetRenderWindow(renderWindow);

	renderWindow->Render();
	renderWindowInteractor->Start();

	return EXIT_SUCCESS;
}
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五、属性数据

属性数据主要用于描述数据的属性特征，对数据集的可视化实质上是对属性数据的可视化。例如，根据压力检测数据构建一个压力场可视化数据集后，数据集中每个几何点或单元都必须有对应的属性数据，VTK根据属性数据设置颜色表，用不同的颜色表示不同的压力，通过颜色的变化情况，可直观看出压力的变化趋势。

在VTK中，用vtkPointData类和vtkCellData类表达数据集属性，他们是vtkDataSetAttributes的子类，构成数据集每个点或单元和属性之间的一对一关系。

属性数据的分类：
1. 标量数据：数据集每个位置具有单值的数据，它只表示数据的大小，例如温度、密度、压力、高度等
2. 矢量数据：既有大小也有方向的量，如速度、压力、位移等
3. 纹理坐标：用于物体贴图，使物体看起来更真实；
4. 张量数据：一个k阶张量可当做一个k维表格，0阶张量是标量，一阶张量是矢量，二阶张量是纹理坐标，三阶张量是一个三维阵列，VTK只支持3X3的对称张量

六、不同类型的数据集

1. 图像数据vtkImageData
按规则排列在矩形方格中的点和单元集合。如果数据集的点和单元排列在平面上，则称为像素映射pixmap、位图或图像；如果排列在三维上，则称为体。
2. 多边形数据集vtkPloyData
多边形数据集vtkPolyData由顶点Vertex、多顶点Polyvertex、线Line、折线Ployline和三角形带Triangle Strip等单元构成，多边形数据是不规则结构的，并且多变形数据集的单元在拓扑维度上有多种类型。
3. 结构化网格vtkStructuredGrid
结构化网格数据，具有规则的拓扑结构和不规则的几何结构，但是单元没有重叠或交叉。结构化网格的单元由四边形或六面体组成，通常用于有限元分析
5. 非结构化网格vtkUnstructuredGrid
非结构化网格，是最常用的数据集类型，他的拓扑结构和几何结构都是非结构化的，在此数据集中，所有单元类型都可以组成任意组合，所有单元的拓扑结构从零维延伸至三维。

七、数据的存储与表达

vtkDataArray：数据数组，采用连续内存，可以快速地创建、删除、遍历。vtkDataArray及其子类是建立VTK数据对象的基础。以vtkPloyData为例，该类由几何数据vtkPoints、拓扑数据vtkCellType和属性数据vtkPointData、vtkCellData、vtkFiledData）组成，而这些数据都是通过数据数组的形式存储。