VTK學習筆記--4 數據集與數據屬性

項目不等人，只能先跳過範例，先看數據集和數據屬性這一章了。範例會在空閒時間穿插在筆記中。

第三章 數據集與數據屬性

定義：在可視化流水線中，稱處理的數據對象爲數據集。

數據集是抽象概念，對應的類vtkDataSet也是一個抽象類。因此在程序中使用的數據集是其具體化後的子類。

數據集的組成：

3.1 數據集的結構

由上面數據集結構的組成可知：定義一個數據集的結構須要分別對數據集的幾何和拓撲進行定義，即分別對點和單元進行定義。

下面分別介紹對點和單元的定義進行介紹：

①定義數據集的點

定義數據集的點十分簡單。首先將一系列的點座標插入到vtkPoints對象中，接着調用數據集對象的方法SetPoint（），並將這個vtkPoints對象做爲參數傳入，這樣就定義好了數據集的點，也就是定義好了數據集的幾何。插入到vtkPoints對象中點會有一個對應的id號（索引）。以後定義單元時，就是使用這些id號來表示相應點之間的關係的。

舉例：

#include"vtkPolyData.h"
#include"vtkPoints.h"

int main()
{
	int i;
	//定義點在三維座標系中的座標
	static float x[8][3]={{0,0,0,},{1,0,0},{1,1,0},{0,1,0},{0,0,1},{1,0,1},{1,1,1},{0,1,1}};
	
	vtkPolyData *cube=vtkPolyData::New();//建立數據集對象的實例
	vtkPoints *points=vtkPoints ::New();//建立vtkPoints對象的實例

	for(i=0;i<8;i++)points->InsertPoint(i,x[i]);//將點座標插入vtkPoints對象中

	cube->SetPoints(points);//爲數據集添加點，定義其幾何

	return 0;
}

固然上面的例子運行起來後沒有結果能夠顯示。

②定義數據集的單元

單元的定義要複雜一些，緣由是單元的類型比較多，或者說是點之間關係的種類比較多。

VTK支持的單元類型如圖所示：

（a）頂點：基本的零維單元，由一個單一點定義。

（b）多頂點：複合的零維單元，由任意順序的一系列點定義。

（c）線：基本的一維單元，由兩個點定義，其方向爲第一個點到第二個點的方向。

（d）多線段：複合的一維單元，包含一個或多個鏈接的線，由有序的n+1個點定義，其中n是多線段中的線的段數。每對點（i，i+1）定義了一段線。

（e）三角形：基本的二維單元，按照順時針或者逆時針方向排列的三個點定義。

（f）三角形帶：複合的而爲單元，包含一個或多個三角形，這些三角形沒必要位於一個平面上。其由有序的n+2個點進行定義，其中n是三角形的個數，點的排列順序必須知足使任意三個相鄰點（i，i+1，i+2）都能定義一個三角形，其中i的取值範圍爲【0，n-1】。

（g）四邊形：基本的二維單元，由位於同一個面上的按照順時針或者逆時針方向排列的四個點定義。四邊形必須是凸的，而且不能相交。

（h）像素：基本的二維單元，由有序的四個點定義。像素單元在拓撲上與四邊形等價，只是另外有幾何上的限制。像素的每條邊與其臨邊垂直，而且與x-y-z三個座標軸中的一個平行。所以，發現方向也平行於一個座標軸。

       定義像素的點的順序與定義四邊形單元的不一樣。點的順序是按照座標軸的正方向來排列的，先是x軸，而後是Y軸，最後是z軸。像素是一種四邊形的特例，用於改進計算性能。

注意事項：這裏給出的像素定義與一般的像素定義不一樣。通常像素是指圖像中具備常量值得圖像元素，而這裏給出的定義意味着，四個圖像元素造成了像素單元四個角上的點。

（i）多邊形：基本的二維單元，由位於同一平面上按照順時針或者逆時針的三個或更多個點定義。

（j）四面體：基本的三維單元，由四個不一樣平面的點定義。四面體包含六條邊和四個三角面。

（k）六面體：基本的三維單元，包含六個四邊形面，十二條邊和八個頂點。六面體由有序的8個點定義。面和邊不能與其餘面和邊相交，四邊形必須是凸的。

（l）體素：基本的三維單元。體素在拓撲上與六面體等價，只是另外帶有幾何上的限制。體素每一個面與x-y-z三個座標軸中的一個垂直。點的定義順序是按照座標軸的正方向來排列的。體素是六面體的一個特例，用於改進計算性能。

