参考：《VTK图形图像开发进阶 (张晓东，罗火灵编著) 》

1 数据对象和数据集

1.1 `vtkDataObject`

vtk 中，数据一般以 数据对象 (Data Object，类 vtkDataObject) 的形式表现，这是 VTK 可视化数据最常用的表达形式。数据对象是数据的集合，数据对象表现的数据是可以被可视化管线处理的数据，只有当数据对象被组织成一种结构后，才能被 VTK 提供的可视化算法所处理。

没有直接使用 vtkDataObject 来实例化数据对象，而是根据具体的可视化数据选用其具体的子类实现可视化。

1.2 `vtkDataSet`

数据集概念：将数据对象组织成结构并赋予属性值，形成数据集。vtkDataSet是VTK中对应此概念的类，派生自 vtkDataObject。
构成部分：
- 组织结构：包括拓扑结构（Topology）和几何结构（Geometry）。
- 属性数据：与组织结构相关联的属性数据。
拓扑与几何结构：
- 几何结构：由点数据（Point Data）定义的一系列坐标点构成，描述 对象的空间位置关系。
- 拓扑结构：由单元数据（Cell Data）定义，描述对象的构成形式，即 点之间的连接顺序。
vtkPolyData 派生自类 vtkPointSet ，vtkPointSet 派生自 vtkDataSet 。vtkPolyData 是 vtkDataSet 的具体实现，表示由顶点、线、多边形和/或三角带组成的几何结构，同时包含点和单元的属性值（如标量、向量等）。

2 属性单元

属性数据的定义与关联
- 属性数据是与数据集的组织结构相关联的信息。
- 组织结构包括几何结构（由点数据定义）和拓扑结构（由单元数据定义）。
- 因此，属性数据通常与点数据或单元数据相关联，也可能与单元的边、面等成分，甚至整个数据集或其中的一组数据相关联。
属性数据的作用
- 主要用于描述数据集的属性特征。
- 对数据集的可视化，实质上就是对属性数据的可视化。例如，在压力场可视化中，通过为每个数据点或单元关联压力值，VTK可以用颜色映射来直观显示压力分布和变化趋势。
属性数据的分类与抽象
- 按性质可分为标量数据（如温度、压力）、矢量数据（如速度）和张量数据等几大类。
- 可以抽象为n维数组：标量数据可看作1x1数组，矢量数据可看作3x1数组（X, Y, Z分量）。
- 其中，标量数据和矢量数据的应用最为广泛。
VTK中的属性数据表达
- 在VTK中，通过 vtkPointData 类和 vtkCellData 类来表达数据集的属性。这两个类都是 vtkDataSetAttributes（继承自 vtkFieldData）的子类。
- 点（或单元）与属性数据之间存在一一对应的关系。一个有N个点（或单元）的数据集，必须有N个对应的属性数据。可以通过点的索引号来访问其属性数据。
- 例如：在数据集 aDataSet 中访问索引号为 129 的点的标量值时，使用下面方法：
```
aDataSet->GetPointData()->GetScalars()->GetScalar(129);
```

几种属性数据：

3 不同类型的数据集

vtkPolyData：

多边形数据集。
由多种基本单元构成，包括：
- 顶点 (Vertex) 和多顶点 (Polyvertex)
- 线 (Line) 和折线 (Polyline)
- 三角形条带 (Triangle Strip)

核心特点
- 结构不规则：与规则网格不同，其结构更为灵活。
- 拓扑维度多样：所包含的单元具有不同的拓扑维度（0维、1维、2维）。
- 桥梁作用：是连接原始数据、处理算法和计算机图形渲染的关键桥梁。
设计与效率考量
- 基本要素：顶点、线、多边形构成了表达0、1、2维几何体的最小基本集合。
- 高效单元：通过引入多顶点、折线、三角形条带等复合单元，旨在提升数据存储和处理效率。
- 三角形条带的优势：
  - 存储高效：表达N个三角形仅需 N+2个点，而传统独立三角形表达需要 3N个点，极大节省了存储空间。
  - 渲染快速：大多数图形库对三角形条带的渲染优化程度高，渲染速度比渲染独立三角形快很多。

