深入理解VTK數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：為科學(xué)可視化和工程計算提供強有力的支持
作者：小乖獸技術(shù)
在 VTK 中，VtkPoints、VtkCellArray、VtkPolyData、VtkImageData 、VtkStructuredGrid、VtkUnstructuredGrid、VtkTable 是最常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一。VtkPoints 用于表示點集合，VtkCellArray 用于存儲各種類型的拓撲單元，VtkPolyData 表示由點和線或面組成的幾何圖形，VtkImageDat
VTK 中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
VTK (Visualization Toolkit) 是一個流行的開源可視化工具包，可以用于創(chuàng)建與處理 3D 圖像、幾何數(shù)據(jù)和許多其他類型的數(shù)據(jù)。在 C# 中，我們可以使用 VTK 進行三維可視化，并且可以很好地與 WinForms 框架集成。
VTK 中涉及到的幾個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要包括 vtkPoints、vtkCellArray、vtkPolyData、vtkImageData 、vtkStructuredGrid、vtkUnstructuredGrid、vtkTable等。
1、vtkPoints
vtkPoints 是 VTK 中最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一，表示了一個由三維坐標表示的點集合。
代碼示例：
// 創(chuàng)建點集并添加點
vtkPoints points = vtkPoints.New();
points.InsertNextPoint(0, 0, 0);
points.InsertNextPoint(1, 0, 0);
points.InsertNextPoint(1, 1, 0);
points.InsertNextPoint(0, 1, 0);
// 創(chuàng)建 PolyData 對象并設(shè)置點集
vtkPolyData polyData = vtkPolyData.New();
polyData.SetPoints(points);代碼說明：
- 首先使用 vtkPoints.New() 創(chuàng)建一個新的點集對象。
- 然后使用 points.InsertNextPoint() 方法添加四個點。
- 最后使用 vtkPolyData.New() 創(chuàng)建一個新的 PolyData 對象，并調(diào)用 SetPoints() 方法將點集設(shè)置給該對象。
2、vtkCellArray
vtkCellArray 用于存儲各種類型的拓撲單元，例如點、線、面和體元等。
代碼示例：
// 創(chuàng)建點集并添加點
vtkPoints points = vtkPoints.New();
points.InsertNextPoint(0, 0, 0);
points.InsertNextPoint(1, 0, 0);
points.InsertNextPoint(1, 1, 0);
points.InsertNextPoint(0, 1, 0);
// 創(chuàng)建 CellArray 對象并添加拓撲單元
vtkCellArray cellArray = vtkCellArray.New();
cellArray.InsertNextCell(4); // 插入四邊形單元
cellArray.InsertCellPoint(0);
cellArray.InsertCellPoint(1);
cellArray.InsertCellPoint(2);
cellArray.InsertCellPoint(3);
// 創(chuàng)建 PolyData 對象并設(shè)置點集和拓撲單元
vtkPolyData polyData = vtkPolyData.New();
polyData.SetPoints(points);
polyData.SetPolys(cellArray);代碼說明
- 首先使用 vtkPoints.New() 創(chuàng)建一個新的點集對象。
- 然后使用 points.InsertNextPoint() 方法添加四個點。
- 接著使用 vtkCellArray.New() 創(chuàng)建一個新的 CellArray 對象，調(diào)用 InsertNextCell() 方法插入一個四邊形單元，再使用 InsertCellPoint() 方法添加該單元中的四個頂點。
- 最后使用 vtkPolyData.New() 創(chuàng)建一個新的 PolyData 對象，并調(diào)用 SetPoints() 和 SetPolys() 方法將點集和拓撲單元設(shè)置給該對象。
3、vtkPolyData
vtkPolyData 是 VTK 中最基本的數(shù)據(jù)表示形式之一，表示由點和線或面組成的幾何圖形。
代碼示例：
// 創(chuàng)建點集并添加點
vtkPoints points = vtkPoints.New();
points.InsertNextPoint(0, 0, 0);
points.InsertNextPoint(1, 0, 0);
points.InsertNextPoint(1, 1, 0);