與像素同樣，這裏的體素的定義與常規意義上的體素不一樣。通常，體素是指具備長兩隻的體積元素。根據這裏體素單元的定義，8個體積元素造成了體素單元8個角上的點。

定義單元舉例：

#include"vtkPolyData.h"
#include"vtkPoints.h"
#include"vtkCellArray.h"
int main()
{
	int i;
	//定義點在三維座標系中的座標
	static float x[8][3]={{0,0,0,},{1,0,0},{1,1,0},{0,1,0},{0,0,1},{1,0,1},{1,1,1},{0,1,1}};
	//定義單元(經過點的索引來表達點之間的關係，因此採用vtkIdType)
	static vtkIdType pts[6][4]={{0,1,2,3},{4,5,6,7},{0,1,5,4},{1,2,6,5},{2,3,7,6},{3,0,4,7}};

	vtkPolyData *cube=vtkPolyData::New();//建立數據集對象的實例
	vtkPoints *points=vtkPoints ::New();//建立vtkPoints對象的實例
	vtkCellArray *polys=vtkCellArray::New();

	for(i=0;i<8;i++)points->InsertPoint(i,x[i]);//將點座標插入vtkPoints對象中
	for(i=0;i<6;i++)polys->InsertNextCell(4,pts[i]);//

	cube->SetPoints(points);//爲數據集添加點，定義其幾何
	points->Delete();
	cube->SetPolys(polys);//爲數據集添加單元，定義其拓撲
	polys->Delete();
	return 0;
}

3.2 數據集的屬性

      數據集的屬性（屬性數據）是與數據集結構相關聯的。而數據集又是創建在點和單元的基礎上，因此數據屬性很天然地是與點和單元相關聯。即每一個點或每一個單元都有與其對應的數據屬性。

      數據屬性的值稱爲屬性數據。屬性數據通常設置爲一些有實際意義的值，如在某點處的溫度（用一個數值表示），或在某點處所受的力（用三個數值表示）等。點或單元的屬性數據是以數據數組（vtkDataArray）的形式進行存儲的，根據數據值類型的不一樣，具體是存儲 在vtkDataArray的子類中，如vtkFloatArray或vtkIntArray等。數組的每一個元素稱爲元組，對應着但個點或單元的屬性數據。每一個元組能夠有多個份量（Component），例如速度值就有分別沿着x，y，z軸的三個份量。數組的長度必須與點或單元的個數相同，這樣才能保證與點或單元一一對應。以下是建立數組的方法：

vtkFloatArray *scalars=vtkFloatArray::New();

scalars->InsertTuple1(0,0.0);

scalars->InsertTuple1(0,1.0);

……

vtkDoubleArray *vectors=vtkDoubleArray::New();

vectors->SetNumberOfComponents(3);//設置份量個數，默認爲1

vectors->SetNumberOfTuples(10);//設置元組個數，必須等於點的個數

vectors->SetTuple3(0,0.0,0.5,1.0);//設置Id爲0的點的屬性數據

vectors->SetTuple3(1,0.0,1.5,1.0);//設置Id爲1的點的屬性數據

……

vtkIntArray *anArray=vtkIntArray::New();

anArray->SetNumberOfComponents(2);

anArray->SetName("Velocity");

anArray->SetTuple2(0,1,3);

anArray->SetTuple2(1,2,4);

從代碼能夠看出，在插入各個數據前，元組的個數能夠不指定。這樣的話，就必須調用名字前綴爲Insert的方法插入數據（注意最終插入的元組個數必須等於點或單元的個數）。若是制定了元組個數的話，就能夠調用名字前綴爲Set的方法，該方法相對較快些。方法名後綴的數字表示的是元組中份量的個數，該數字與SetNumberOfComponents（）參數一致，默認份量個數爲1.設定每一個元組數據時，需提供若干個參數，第一個是點ID號，以後是元組各個份量的值。設置元組數據還有不少種方法可供選擇。

