深入理解VTK数据结构：为科学可视化和工程计算提供强有力的支持

2023-06-10 今日头条小乖兽技术

VTK 中的数据结构

VTK (Visualization Toolkit) 是一个流行的开源可视化工具包，可以用于创建与处理 3D 图像、几何数据和许多其他类型的数据。在 C# 中，我们可以使用 VTK 进行三维可视化，并且可以很好地与 WinForms 框架集成。

VTK 中涉及到的几个数据结构主要包括 vtkPoints、vtkCellArray、vtkPolyData、vtkImageData 、vtkStructuredGrid、vtkUnstructuredGrid、vtkTable等。

1. vtkPoints

vtkPoints 是 VTK 中最基本的数据结构之一，表示了一个由三维坐标表示的点集合。

代码示例

// 创建点集并添加点
vtkPoints points = vtkPoints.New();
points.InsertNextPoint(0, 0, 0);
points.InsertNextPoint(1, 0, 0);
points.InsertNextPoint(1, 1, 0);
points.InsertNextPoint(0, 1, 0);

// 创建 PolyData 对象并设置点集
vtkPolyData polyData = vtkPolyData.New();
polyData.SetPoints(points);

代码说明

首先使用 vtkPoints.New() 创建一个新的点集对象。
然后使用 points.InsertNextPoint() 方法添加四个点。
最后使用 vtkPolyData.New() 创建一个新的 PolyData 对象，并调用 SetPoints() 方法将点集设置给该对象。

2. vtkCellArray

vtkCellArray 用于存储各种类型的拓扑单元，例如点、线、面和体元等。

代码示例

// 创建点集并添加点
vtkPoints points = vtkPoints.New();
points.InsertNextPoint(0, 0, 0);
points.InsertNextPoint(1, 0, 0);
points.InsertNextPoint(1, 1, 0);
points.InsertNextPoint(0, 1, 0);

// 创建 CellArray 对象并添加拓扑单元
vtkCellArray cellArray = vtkCellArray.New();
cellArray.InsertNextCell(4); // 插入四边形单元
cellArray.InsertCellPoint(0);
cellArray.InsertCellPoint(1);
cellArray.InsertCellPoint(2);
cellArray.InsertCellPoint(3);

// 创建 PolyData 对象并设置点集和拓扑单元
vtkPolyData polyData = vtkPolyData.New();
polyData.SetPoints(points);
polyData.SetPolys(cellArray);

代码说明

首先使用 vtkPoints.New() 创建一个新的点集对象。
然后使用 points.InsertNextPoint() 方法添加四个点。
接着使用 vtkCellArray.New() 创建一个新的 CellArray 对象，调用 InsertNextCell() 方法插入一个四边形单元，再使用 InsertCellPoint() 方法添加该单元中的四个顶点。
最后使用 vtkPolyData.New() 创建一个新的 PolyData 对象，并调用 SetPoints() 和 SetPolys() 方法将点集和拓扑单元设置给该对象。

3. vtkPolyData

vtkPolyData 是 VTK 中最基本的数据表示形式之一，表示由点和线或面组成的几何图形。

代码示例

// 创建点集并添加点
vtkPoints points = vtkPoints.New();
points.InsertNextPoint(0, 0, 0);
points.InsertNextPoint(1, 0, 0);
points.InsertNextPoint(1, 1, 0);
points.InsertNextPoint(0, 1, 0);

// 创建 CellArray 对象并添加拓扑单元
vtkCellArray cellArray = vtkCellArray.New();
cellArray.InsertNextCell(4); // 插入四边形单元
cellArray.InsertCellPoint(0);
cellArray.InsertCellPoint(1);
cellArray.InsertCellPoint(2);
cellArray.InsertCellPoint(3);

// 创建 PolyData 对象并设置点集和拓扑单元
vtkPolyData polyData = vtkPolyData.New();
polyData.SetPoints(points);
polyData.SetPolys(cellArray);

