VTK 中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

VTK (Visualization Toolkit) 是一個(gè)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(jìn)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(gè)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(gè)由三維坐標(biāo)表示的點(diǎn)集合。

代碼示例：

// 創(chuàng)建點(diǎn)集并添加點(diǎn)
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(duì)象并設(shè)置點(diǎn)集
vtkPolyData polyData = vtkPolyData.New();
polyData.SetPoints(points);

代碼說明：

• 首先使用 vtkPoints.New() 創(chuàng)建一個(gè)新的點(diǎn)集對(duì)象。
• 然后使用 points.InsertNextPoint() 方法添加四個(gè)點(diǎn)。
• 最后使用 vtkPolyData.New() 創(chuàng)建一個(gè)新的 PolyData 對(duì)象，并調(diào)用 SetPoints() 方法將點(diǎn)集設(shè)置給該對(duì)象。

2、vtkCellArray

vtkCellArray 用于存儲(chǔ)各種類型的拓?fù)鋯卧琰c(diǎn)、線、面和體元等。

代碼示例：

// 創(chuàng)建點(diǎn)集并添加點(diǎn)
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(duì)象并添加拓?fù)鋯卧?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(duì)象并設(shè)置點(diǎn)集和拓?fù)鋯卧?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(gè)新的點(diǎn)集對(duì)象。
• 然后使用 points.InsertNextPoint() 方法添加四個(gè)點(diǎn)。
• 接著使用 vtkCellArray.New() 創(chuàng)建一個(gè)新的 CellArray 對(duì)象，調(diào)用 InsertNextCell() 方法插入一個(gè)四邊形單元，再使用 InsertCellPoint() 方法添加該單元中的四個(gè)頂點(diǎn)。
• 最后使用 vtkPolyData.New() 創(chuàng)建一個(gè)新的 PolyData 對(duì)象，并調(diào)用 SetPoints() 和 SetPolys() 方法將點(diǎn)集和拓?fù)鋯卧O(shè)置給該對(duì)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(diǎn)和線或面組成的幾何圖形。

代碼示例：

// 創(chuàng)建點(diǎn)集并添加點(diǎn)
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(duì)象并添加拓?fù)鋯卧?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(duì)象并設(shè)置點(diǎn)集和拓?fù)鋯卧?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(gè)新的點(diǎn)集對(duì)象。
• 然后使用 points.InsertNextPoint() 方法添加四個(gè)點(diǎn)。
• 接著使用 vtkCellArray.New() 創(chuàng)建一個(gè)新的 CellArray 對(duì)象，調(diào)用 InsertNextCell() 方法插入一個(gè)四邊形單元，再使用 InsertCellPoint() 方法添加該單元中的四個(gè)頂點(diǎn)。
• 最后使用 vtkPolyData.New() 創(chuàng)建一個(gè)新的 PolyData 對(duì)象，并調(diào)用 SetPoints() 和 SetPolys() 方法將點(diǎn)集和拓?fù)鋯卧O(shè)置給該對(duì)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(duì)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?cái)?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?cái)?shù)組并更新 ImageData 對(duì)象
imageData.GetPointData().SetScalars(pixelArray);
imageData.Update();

代碼說明：

• 首先使用 vtkImageData.New() 創(chuàng)建一個(gè)新的 ImageData 對(duì)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(gè)字節(jié)類型的像素?cái)?shù)組，使用嵌套循環(huán)填充數(shù)組中的每個(gè)像素。
• 接著使用 imageData.GetPointData() 和 SetScalars() 方法將像素?cái)?shù)組設(shè)置為 ImageData 對(duì)象的標(biāo)量數(shù)據(jù)，并調(diào)用 Update() 方法更新 ImageData 對(duì)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(diǎn)集合。

代碼示例：

// 創(chuàng)建點(diǎn)集并添加點(diǎn)
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(duì)象并設(shè)置點(diǎn)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(gè)新的點(diǎn)集對(duì)象，使用嵌套循環(huán)添加 125 個(gè)點(diǎn)。
• 然后使用 vtkStructuredGrid.New() 創(chuàng)建一個(gè)新的 StructuredGrid 對(duì)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(diǎn)集設(shè)置為該對(duì)象的點(diǎn)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?fù)鋯卧缢拿骟w、六面體等。下面是一個(gè) WinForms 示例，演示如何使用 vtkUnstructuredGrid 將一個(gè)四面體網(wǎng)格可視化。

代碼示例：

// 新建四個(gè)點(diǎn)
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?fù)鋯卧?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(duì)象，并將點(diǎn)和拓?fù)鋯卧砑舆M(jìn)去
vtkUnstructuredGrid unstructuredGrid = vtkUnstructuredGrid.New();
unstructuredGrid.SetPoints(points);
unstructuredGrid.InsertNextCell(tetra.GetCellType(), tetra.GetPointIds());

// 可視化 UnstructuredGrid 對(duì)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：

1. 首先，我們新建了四個(gè)點(diǎn)，并將它們添加到 vtkPoints 對(duì)象中。
2. 然后，我們新建了一個(gè) vtkTetra 對(duì)象，該對(duì)象表示了一個(gè)四面體拓?fù)鋯卧⑺膫€(gè)點(diǎn)的索引賦給該拓?fù)鋯卧乃膫€(gè)頂點(diǎn)。
3. 接著，我們新建了一個(gè) vtkUnstructuredGrid 對(duì)象，并通過 SetPoints() 方法將點(diǎn)集合添加進(jìn)去。然后，使用 InsertNextCell() 方法將拓?fù)鋯卧砑舆M(jìn)去。
4. 最后，我們創(chuàng)建了一個(gè) vtkDataSetMapper 對(duì)象和一個(gè) vtkActor 對(duì)象，并將 vtkUnstructuredGrid 對(duì)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(dòng)可視化窗口。

7、vtkTable

vtkTable 是 VTK 中用于存儲(chǔ)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(cè)量數(shù)據(jù)。下面是一個(gè) WinForms 示例，演示如何使用 vtkTable 將一組測(cè)量數(shù)據(jù)可視化。

代碼示例：

// 新建一個(gè)表格結(jié)構(gòu)
vtkTable table = vtkTable.New();

// 添加兩個(gè)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(gè)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(gè) vtkTable 對(duì)象來存儲(chǔ)我們的測(cè)量數(shù)據(jù)。
• 然后，我們向表格中添加兩個(gè)列（變量）X 和 Y。
• 接著，我們向表格中添加十個(gè)行，并且向每行中添加數(shù)據(jù)。
• 最后，我們創(chuàng)建了一個(gè) vtkPlotLine 對(duì)象和一個(gè) vtkChartXY 對(duì)象，并將 vtkTable 對(duì)象作為輸入數(shù)據(jù)。然后，將 vtkChartXY 渲染到 vtkRenderWindow 中，并在 vtkRenderWindowInteractor 中啟動(dòng)可視化窗口。

總結(jié)

VTK 是一個(gè)功能強(qiáng)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(jìn)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(diǎn)集合，vtkCellArray 用于存儲(chǔ)各種類型的拓?fù)鋯卧?，vtkPolyData 表示由點(diǎn)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(diǎn)集合。

在實(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理和可視化操作。