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VTK 9 (Visualization Toolkit 9) 中拥有一个复杂而强大的数据对象模型,用于表示和处理科学可视化中的各种数据。理解这些核心数据结构是有效使用VTK的关键。
1. 基石:vtkDataObject
这是VTK中所有数据对象的基类,它定义了所有数据类型共有的基本接口和功能。你可以把它看作是数据结构树的根。它本身不存储任何几何或拓扑信息,但提供了用于管理数据属性(例如标量、向量、张量等)的机制。
2. 核心父类:vtkDataSet
vtkDataSet
是一个抽象类,继承自 vtkDataObject
。它是所有可以被可视化(即可被渲染)的数据集的父类。它引入了几何结构(点的坐标)和拓扑结构(点如何连接成单元)的概念。
vtkDataSet
的两个核心组成部分是:
-
点 (Points): 定义数据集在空间中的位置。通常由
vtkPoints
对象来存储三维坐标 (x,y,z)。 -
单元 (Cells): 定义了点之间的连接关系,即拓扑结构。常见的单元类型包括顶点(Vertex)、线(Line)、三角形(Triangle)、四边形(Quad)、四面体(Tetrahedron)、六面体(Hexahedron)等。
vtkCellArray
通常用于高效地存储这些连接信息。
与 vtkDataSet
相关联的还有属性数据 (Attribute Data),例如 vtkPointData
和 vtkCellData
,它们分别用于存储与点和单元相关联的数据值(如温度、压力、速度等)。
3. 主要的可视化数据结构
vtkDataSet
有许多具体的子类,用于表示不同类型的网格。这些是最常用到的数据结构:
A. 结构化网格 (Structured Grids)
这类数据的拓扑结构是规则的、隐式的,因此存储效率很高。
-
vtkImageData
(图像数据):-
描述: 这是最规则的数据结构,用于表示三维的矩形阵列,可以看作是笛卡尔网格。几何结构和拓扑结构都是完全隐式的。
-
特点: 网格间距在x, y, z三个方向上是恒定的。
-
应用: 医学图像(如CT、MRI)、体积渲染、二维图像处理。
-
-
vtkRectilinearGrid
(直线网格):-
描述: 拓扑结构是隐式的矩形阵列,但网格间距在x, y, z各个方向上可以不均匀。
-
特点: 所有的边都与坐标轴平行。
-
应用: 用于表示几何形状规则但采样密度不均匀的数据。
-
-
vtkStructuredGrid
(结构化网格 / 曲线网格):-
描述: 拥有规则的拓扑结构(i, j, k索引),但点的几何位置是任意的,可以形成弯曲的网格。
-
特点: 拓扑关系是隐式的,但点的坐标必须被显式地存储。
-
应用: 计算流体动力学 (CFD) 中常见的贴体网格。
-
B. 非结构化数据 (Unstructured Data)
这类数据的拓Py结构是完全不规则的,必须被显式地定义。
-
vtkUnstructuredGrid
(非结构化网格):-
描述: 这是最通用的数据集类型。点的空间位置和点之间的连接关系(单元)都是完全任意和显式的。
-
特点: 可以表示任何类型的单元(顶点、线、三角形、四面体、金字塔等)的任意组合。存储开销最大,但灵活性最高。
-
应用: 有限元分析 (FEA)、CFD以及其他复杂几何模拟。
-
-
vtkPolyData
(多边形数据):-
描述: 这是VTK中最常见和重要的数据结构之一。它是一种简化的非结构化网格,专门用于表示和渲染曲面。
-
特点: 它由顶点 (Vertices)、线 (Lines)、多边形 (Polygons,通常是三角形) 和 三角带 (Triangle Strips) 组成。它不能表示三维实体单元(如四面体)。
-
应用: 表示几何表面(如STL模型)、流线、等值面提取的结果等。几乎所有的三维模型渲染都与它有关。
-
4. 其他重要数据结构
-
vtkTable
: 用于表示和处理表格数据(行和列),类似于电子表格。常用于存储图表、统计数据或与几何数据不直接关联的属性信息。 -
vtkGraph
: 用于表示图和网络,包含顶点 (vertices) 和边 (edges)。用于信息可视化和网络分析。 -
vtkMultiBlockDataSet
: 这是一个复合数据集,可以让你将多个不同类型的数据集组合成一个单一的逻辑单元来进行管理和处理。
总结与层次关系
你可以将这些核心数据结构想象成一个继承体系:
vtkDataObject|vtkDataSet/ | \/ | \(Structured) (Unstructured)/ | \ | \/ | \ | \
vtkImageData vtkRectilinearGrid vtkStructuredGrid vtkUnstructuredGrid vtkPolyData
在实际应用中,vtkImageData
、vtkPolyData
和 vtkUnstructuredGrid
是最常遇到的三类数据结构,分别代表了规则的体数据、表面数据和不规则的体数据