代码说明

首先使用 vtkPoints.New() 创建一个新的点集对象。
然后使用 points.InsertNextPoint() 方法添加四个点。
接着使用 vtkCellArray.New() 创建一个新的 CellArray 对象，调用 InsertNextCell() 方法插入一个四边形单元，再使用 InsertCellPoint() 方法添加该单元中的四个顶点。
最后使用 vtkPolyData.New() 创建一个新的 PolyData 对象，并调用 SetPoints() 和 SetPolys() 方法将点集和拓扑单元设置给该对象。

4. vtkImageData

vtkImageData 用于表示规则网格数据，例如图像数据。

代码示例

// 创建 ImageData 对象并设置尺寸和像素类型
vtkImageData imageData = vtkImageData.New();
imageData.SetDimensions(256, 256, 1);
imageData.SetScalarTypeToUnsignedChar();

// 创建像素数组并填充像素
byte[] pixelArray = new byte[256 * 256];
for (int i = 0; i < 256; i++)
{
    for (int j = 0; j < 256; j++)
    {
        pixelArray[i * 256 + j] = (byte)(255 * Math.Sin(i / 10.0) * Math.Cos(j / 10.0));
    }
}

// 设置像素数组并更新 ImageData 对象
imageData.GetPointData().SetScalars(pixelArray);
imageData.Update();

代码说明

首先使用 vtkImageData.New() 创建一个新的 ImageData 对象，并调用 SetDimensions() 和 SetScalarTypeToUnsignedChar() 方法设置尺寸和像素类型。
然后创建一个字节类型的像素数组，使用嵌套循环填充数组中的每个像素。
接着使用 imageData.GetPointData() 和 SetScalars() 方法将像素数组设置为 ImageData 对象的标量数据，并调用 Update() 方法更新 ImageData 对象。

5. vtkStructuredGrid

vtkStructuredGrid 用于表示非规则网格数据，例如有规则结构的点集合。

代码示例

// 创建点集并添加点
vtkPoints points = vtkPoints.New();
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
    for (int j = 0; j < 5; j++)
    {
        for (int k = 0; k < 5; k++)
        {
            double[] point = { i, j, k };
            points.InsertNextPoint(point);
        }
    }
}

// 创建 StructuredGrid 对象并设置点集
vtkStructuredGrid structuredGrid = vtkStructuredGrid.New();
structuredGrid.SetDimensions(5, 5, 5);
structuredGrid.SetPoints(points);

代码说明

首先使用 vtkPoints.New() 创建一个新的点集对象，使用嵌套循环添加 125 个点。
然后使用 vtkStructuredGrid.New() 创建一个新的 StructuredGrid 对象，调用 SetDimensions() 方法设置网格的维度，再调用 SetPoints() 方法将点集设置为该对象的点集。

6. vtkUnstructuredGrid

vtkUnstructuredGrid 是 VTK 中用于表示非规则网格数据的一种数据结构，它可以表示任意形状的拓扑单元，例如四面体、六面体等。下面是一个 WinForms 示例，演示如何使用 vtkUnstructuredGrid 将一个四面体网格可视化。

代码示例

// 新建四个点
vtkPoints points = vtkPoints.New();
points.InsertNextPoint(0, 0, 0);
points.InsertNextPoint(1, 0, 0);
points.InsertNextPoint(0, 1, 0);
points.InsertNextPoint(0, 0, 1);

// 新建四面体拓扑单元
vtkTetra tetra = vtkTetra.New();
tetra.GetPointIds().SetId(0, 0);
tetra.GetPointIds().SetId(1, 1);
tetra.GetPointIds().SetId(2, 2);
tetra.GetPointIds().SetId(3, 3);

// 新建 UnstructuredGrid 对象，并将点和拓扑单元添加进去
vtkUnstructuredGrid unstructuredGrid = vtkUnstructuredGrid.New();
unstructuredGrid.SetPoints(points);
unstructuredGrid.InsertNextCell(tetra.GetCellType(), tetra.GetPointIds());

