VTK 中的數據結構

VTK (Visualization Toolkit) 是一個流行的開源可視化工具包，可以用于創建與處理 3D 圖像、幾何數據和許多其他類型的數據。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 中涉及到的幾個數據結構主要包括 vtkPoints、vtkCellArray、vtkPolyData、vtkImageData 、vtkStructuredGrid、vtkUnstructuredGrid、vtkTable等。

1. vtkPoints

vtkPoints 是 VTK 中最基本的數據結構之一，表示了一個由三維坐標表示的點集合。

代碼示例

// 創建點集并添加點
vtkPoints points = vtkPoints.New();
points.InsertNextPoint(0, 0, 0);
points.InsertNextPoint(1, 0, 0);
points.InsertNextPoint(1, 1, 0);
points.InsertNextPoint(0, 1, 0);

// 創建 PolyData 對象并設置點集
vtkPolyData polyData = vtkPolyData.New();
polyData.SetPoints(points);

代碼說明

首先使用 vtkPoints.New() 創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() 創建一個新的 PolyData 對象，并調用 SetPoints() 方法將點集設置給該對象。

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);

// 創建 PolyData 對象并設置點集和拓撲單元
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() 創建一個新的 CellArray 對象，調用 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() 創建一個新的 PolyData 對象，并調用 SetPoints() 和 SetPolys() 方法將點集和拓撲單元設置給該對象。

3. vtkPolyData

vtkPolyData 是 VTK 中最基本的數據表示形式之一，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);

// 創建 PolyData 對象并設置點集和拓撲單元
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() 創建一個新的 CellArray 對象，調用 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() 創建一個新的 PolyData 對象，并調用 SetPoints() 和 SetPolys() 方法將點集和拓撲單元設置給該對象。

4. vtkImageData

vtkImageData 用于表示規則網格數據，例如圖像數據。

代碼示例

// 創建 ImageData 對象并設置尺寸和像素類型
vtkImageData imageData = vtkImageData.New();
imageData.SetDimensions(256, 256, 1);
imageData.SetScalarTypeToUnsignedChar();

// 創建像素數組并填充像素
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));
    }
}

// 設置像素數組并更新 ImageData 對象
imageData.GetPointData().SetScalars(pixelArray);
imageData.Update();

代碼說明

首先使用 vtkImageData.New() 創建一個新的 ImageData 對象，并調用 SetDimensions() 和 SetScalarTypeToUnsignedChar() 方法設置尺寸和像素類型。
然后創建一個字節類型的像素數組，使用嵌套循環填充數組中的每個像素。
接著使用 imageData.GetPointData() 和 SetScalars() 方法將像素數組設置為 ImageData 對象的標量數據，并調用 Update() 方法更新 ImageData 對象。

5. vtkStructuredGrid

vtkStructuredGrid 用于表示非規則網格數據，例如有規則結構的點集合。

代碼示例

// 創建點集并添加點
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);
        }
    }
}

// 創建 StructuredGrid 對象并設置點集
vtkStructuredGrid structuredGrid = vtkStructuredGrid.New();
structuredGrid.SetDimensions(5, 5, 5);
structuredGrid.SetPoints(points);

代碼說明

首先使用 vtkPoints.New() 創建一個新的點集對象，使用嵌套循環添加 125 個點。
然后使用 vtkStructuredGrid.New() 創建一個新的 StructuredGrid 對象，調用 SetDimensions() 方法設置網格的維度，再調用 SetPoints() 方法將點集設置為該對象的點集。

6. vtkUnstructuredGrid

vtkUnstructuredGrid 是 VTK 中用于表示非規則網格數據的一種數據結構，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 的輸入數據。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 中用于存儲表格數據的一種數據結構，例如一組多變量的測量數據。下面是一個 WinForms 示例，演示如何使用 vtkTable 將一組測量數據可視化。

代碼示例

// 新建一個表格結構
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();

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

// 可視化表格數據
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據。
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據。
最后，我們創建了一個 vtkPlotLine 對象和一個 vtkChartXY 對象，并將 vtkTable 對象作為輸入數據。然后，將 vtkChartXY 渲染到 vtkRenderWindow 中，并在 vtkRenderWindowInteractor 中啟動可視化窗口。

總結

VTK 是一個功能強大的開源可視化工具包，可以用于創建各種類型的 3D 圖像和幾何數據。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 是最常用的數據結構之一。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 用于表示規則網格數據，例如圖像數據，而 vtkStructuredGrid 則用于表示非規則網格數據，例如有規則結構的點集合。

在實際應用中，可以根據需要選擇適當的數據結構，在其基礎上進行數據處理和可視化操作。