points.InsertNextPoint(0, 1, 0);
// 創(chuàng)建 CellArray 對象并添加拓撲單元
vtkCellArray cellArray = vtkCellArray.New();
cellArray.InsertNextCell(4); // 插入四邊形單元
cellArray.InsertCellPoint(0);
cellArray.InsertCellPoint(1);
cellArray.InsertCellPoint(2);
cellArray.InsertCellPoint(3);
// 創(chuàng)建 PolyData 對象并設(shè)置點集和拓撲單元
vtkPolyData polyData = vtkPolyData.New();
polyData.SetPoints(points);
polyData.SetPolys(cellArray);代碼說明：
- 首先使用 vtkPoints.New() 創(chuàng)建一個新的點集對象。
- 然后使用 points.InsertNextPoint() 方法添加四個點。
- 接著使用 vtkCellArray.New() 創(chuàng)建一個新的 CellArray 對象，調(diào)用 InsertNextCell() 方法插入一個四邊形單元，再使用 InsertCellPoint() 方法添加該單元中的四個頂點。
- 最后使用 vtkPolyData.New() 創(chuàng)建一個新的 PolyData 對象，并調(diào)用 SetPoints() 和 SetPolys() 方法將點集和拓撲單元設(shè)置給該對象。
4、vtkImageData
vtkImageData 用于表示規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)，例如圖像數(shù)據(jù)。
代碼示例：
// 創(chuàng)建 ImageData 對象并設(shè)置尺寸和像素類型
vtkImageData imageData = vtkImageData.New();
imageData.SetDimensions(256, 256, 1);
imageData.SetScalarTypeToUnsignedChar();
// 創(chuàng)建像素數(shù)組并填充像素
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));
}
}
// 設(shè)置像素數(shù)組并更新 ImageData 對象
imageData.GetPointData().SetScalars(pixelArray);
imageData.Update();代碼說明：
- 首先使用 vtkImageData.New() 創(chuàng)建一個新的 ImageData 對象，并調(diào)用 SetDimensions() 和 SetScalarTypeToUnsignedChar() 方法設(shè)置尺寸和像素類型。
- 然后創(chuàng)建一個字節(jié)類型的像素數(shù)組，使用嵌套循環(huán)填充數(shù)組中的每個像素。
- 接著使用 imageData.GetPointData() 和 SetScalars() 方法將像素數(shù)組設(shè)置為 ImageData 對象的標量數(shù)據(jù)，并調(diào)用 Update() 方法更新 ImageData 對象。
5、vtkStructuredGrid
vtkStructuredGrid 用于表示非規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)，例如有規(guī)則結(jié)構(gòu)的點集合。
代碼示例：
// 創(chuàng)建點集并添加點
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);
}
}
}
// 創(chuàng)建 StructuredGrid 對象并設(shè)置點集
vtkStructuredGrid structuredGrid = vtkStructuredGrid.New();
structuredGrid.SetDimensions(5, 5, 5);
structuredGrid.SetPoints(points);代碼說明：
- 首先使用 vtkPoints.New() 創(chuàng)建一個新的點集對象，使用嵌套循環(huán)添加 125 個點。
- 然后使用 vtkStructuredGrid.New() 創(chuàng)建一個新的 StructuredGrid 對象，調(diào)用 SetDimensions() 方法設(shè)置網(wǎng)格的維度，再調(diào)用 SetPoints() 方法將點集設(shè)置為該對象的點集。
6、vtkUnstructuredGrid
vtkUnstructuredGrid 是 VTK 中用于表示非規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它可以表示任意形狀的拓撲單元，例如四面體、六面體等。下面是一個 WinForms 示例，演示如何使用 vtkUnstructuredGrid 將一個四面體網(wǎng)格可視化。
代碼示例：
// 新建四個點
vtkPoints points = vtkPoints.New();
points.InsertNextPoint(0, 0, 0);
points.InsertNextPoint(1, 0, 0);