// 可视化 UnstructuredGrid 对象
vtkDataSetMApper mapper = vtkDataSetMapper.New();
mapper.SetInputData(unstructuredGrid);

vtkActor actor = vtkActor.New();
actor.SetMapper(mapper);

vtkRenderer renderer = vtkRenderer.New();
renderer.AddActor(actor);

vtkRenderWindow renderWindow = vtkRenderWindow.New();
renderWindow.AddRenderer(renderer);

vtkRenderWindowInteractor interactor = vtkRenderWindowInteractor.New();
interactor.SetRenderWindow(renderWindow);

renderWindow.Render();
interactor.Start();

代码说明

首先，我们新建了四个点，并将它们添加到 vtkPoints 对象中。
然后，我们新建了一个 vtkTetra 对象，该对象表示了一个四面体拓扑单元，并将四个点的索引赋给该拓扑单元的四个顶点。
接着，我们新建了一个 vtkUnstructuredGrid 对象，并通过 SetPoints() 方法将点集合添加进去。然后，使用 InsertNextCell() 方法将拓扑单元添加进去。
最后，我们创建了一个 vtkDataSetMapper 对象和一个 vtkActor 对象，并将 vtkUnstructuredGrid 对象作为 mapper 的输入数据。然后，将 vtkActor 添加到 vtkRenderer 中，并将 vtkRenderer 添加到 vtkRenderWindow 中，最后在 vtkRenderWindowInteractor 中启动可视化窗口。

7. vtkTable

vtkTable 是 VTK 中用于存储表格数据的一种数据结构，例如一组多变量的测量数据。下面是一个 WinForms 示例，演示如何使用 vtkTable 将一组测量数据可视化。

代码示例

// 新建一个表格结构
vtkTable table = vtkTable.New();

// 添加两个列（变量）
vtkFloatArray x = vtkFloatArray.New();
x.SetName("X");
table.AddColumn(x);

vtkFloatArray y = vtkFloatArray.New();
y.SetName("Y");
table.AddColumn(y);

// 添加十个行
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
    // 在表格中插入新行
    table.InsertNextRow();

    // 向每行中添加数据
    double[] rowData = { i, Math.Sin(i) };
    table.SetValue(i, 0, rowData[0]);
    table.SetValue(i, 1, rowData[1]);
}

// 可视化表格数据
vtkPlotLine line = vtkPlotLine.New();
line.SetInputData(table, "X", "Y");

vtkChartXY chart = vtkChartXY.New();
chart.AddPlot(line);

vtkRenderWindow renderWindow = vtkRenderWindow.New();
vtkRenderWindowInteractor interactor = vtkRenderWindowInteractor.New();

chart.RenderScene(renderWindow, interactor);

代码说明

首先，我们新建了一个 vtkTable 对象来存储我们的测量数据。
然后，我们向表格中添加两个列（变量）X 和 Y。
接着，我们向表格中添加十个行，并且向每行中添加数据。
最后，我们创建了一个 vtkPlotLine 对象和一个 vtkChartXY 对象，并将 vtkTable 对象作为输入数据。然后，将 vtkChartXY 渲染到 vtkRenderWindow 中，并在 vtkRenderWindowInteractor 中启动可视化窗口。

总结

VTK 是一个功能强大的开源可视化工具包，可以用于创建各种类型的 3D 图像和几何数据。在 C# 中，我们可以利用 VTK 进行三维可视化，并与 WinForms 框架无缝集成。

在 VTK 中，vtkPoints、vtkCellArray、vtkPolyData、vtkImageData 、vtkStructuredGrid、vtkUnstructuredGrid、vtkTable 是最常用的数据结构之一。vtkPoints 用于表示点集合，vtkCellArray 用于存储各种类型的拓扑单元，vtkPolyData 表示由点和线或面组成的几何图形，vtkImageData 用于表示规则网格数据，例如图像数据，而 vtkStructuredGrid 则用于表示非规则网格数据，例如有规则结构的点集合。

在实际应用中，可以根据需要选择适当的数据结构，在其基础上进行数据处理和可视化操作。