VTK图形图像开发进阶-学习笔记 03 VTK的基本数据结构

3.1可视化数据的基本特点

（1）离散性

（2）数据具有规则或者不规则的结构（结构化与非结构化）

（3）数据具有维度

3.2 数据对象和数据集

3.2.1 vtkDataObject

VTK中，数据一般以数据对象（Data Object，类vtkDataObjiect）的形式表现,这是VTK里可视化数据最常用的表达形式。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提供的可视化算法所处理。

3.2.2 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）

vtkDataSet由两部分组成，即组织结构以及与组织结构相关联的属性数据

vtkDataSet的组织结构由拓扑结构和集合结构两部分组成。拓扑结构描述了对象的构成形式，几何结构描述了对象的空间位置关系。

点数据所定义的一系列坐标点构成了vtkDataSet数据集的几何结构；点数据的连接形成单元数据，由单元数据形成了数据集的拓扑结构。

/****************************************************/
/*  Examples/Chap03/3.2_TrianglePoints.cpp     */
/****************************************************/

#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char* argv[])
{

	// 创建点数据
	vtkSmartPointer points =
				vtkSmartPointer::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 polyData =
		vtkSmartPointer::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 writer =
		vtkSmartPointer::New();
	writer->SetFileName("triangle.vtk");
	writer->SetInputData(polyData);
	writer->Write();

	return 0;

}

/****************************************************/
/*  Examples/Chap03/3.2_TriangleVertices.cpp     */
/****************************************************/

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

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 points =
						vtkSmartPointer::New();
	vtkSmartPointer vertices =
		vtkSmartPointer::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 polyData =
		vtkSmartPointer::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 writer =
		vtkSmartPointer::New();
	writer->SetFileName("TriangleVerts.vtk");
	writer->SetInputData(polyData);
	writer->Write();

	return 0;

}

/****************************************************/
/*  Examples/Chap03/3.2_TriangleGeometryLines.cpp     */
/****************************************************/

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char* argv[])
{

	// 创建三个坐标点
	vtkSmartPointer points =
		vtkSmartPointer::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 line0 =
		vtkSmartPointer::New();
	line0->GetPointIds()->SetId(0, 0);
	line0->GetPointIds()->SetId(1,1);

	vtkSmartPointer line1 =
		vtkSmartPointer::New();
	line1->GetPointIds()->SetId(0, 1);
	line1->GetPointIds()->SetId(1, 2);

	vtkSmartPointer line2 =
		vtkSmartPointer::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 lines =
		vtkSmartPointer::New();
	lines->InsertNextCell(line0);
	lines->InsertNextCell(line1);
	lines->InsertNextCell(line2);

	// 创建vtkPolyData对象
	vtkSmartPointer polyData =
		vtkSmartPointer::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 writer =
		vtkSmartPointer::New();
	writer->SetFileName("TriangleLines.vtk");
	writer->SetInputData(polyData);
	writer->Write();

	return 0;

}

3.3 单元类型

数据集由一个或多个单元组成，VTK支持线性和非线性类型的单元。一系列有序的点按指定类型连接所定义的结构就是单元，单元是VTK可视化系统的基础。

这些顺序连接的点定义了单元的拓扑结构，而点的坐标定义了单元的几何结构。

单元是由单元的类型（如六面体）和构成单元的顶点列表两部分构成的

3.3.1 线性单元

单元类型的线性与非线性的划分主要是以插值函数为依据的，对于线性单元，采用的是线性或者常量插值函数。

VTK单元的类型定义在vtkCellType.h文件里，线性单元类型如下：

1）VTK_VERTEX。顶点

2）VTK_POLY_VERTEX。多顶点

3）VTK_LINE。直线

4）VTK_POLY_LINE。折线

5）VTK_TRIANGLE 三角形

5）VTK_TRIANGLE_STRIP 三角形条带

7）VTK_QUAD。四边形，二维的基本类型

8）VTK_PIXEL。二维的基本类型

9）VTK_POLYGON。多边形，二维的基本类型

10）VTK_TETRA。四面体，三维的基本类型

11）VTK_HEXAHEDRON。六面体，三维的基本类型

12）VTK_VOXEL。三维的基本类型

13）VTK_WEDGE。契形，三维的基本类型

14）VTK_PYRAMID 。角椎体

15)VTK_PENTAGONAL_PRISM 。五棱柱

16)VTK_HEXAGONAL_PRISM。六角柱

 

 

3.3.2 非线性单元

3.4 属性数据

属性数据是与数据集的组织结构相关联的信息。

组织结构包括几何结构和拓扑结构，几何结构由点数据定义，拓扑结构由单元数据定义。

属性数据通常是与数据集的点数据或者单元数据相关联，但有时属性数据也可能与组成单元的某些成分相关联，如单元数据的某条边或某个面。

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。

VTK中，用vtkPointData类和vtkCellData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

/****************************************************/
/*  Examples/Chap03/3.4_VTKConceptScalars.cpp     */
/****************************************************/

#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int , char* [])
{

	// 创建点集数据：包含两个坐标点
	vtkSmartPointer points =
		vtkSmartPointer::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 polyData =
		vtkSmartPointer::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 weights =
		vtkSmartPointer::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;

}

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。

3.4.3 纹理坐标

3.4.4 张量数据

3.5  不同类型的数据集

3.5.1 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。

3.5.2 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。

3.5.3 vtkRectilinearGrid

3.5.4 vtkStructuredGrid

3.5.5 vtkUnstructuredGrid

3.5.6 vtkUnstructuredPoints

3.6 数据的存储与表达

3.6.1  vtkDataArray

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。

vtkDataArray及其子类是建立VTK数据对象的基础。以vtkPolyData为例，该类由几何数据（vtkPoints）、拓扑数据（vtkCellArray）和属性数据(vtkPointData、vtkCellData和vtkFieldData)组成，而这些数据是通过数据数组(vtkDataArray)的形式存储。

 

3.6.2  数据对象的表达

VTK里的数据对象是作为vtkDataArray的数组（即数据数组的数组）实现的。