4 数据的存储与表达

4.1 `vtkDataArray`

核心特点：
- 采用连续内存，可快速创建、删除、遍历，是 VTK 内存分配的基础，数据访问基于零开始的索引。
- 以vtkFloatArray为例：用指针Array存数据，Size指定数组长度（超出时自动Resize为原长度 2 倍），MaxId记录最后插入数据的索引（无数据时为 - 1）。
元组（Tuple）概念：
- 用于存储多分量数据（如 RGB 颜色的红 / 绿 / 蓝），NumberOfComponents表示元组的分量数（设定后不变），数据数组由多个元组组成，每个元组含固定分量数。
应用与扩展：
- 是 VTK 数据对象（如vtkPolyData）的基础，支撑几何、拓扑、属性数据的存储，可存标量 / 向量 / 张量数据（对应元组大小：标量无要求、向量 3、张量 9）。
- 提供工具类：vtkSplitField拆分多分量数组，vtkMergeFields合并单分量数组。

这个内容围绕VTK中vtkDataArray创建数据数组的方法及相关设计展开：

数据数组的创建方式

固定长度创建
通过代码示例演示：

vtkSmartPointer<vtkFloatArray> array = vtkSmartPointer<vtkFloatArray>::New();
array->SetNumberOfComponents(1);  // 设置元组的分量数为1
array->SetNumberOfTuples(10);     // 设置元组总数为10
array->SetTuple(6, 9.0, 10, 0.0); // 给第6个元组赋值
array->SetComponent(5, 0, 5);     // 给第5个元组的第0个分量赋值
double b = array->GetComponent(5, 0); // 获取第5个元组的第0个分量值

核心方法：

SetComponent(i,j,c)：设置第i个元组的第j个分量值为c
GetComponent(i,j)：获取第i个元组的第j个分量值

动态长度创建
代码示例：

vtkSmartPointer<vtkFloatArray> array = vtkSmartPointer<vtkFloatArray>::New();
array->SetNumberOfComponents(1);
array->InsertNextTuple1(5);  // 插入单分量元组，值为5
array->InsertNextTuple1(10); // 插入单分量元组，值为10
double b = array->GetComponent(1, 0); // 获取第1个元组的第0个分量值

类似方法：InsertNextTuple2()/InsertNextTuple3()等（对应不同分量数的元组）

vtkSmartPointer<vtkFloatArray> array = vtkSmartPointer<vtkFloatArray>::New();
array->SetNumberOfComponents(1);  // 设置元组的分量数为1
array->SetNumberOfTuples(10);     // 设置元组总数为10
array->SetTuple(6, 9.0, 10, 0.0); // 给第6个元组赋值
array->SetComponent(5, 0, 5);     // 给第5个元组的第0个分量赋值
double b = array->GetComponent(5, 0); // 获取第5个元组的第0个分量值

类似方法：InsertNextTuple2()/InsertNextTuple3()等（对应不同分量数的元组）

数据数组的类型设计

vtkDataArray是抽象基类，通过C++动态绑定（virtual方法）统一接口，其子类实现特定数据类型的数组操作，继承关系：

classDiagram
    direction BT
    
    vtkObject <|-- vtkAbstractArray
    vtkAbstractArray <|-- vtkDataArray
    vtkDataArray <|-- vtkUnsignedCharArray
    vtkDataArray <|-- vtkCharArray
    vtkDataArray <|-- vtkUnsignedShortArray
    vtkDataArray <|-- vtkFloatArray
    
    class vtkObject {
        <<abstract>>
    }
    class vtkAbstractArray {
        <<abstract>>
    }
    class vtkDataArray {
        <<abstract>>
    }

4.2 对象数据的表达

vtkDataObject 的定位
- VTK 的数据对象基于vtkDataArray的 “数组的数组” 实现，vtkDataObject是通用可视化数据的表达，但可视化算法不直接处理它（需数据有特定结构）。
- 内部封装了管线执行相关的变量 / 方法，且包含vtkFieldData（场数据）实例来负责数据表达。
vtkFieldData 的作用
- 是 “数据数组的数组”：每个元素是独立数组，类型、长度、元组大小、名称等都可不同。
- 是属性数据的存储载体，其继承类对应不同场景：以vtkPolyData为例，内部包含三类数据：
  - vtkPointData：与点关联（如点的温度）；
    - vtkCellData：与单元关联（如三角形单元的面积）；
    - vtkFieldData：存储点 / 单元之外的数据（如模型质心）。

vtk基本数据结构（摘录）