VTK随笔四：VTK基本数据结构

news2024/11/14 23:53:02

一、可视化数据的基本特点

  • 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。
  • 数据具有规则或不规则的结构（结构化与非结构化）：可视化数据可以分为规则(Regular)和不规则(Irreguar)或者说结构化(Structured)和非结构化(Unstructured)。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。
  • 数据具有维度：可视化数据具有零维、一维、二维、三维等任意维度

二、数据对象和数据集 

1、vtkDataObject

        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。 

 

2、vtkDataSet

        VTK里与数据集对应的类是vtkDataSet，该类从vtkDataObject直接派生。

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。

        比如，想要在屏幕上显示一个三角形，首先必须定义三角形三个点的坐标(即Point Data，记三个点为P1、P2和P3)，然后将这三个点按照一定的顺序连接起来(P1-P2-P3，或者是P3-P2-P1的顺序)，这三个点定义了数据集的几何结构，它们的连接就构成了数据集的拓扑结构，亦即点数据定义了数据集的几何结构，单元数据定义数据集的拓扑结构，要形成完整的数据集，必须有几何和拓扑两种结构。

        拓扑结构具有几何变换不变性（旋转、平移和放缩），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，也可以是某个单元的质量等。

 

 示例代码：

	//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, 1.0 ); //返回第二个点的ID：1
	points->InsertNextPoint ( 0.0, 0.0, 0.0 ); //返回第三个点的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Cell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 );

	vtkSmartPointer<vtkPolyData> polydata = vtkSmartPointer<vtkPolyData>::New();

	//将点和线加入到数据集中，前者指定数据集的几何，后者指定其拓扑
	polydata->SetPoints ( points );
	polydata->SetLines ( lines );

	vtkSmartPointer<vtkPolyDataWriter> writer = vtkSmartPointer<vtkPolyDataWriter>::New();
	writer->SetFileName ( "TriangleLines.vtk" );
	writer->SetInputData ( polydata );
	writer->Write();

 三、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)，单元是VTK可视化系统的基础。

1、线性单元
类型图示说明
VTK_VERTEX

image

顶点，由一个点定义，是零维的基本类型
VTK_POLY_VERTEX

image

多顶点，多个顶点组合而成，是零维的组合单元，其定义不受顶点顺序的限制
VTK_LINE

image

直线，一维的基本类型，由两个点定义，方向是从第一个点指向第二个点
VTK_POLY_LINE

image

折线，由一个或多个线段组合成，一维的类型。由n+1个有序的点连接定义的，n表示折线的线段条数，每两个点(i, i+1)定义一条线段
VTK_TRIANGLE

image

三角形，二维的基本类型，由三个点按逆时针的方向连接定义，点的连接方向和表面法向量符合右手法则
VTK_TRIANGLE_STRIP

image

三角形条带，由一个或多个三角形组合而成，二维类型。由n+2个有序的点连接定义的，n表示三角形条带里三角形的个数，定义三角形条带的点不需要共面。
VTK_QUAD

image

四边形，二维的基本类型，是由共面的四个点按逆时针的方向连接定义的。四边形要求是非自交的凸多边形，利用右手法则可以得到改四边形的表面法向量
VTK_PIXEL

image

二维的基本类型，是由共面的四个点按一定的顺序连接定义的。该类型的单元与四边形的区别在拓扑结构上，Pixel类型要求相邻的两条边必须垂直，而且相对的两条边要与坐标轴平行，因此Pixel的表面法向量也与其中的一条坐标轴平行。定义Pixel的四个顶点的顺序与四边形不同，Pixel顶点的计数是先沿着X轴的方向，然后是Y轴，最后是Z轴方向。Pixel是四边形类型的特殊形式，注：Pixel是一种单元类型，与图像像素(Pixel)的概念不同
VTK_POLYGON

image

多边形，二维的基本类型，是由共面的三个或三个以上的点按逆时针方向的顺序连接定义的，多边形的表面法向量方向由右手法则确定。该类型要求多边形可以是非凸的，但是不能含有内部循环或者出现相交的边。多边形有n条边，n就是组成多边形的点的个数。
VTK_TETRA

image

四面体，三维的基本类型，是由不共面的四个点两两连接定义的，四面体有6条边4个面
VTK_HEXAHEDRON

image

六面体，三维的基本类型，包含六个四边形表面、12条边和8个顶点，顶点连接顺序如图，六面体要求必须是凸的
VTK_VOXEL

image

三维的基本类型，与六面体的拓扑不一样，但几何上有所区别。Voxel要求相邻的两个面必须垂直，点的连接顺序如图。Voxel是六面体的特殊形式。与Pixel类似，Voxel与三维图像体素的概念是不同的
VTK_WEDGE

image

楔形，三维的基本类型，由3个四边形面、2个三角形面、9条边和6个顶点构成。六个点的连接顺序如图，要求面和边不能与其他的相交，且楔形必须是凸的
VTK_PYRAMID

image

角锥体，三维基本类型，由1个四边形面、4个三角形面、8条边和5个顶点构成。构成角锥体的点的连接顺序如图。定义四边形的点要求是共面的，且四个点构成的四边形必须是凸的，第五个点与其他四个点不在一个面上
VTK_PENTAGONAL_PRISM