  數據數組可做爲特殊或通常的屬性數據添加進數據集中。如果做爲通常屬性數據的話，那麼在建立數據數組的時候，能夠用方法SetName（）給數組設置一個名字，如上面代碼中：anArray->SetName("Velocity")，以後就能夠經過這個名字來使用該數據數組。下面以多邊形數據集爲例，說明使用兩種不一樣形式添加數據數組的過程：

vtkPolyData *polyData = vtkPolyData::New();//建立數據集對象的實例

……

polyData->GetPointData()->SetScalars(scalars);//特殊屬性數據

polyData->GetCellData()->SetVectors(vectors);//特殊屬性數據

polyData->GetPointData()->AddArray(anArray);//通常屬性數據

首先須要調用數據集的方法GetPointData(）或者GetCellData()獲取點或單元數據，接着調用方法SetScalars（）和SetVectors（）將數據數組做爲特殊屬性數據存儲。這兩個方法分別設置的是標量屬性數據和矢量屬性數據（其餘特殊屬性數據還包括法向量屬性數據、紋理座標屬性數據和張量屬性數據，分別用方法SetNormals（）、SetTCoords（）和SetTensors（）設置）。最後調用AddArray（）將數據數組做爲通常屬性數據添加進數據集中。該方法能夠屢次調用從而添加多個數據數組。正是因爲通常屬性數據沒有數量上的限制，因此使用字符串名字來進行區分會方便些。

補充：下面資料來自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_84181a7901017tsm.html

       屬性數據主要用於描述數據集的屬性特徵，屬性數據經常和數據集的幾何數據或單元數據相關聯，對數據集的可視化實質上是對屬性數據的可視化，例如，根據壓力監測數據構建一個壓力場可視化數據集後，數據集中的每一個數據點（幾何數據）或單元都必須有對應的屬性數據，VTK根據屬性數據設置顏色表，用不一樣的顏色表示不一樣的壓力，經過顏色的變化狀況，能夠直觀的分析出壓力的變化趨勢。

       屬性數據依據數據的性質可分爲標量數據、向量數據、張量數據幾大類，通常標量數據和向量數據應用的比較多，大部分的例子都以這兩種數據爲主。

     一、標量數據

      標量數據只表示數據的大小，例如溫度、壓力、高度等。

 

      二、向量數據

      既有大小又有方向的量，如速度、應力、位移等。

     三、張量數據

      張量是矢量和矩陣經過複雜的數學算法獲得的，一個k階的張量可看成一個k維的表格。零階的張量是標量，一階的張量是矢量，二階的張量是紋理座標，三階的張量是一個三維陣列。  

屬性數據只能和數據集中的點及單元關聯，對於構成單元的基本組成要素，如邊和麪等不能與數據屬性關聯，咱們稱與點關聯的數據屬性爲點屬性，與單元關聯的數據屬性爲單元屬性。

      在VTK中用vtkPointData類和vtkCellData類表達數據集屬性，它們是類vtkFieldData的子類，構成數據集的每一個點（或單元）和屬性數據之間存在一對一的關係，如一個數據集由N個點（或單元）構成，那麼必須有N個屬性數據和這N個點（或單元）一一對應，經過點的ID號就能夠對該點的屬性數據進行訪問，例如在數據集aDataSet中訪問ID號爲129的點的標量值時（假設標量數據已被定義且不爲空）使用以下方法： aDataSet->GetPointData()->GetScalars()->GetScalar(129)。

如今前面兩節3.1 3.2 已經將數據集的構成講完了。可是數據集的結合和拓撲有各類各樣的可能，因此，還須要從數據集總體上對數據集進行分類。假設以哺乳動物這個類來比喻數據集的話，如今咱們已經知道動物是由血肉和骨頭組成的了。可是血肉和骨頭的組成由不少種，因此在實際生活中咱們可能還要將哺乳動物分紅各類可數好比貓科、犬科等等。

Σ( ° △ °|||)︴ 我這個比喻好像不恰當。原諒個人想象力吧。後面講介紹： 各類數據集類型  這是很重要的部分。