VTK 中的資料結構

VTK (Visualization Toolkit) 是一個流行的開源可視化工具包，可以用于建立與處理 3D 圖像、幾何資料和許多其他類型的資料。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 架構內建。

VTK 中涉及到的幾個資料結構主要包括 vtkPoints、vtkCellArray、vtkPolyData、vtkImageData 、vtkStructuredGrid、vtkUnstructuredGrid、vtkTable等。

1. vtkPoints

vtkPoints 是 VTK 中最基本的資料結構之一，表示了一個由三維坐标表示的點集合。

代碼示例

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

// 建立 PolyData 對象并設定點集
vtkPolyData polyData = vtkPolyData.New();
polyData.SetPoints(points);

代碼說明

首先使用 vtkPoints.New() 建立一個新的點集對象。
然後使用 points.InsertNextPoint() 方法添加四個點。
最後使用 vtkPolyData.New() 建立一個新的 PolyData 對象，并調用 SetPoints() 方法将點集設定給該對象。

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

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

// 建立 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);

// 建立 PolyData 對象并設定點集和拓撲單元
vtkPolyData polyData = vtkPolyData.New();
polyData.SetPoints(points);
polyData.SetPolys(cellArray);

代碼說明

首先使用 vtkPoints.New() 建立一個新的點集對象。
然後使用 points.InsertNextPoint() 方法添加四個點。
接着使用 vtkCellArray.New() 建立一個新的 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。
最後使用 vtkPolyData.New() 建立一個新的 PolyData 對象，并調用 SetPoints() 和 SetPolys() 方法将點集和拓撲單元設定給該對象。

3. vtkPolyData

vtkPolyData 是 VTK 中最基本的資料表示形式之一，表示由點和線或面組成的幾何圖形。

代碼示例

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

// 建立 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);

// 建立 PolyData 對象并設定點集和拓撲單元
vtkPolyData polyData = vtkPolyData.New();
polyData.SetPoints(points);
polyData.SetPolys(cellArray);

代碼說明

首先使用 vtkPoints.New() 建立一個新的點集對象。
然後使用 points.InsertNextPoint() 方法添加四個點。
接着使用 vtkCellArray.New() 建立一個新的 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。
最後使用 vtkPolyData.New() 建立一個新的 PolyData 對象，并調用 SetPoints() 和 SetPolys() 方法将點集和拓撲單元設定給該對象。

4. vtkImageData

vtkImageData 用于表示規則網格資料，例如圖像資料。

代碼示例

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

// 建立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));
    }
}

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

代碼說明

首先使用 vtkImageData.New() 建立一個新的 ImageData 對象，并調用 SetDimensions() 和 SetScalarTypeToUnsignedChar() 方法設定尺寸和像素類型。
然後建立一個位元組類型的像素數組，使用嵌套循環填充數組中的每個像素。
接着使用 imageData.GetPointData() 和 SetScalars() 方法将像素數組設定為 ImageData 對象的标量資料，并調用 Update() 方法更新 ImageData 對象。

5. vtkStructuredGrid

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

代碼示例

// 建立點集并添加點
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);
        }
    }
}

// 建立 StructuredGrid 對象并設定點集
vtkStructuredGrid structuredGrid = vtkStructuredGrid.New();
structuredGrid.SetDimensions(5, 5, 5);
structuredGrid.SetPoints(points);

代碼說明

首先使用 vtkPoints.New() 建立一個新的點集對象，使用嵌套循環添加 125 個點。
然後使用 vtkStructuredGrid.New() 建立一個新的 StructuredGrid 對象，調用 SetDimensions() 方法設定網格的次元，再調用 SetPoints() 方法将點集設定為該對象的點集。

6. vtkUnstructuredGrid

vtkUnstructuredGrid 是 VTK 中用于表示非規則網格資料的一種資料結構，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，示範如何使用 vtkUnstructuredGrid 将一個四面體網格可視化。

代碼示例

// 建立四個點
vtkPoints points = vtkPoints.New();
points.InsertNextPoint(0, 0, 0);
points.InsertNextPoint(1, 0, 0);
points.InsertNextPoint(0, 1, 0);
points.InsertNextPoint(0, 0, 1);

// 建立四面體拓撲單元
vtkTetra tetra = vtkTetra.New();
tetra.GetPointIds().SetId(0, 0);
tetra.GetPointIds().SetId(1, 1);
tetra.GetPointIds().SetId(2, 2);
tetra.GetPointIds().SetId(3, 3);

// 建立 UnstructuredGrid 對象，并将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，我們建立了四個點，并将它們添加到 vtkPoints 對象中。
然後，我們建立了一個 vtkTetra 對象，該對象表示了一個四面體拓撲單元，并将四個點的索引賦給該拓撲單元的四個頂點。
接着，我們建立了一個 vtkUnstructuredGrid 對象，并通過 SetPoints() 方法将點集合添加進去。然後，使用 InsertNextCell() 方法将拓撲單元添加進去。
最後，我們建立了一個 vtkDataSetMapper 對象和一個 vtkActor 對象，并将 vtkUnstructuredGrid 對象作為 mapper 的輸入資料。然後，将 vtkActor 添加到 vtkRenderer 中，并将 vtkRenderer 添加到 vtkRenderWindow 中，最後在 vtkRenderWindowInteractor 中啟動可視化視窗。

7. vtkTable

vtkTable 是 VTK 中用于存儲表格資料的一種資料結構，例如一組多變量的測量資料。下面是一個 WinForms 示例，示範如何使用 vtkTable 将一組測量資料可視化。

代碼示例

// 建立一個表格結構
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();

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

// 可視化表格資料
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，我們建立了一個 vtkTable 對象來存儲我們的測量資料。
然後，我們向表格中添加兩個列（變量）X 和 Y。
接着，我們向表格中添加十個行，并且向每行中添加資料。
最後，我們建立了一個 vtkPlotLine 對象和一個 vtkChartXY 對象，并将 vtkTable 對象作為輸入資料。然後，将 vtkChartXY 渲染到 vtkRenderWindow 中，并在 vtkRenderWindowInteractor 中啟動可視化視窗。

總結

VTK 是一個功能強大的開源可視化工具包，可以用于建立各種類型的 3D 圖像和幾何資料。在 C# 中，我們可以利用 VTK 進行三維可視化，并與 WinForms 架構無縫內建。

在 VTK 中，vtkPoints、vtkCellArray、vtkPolyData、vtkImageData 、vtkStructuredGrid、vtkUnstructuredGrid、vtkTable 是最常用的資料結構之一。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 用于表示規則網格資料，例如圖像資料，而 vtkStructuredGrid 則用于表示非規則網格資料，例如有規則結構的點集合。

在實際應用中，可以根據需要選擇适當的資料結構，在其基礎上進行資料處理和可視化操作。

深入了解VTK資料結構：為科學可視化和工程計算提供強有力的支援

VTK 中的資料結構

1. vtkPoints

2. vtkCellArray

代碼說明

3. vtkPolyData

4. vtkImageData

5. vtkStructuredGrid

6. vtkUnstructuredGrid

7. vtkTable

總結

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