image

五棱柱，三维基本类型，由五个四边形面、两个五边形面、15条边和10个顶点构成。点的连接顺序如图，五棱柱的面和边不能与其他的相交且五棱柱必须是凸的
VTK_HEXAGONAL_PRISM

image

六角柱，三维基本类型，由6个四边形面、两个六边形面、18条边和12个顶点构成。点的连接顺序如图，六角柱的面和边不能与其他的相交且六角柱必须是凸的
2、非线性单元 
类型图示说明
VTK_QUADRATIC_EDGE

image

二次曲线，一维基本类型，由三个点定义，其中前两个点分别对应曲线的端点，第三个点位于曲线的中间位置，曲线的方向是由第一个点指向第二个点
VTK_QUADRATIC_TRIANGLE

image

二次三角形，二维的基本类型之一，由六个点定义，其中前三个点对应三角形的三个顶点，另外三点分别对应三条边的中点

VTK_QUADRATIC_

LINEAR_QUAD

image

二次线性四边形，二维的基本类型之一，由六个点定义，其中前四个点对应四边形顶点，另外两个点位于第一和第三条边的中点处
VTK_QUADRATIC_QUAD

image

二次四边形，二维的基本类型之一，由八个点定义，其中前四个点对应四个顶点，后四点分别对应四条边的中点
VTK_BIQUADRATIC_QUAD

image

双二次四边形，二维的基本类型之一，由九个点定义，其中前四个点对应四个顶点，后四点分别对应四条边的中心，最后一个点位于该二次四边形的中心位置
VTK_QUADRATIC_TETRA

image

二次四面体，三维的基本类型之一，由10个点定义，其中前四个点对应四面体的四个顶点，其余六个点分别对应六条边的中点
VTK_QUADRATIC_PYRAMID

image

二次角锥体，三维的基本类型之一，由13个点定义，其中前五个点对应角锥体的五个顶点，其余八个点分别对应八条边的中点

VTK_QUADRATIC_

HEXAHEDRON

image

二次六面体，三维的基本类型之一，由20个点定义，其中前八个点对应六面体的八个顶点，其余12个点分别对应12条边的中点

VTK_BIQUADRATIC_

QUADRATIC_HEXAHEDRON

image

双二次六面体，三维的基本类型之一，由24个点定义，其中前八个点对应六面体的八个顶点，其余12个点分别对应12条边的中点，最后4个点位于前4面的中心位置

VTK_TRIQUADRATIC_

HEXAHEDRON

image

三次六面体，三维的基本类型之一，由27个点定义，其中前八个点对应六面体的八个顶点，其余12个点分别对应12条边的中点，另外6个点位于6个面的中心位置，最后一个点位于六面体的中心

VTK_QUADRATIC_

LINEAR_WEDGE

image

二次线性楔形体，三维的基本类型之一，由12个点定义，其中前六个点对应楔形体的六个顶点，其余六个点分别对应组成上下面两个面的三角形边的中点
VTK_QUADRATIC_WEDGE

image

二次楔形体，三维的基本类型之一，由15个点定义，其中前六个点对应楔形体的六个顶点，其余九个点分别对应九条边的中点

VTK_BIQUADRATIC_

QUADRATIC_WEDGE

image

双二次楔形体，三维的基本类型之一，由18个点定义，其中前六个点对应楔形体的六个顶点，九个点分别对应九条边的中点，最后三个点位于每个二次曲面的中心位置

四、数据属性

 属性数据(Attribute Data)是与数据集组织结构相关联的信息。

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。标量数据是最简单也是最普遍的可视化数据。 

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。 

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。 

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 。

五、不同类型的数据集 

1、vtklmageData

        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。

2、vtkPolyData

         多边形数据集 vtkPolyData由顶点(Vertex)、多顶点(Polyvertex)、线(Line)、折线(Polyline)和三角形条带(Triangle Strip)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、vtkRectilinearGrid

         vtkRectilinearGrid 类型的数据是排列在矩形方格中的点和单元的集合。

4、vtkStructuredGrid

         vtkStructuredGrid 是结构化网格数据，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。

5、vtkUnstructuredGrid

        vtkUnstructuredGrid 是非结构化网格，是最常见的数据集类型，它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。

 6、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。

六、数据的存储与表达 

 1、vtkDataArray

         VTK 中的内存分配采用连续内存，可以快速地创建、删除和遍历，称之为数据数组(DataArray)，用类 vtkDataArray 实现。数组数据的访问是基于索引的，与C++一样，从零开始计数。

 

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。vtkDataObiect是一种通用的可视化数据的表达，可视化算法基本都没有直接处理vtkDataObiect 类型的数据，在处理某一类数据时，一般都要求数据内部具有某种组织结构。vtkDataObiect 内部封装了与可视化管线的执行相关的变量和方法，包括表达数据。在vtkDataObiect 内部有一个 vkFieldData(场数据)的实例，负责对数据的表达。场数据可以看作数据数组的数组，数组里的每一个元素都是一个数组，数组的类型、长度、元组的大小和名称等都可以各不相同。 

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