VTK基本数据结构之数据对象和数据集

针对可视化领域的特点，VTK定义了种类丰富的数据结构。我们必须了解基本数据结构。     

1、数据对象和数据集

　　在VTK中，数据一般以数据对象（Data Object， 类vtkDataObject）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。VTK里所有的数据结构形式都是从vtkDataObject派生出来的。继承图如下所示。
　　

　　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由两个部分组成，即组织结构（Organizing Structure）以及与组织结构相关联的属性数据（Attribute Data）。详细构成如下图所示。
　　

　　vtkDataSet的组织结构由拓扑结构（Topology）和几何结构（Geometry）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。换言之，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；点数据的连接形成了单元数据（Cell Data）,由单元数据形成了数据集的拓扑结构。拓扑结构具有几何变换不变性。
属性数据是对拓扑结构和几何结构信息的补充，属性数据可以是某个空间点的温度值。

示例说明

CMakeLists.txt文件代码如下：

CMAKE_MINIMUM_REQUIRED(VERSION 2.8)
PROJECT(VTKDataExample)
FIND_PACKAGE(VTK REQUIRED)
INCLUDE(${VTK_USE_FILE})
ADD_EXECUTABLE(VTKDataExample    VTKDataExample.cpp)
TARGET_LINK_LIBRARIES(VTKDataExample ${VTK_LIBRARIES})

VTKDataExample .cpp文件代码如下：

#include "vtkActor.h"
#include "vtkCellArray.h"
#include "vtkPoints.h"
#include "vtkPolyData.h"
#include "vtkPolyDataMapper.h"
#include "vtkRenderWindow.h"
#include "vtkRenderWindowInteractor.h"
#include "vtkRenderer.h" 
#include "vtkProperty.h"
#include "vtkLine.h"
#include "vtkCellArray.h"
#include "vtkPolyData.h"


int main()
{
    //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, 1.0);
    points->InsertNextPoint(0.0, 0.0, 0.0);

    //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，第二参数是连接的的点的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);

    //将点和线加入数据集中，前者定义数据集的几何结构，后者定义拓扑结构
    //创建vtkPolyData类型的数据，是一种数据集
    vtkSmartPointer<vtkPolyData>polydata = vtkSmartPointer<vtkPolyData>::New();

    //将创建的点数据加入vtkPolyData数据里
    polydata->SetPoints(points);  //点数据定义了polydata数据集的几何结构。
    polydata->SetLines(lines);  //定义拓扑结构

    //显示数据
    vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper = vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
    mapper->SetInputData(polydata);
    vtkSmartPointer<vtkActor> actor = vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
    actor->SetMapper(mapper);
    actor->GetProperty()->SetColor(1.0, 0.0, 0.0);
    vtkSmartPointer<vtkRenderer> ren = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
    ren->AddActor(actor);
    ren->SetBackground(1, 1, 1);
    vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renWin = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
    renWin->AddRenderer(ren);
    vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> iren = vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
    iren->SetRenderWindow(renWin);
    renWin->SetSize(500, 500);
    renWin->Render();
    iren->Start();
    return EXIT_SUCCESS;
}

运行结果:

代码分析:

• vtkPoints ：用来描绘和操作 3D点排列（Array）。可以调用SetPoint或InsertPoint来设置点的vtkIdType（类似id的值）和三维坐标，2个函数的功能相同，区别在于InsertPoint先要完成点的范围检查和内存分配工作，所以速度较慢。
• vtkCellArray：用来操作cell 单元。调用InsertNextCell函数逐步添加新的cell，例如函数vtkCellArray::InsertNextCell (vtkIdType npts, const vtkIdType pts )，第一个参数值表示cell中点的个数，第二个参数指向那些点的坐标数据。（说明：vtkIdType pts 存储的是所包括点在points中的顺序信息，其个数当然应该和前面的npts一致。），2点可以连成一条线，三点可以得到一个面。也就是说：vtk中关于点、线、面的那些信息都是存放在cellarray中，应用时也是直接对cellarray指针进行处理，数据的写入和读取在vtkCellArray类完成。
• vtkPolyData: 一种数据集。

2、单元类型

　　 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（Cell），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和构成单元的顶点列表两部分构成的。
　　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里单元类型定义在vtkCellType.h文件里。下图是定义线性和非线性的Cell类型。

注意定义点的顺序。

　　线性的cells绘制时先转换为线性基元，再直接被图形库所处理。而非线性的cells是不能直接被图形库所支持的，通常对于非线性cells的绘制是先把它们分解为线性的cells，再进行绘制。非线性类型的cell有：Quadratic Edge; Quadratic Triangle; Quadratic Quadrilateral; Quadratic Tetrahedron; Quadratic Hexahedron
分解的示意图：

属性数据

　　属性数据（Attribute Data）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。根据数据的性质，属性数据可分为标量数据、矢量数据、张量数据等几大类。如下图所示：