points.InsertNextPoint(0, 1, 0);
points.InsertNextPoint(0, 0, 1);
// 新建四面體拓撲單元
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 對象，并將點和拓撲單元添加進去
vtkUnstructuredGrid unstructuredGrid = vtkUnstructuredGrid.New();
unstructuredGrid.SetPoints(points);
unstructuredGrid.InsertNextCell(tetra.GetCellType(), tetra.GetPointIds());
// 可視化 UnstructuredGrid 對象
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();代碼說明：
- 首先，我們新建了四個點，并將它們添加到 vtkPoints 對象中。
- 然后，我們新建了一個 vtkTetra 對象，該對象表示了一個四面體拓撲單元，并將四個點的索引賦給該拓撲單元的四個頂點。
- 接著，我們新建了一個 vtkUnstructuredGrid 對象，并通過 SetPoints() 方法將點集合添加進去。然后，使用 InsertNextCell() 方法將拓撲單元添加進去。
- 最后，我們創(chuàng)建了一個 vtkDataSetMapper 對象和一個 vtkActor 對象，并將 vtkUnstructuredGrid 對象作為 mapper 的輸入數(shù)據(jù)。然后，將 vtkActor 添加到 vtkRenderer 中，并將 vtkRenderer 添加到 vtkRenderWindow 中，最后在 vtkRenderWindowInteractor 中啟動可視化窗口。
7、vtkTable
vtkTable 是 VTK 中用于存儲表格數(shù)據(jù)的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如一組多變量的測量數(shù)據(jù)。下面是一個 WinForms 示例，演示如何使用 vtkTable 將一組測量數(shù)據(jù)可視化。
代碼示例：
// 新建一個表格結(jié)構(gòu)
vtkTable table = vtkTable.New();
// 添加兩個列（變量）
vtkFloatArray x = vtkFloatArray.New();
x.SetName("X");
table.AddColumn(x);
vtkFloatArray y = vtkFloatArray.New();
y.SetName("Y");
table.AddColumn(y);
// 添加十個行
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
// 在表格中插入新行
table.InsertNextRow();
// 向每行中添加數(shù)據(jù)
double[] rowData = { i, Math.Sin(i) };
table.SetValue(i, 0, rowData[0]);
table.SetValue(i, 1, rowData[1]);
}
// 可視化表格數(shù)據(jù)
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);代碼說明：
- 首先，我們新建了一個 vtkTable 對象來存儲我們的測量數(shù)據(jù)。
- 然后，我們向表格中添加兩個列（變量）X 和 Y。
- 接著，我們向表格中添加十個行，并且向每行中添加數(shù)據(jù)。
- 最后，我們創(chuàng)建了一個 vtkPlotLine 對象和一個 vtkChartXY 對象，并將 vtkTable 對象作為輸入數(shù)據(jù)。然后，將 vtkChartXY 渲染到 vtkRenderWindow 中，并在 vtkRenderWindowInteractor 中啟動可視化窗口。
總結(jié)
VTK 是一個功能強大的開源可視化工具包，可以用于創(chuàng)建各種類型的 3D 圖像和幾何數(shù)據(jù)。在 C# 中，我們可以利用 VTK 進行三維可視化，并與 WinForms 框架無縫集成。
在 VTK 中，vtkPoints、vtkCellArray、vtkPolyData、vtkImageData 、vtkStructuredGrid、vtkUnstructuredGrid、vtkTable 是最常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一。vtkPoints 用于表示點集合，vtkCellArray 用于存儲各種類型的拓撲單元，vtkPolyData 表示由點和線或面組成的幾何圖形，vtkImageData 用于表示規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)，例如圖像數(shù)據(jù)，而 vtkStructuredGrid 則用于表示非規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)，例如有規(guī)則結(jié)構(gòu)的點集合。
在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在其基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)處理和可視化操作。
責(zé)任編輯：姜華
來源：
今日頭條
