1.VTK管線機制

VTK中通過管線機制來實現組合各種算法處理數據。每一種算法是一個Filter，多個Filter連接在一起形成VTK管線。每個Filter可以分為兩個組成部分：一個是算法對象，繼承自vtkAlgrithm，主要負責處理輸入的數據和信息；另一個是執行對象，繼承自vtkExecute()，負責通知算法對象何時運行以及傳遞需要處理的數據和信息。Filter類繼承自vtkAlgrithm及其子類，實例化時，內部會生成一個默認的Executive()對象，用于管理執行管線。 數據和信息通過端口在Filter中傳遞，根據數據流的方向，分為輸入端口和輸出端口，如下圖所示：
Filter的輸入數據與信息存儲在輸入端口中。一個Filter可能有0個輸入端口（例如Reader對象）；也可能有一個或多個輸入端口（例如，vtkGlyph3D類需要兩個輸入端口，每個輸入端口可以建立多個連接）。 一個Filter可能有1個或多個輸出端口，每個輸出端口對應一個邏輯輸出。例如vtkExtractVectorComponents類，從一個三維向量數據中提取每個分量數據，該Filter需要一個輸入端口接受向量數據，三個輸出端口用于輸出三個分量數據，端口號分別為0,1,2。 Filter之間通過端口（Port）建立連接（Connection）。例如一個標準的連接代碼如下： Filter2->SetInputConnection( Filter1->GetOutputPort() ); 該句代碼將Filter1的輸出端口與Filter2的輸入端口建立連接，連接中只涉及了一個輸入端口和一個輸出端口。而VTK中還有許多Filter可能需要多個輸入，例如vtkGlyph3D，該類需要兩個輸入數據并生成一個輸出數據。因此這里需要建立兩個連接，相應的函數分別為SetInputConnection()和SetSourceConnection()，其中，SetInputConnection()輸入的是幾何點集數據，對應輸入端口0，SetSourceConnection()輸入的是Glyph圖形數據，對應輸入端口1。vtkGlyph3D中輸入的兩個數據具有不同的意義，因此建立了兩個不同的輸入端口。另外，對一個Filter的多個輸入數據具有相同意義時，則只需要建立一個輸入端口，并使用AddInputConnection()來添加新的連接。例如vtkAppendFilter類實現數據的合并，其多個輸入數據具有相同意義，而不像vtkGlyph3D的兩個輸入表示不同的對象，因此其連接建立如下： apeend = vtkAppendFilter::New(); append->AddInputConnection( foo->GetOutputPort ); append->AddInputConnection( bar->GetOutputPort );下圖顯示了Filter之間建立連接的示意圖： 在一個連接中，上游Filter（也稱為Producer）的輸出端口與下游Filter（也稱為Consumer）的輸出端口建立連接。上游Filter為下游Filter提供數據和信息以待處理。

2.完整的VTK管線

一個完整的VTK管線通常包含Source對象、Filter對象和Mapper對象。

• Source對象時一個管線的起點，主要負責讀取文件或者根據參數生成管線處理的數據，例如，vtkBMPReader、vtkSphereSource等。讀取文件的Source通常稱為Reader。
• Filter對象是處理數據的算法類，需要一個或者多個輸入類生成一個或者多個輸出，例如，vtkImageCast、vtkCurvatures等。
• Mapper對象負責將數據轉換為圖元，但也可能將數據寫入文件或者其他軟件系統，寫文件的Mapper通常稱為Writer。

2.1 執行管線的連接和控制是如何實現的？

一般情況下，Source對象、Filter對象、Mapper對象都統稱為Filter。VTK中存在多種數據結構，如果每種數據類型都要定義一種Filter，那么將會產生非常龐大的Filter群，不利于定義一種通用的VTK執行管線。 管線的接口是通過邏輯端口（Logical Port）而不是數據流實現的，因此在形成連接的過程中不需要知道實際的數據類型，而是在執行時進行數據類型檢查，以決定管線是否執行。 vtk定義了一個vtkInfomation類，用于存儲和傳遞管線執行過程中的信息、請求和數據，實現執行管線的連接和控制。

3.信息對象類vtkInformation

vtkInformation是實現VTK執行管線的一個非常重要的類。此類實際上是一個Map容器，采用Key-Value的映射方式，通過索引（Key）的類型來決定其對應的數據，用于存儲管線中的各種信息和數據。 使用vtkInformation類較好地增強了VTK執行管線的靈活性，對于管線接口而言，不需要知道數據和信息的實際類型，從而在不改變VTK執行管線類接口的情況下，方便地為Filter的端口添加新的數據。 vtkInformation類中索引Key的類型為vtkInformationKey的子類，VTK定義了大量的索引類型，這些類都繼承自vtkInformationKey。比如：vtkObjectData類中定義的靜態函數： static vtkInformationDataObjectKey* ?DDATA_OBJECT(); 用于獲取一個映射vtkDataObject類型數據的vtkInformationDataObjectKey類型索引對象，可以方便的保存和獲取一個vtkDataObject數據，該函數在CPP文件中實現如下： vtkInformationKeyMacro( vtkDataObject, DATA_OBJECT, DataObject); vtkInformationKeyMacro是一個宏，其代碼如下： #define vtkInformationKeyMacro(CLASS, NAME, Type); {static vtkInformation##type##Key* CLASS##_##NAME = new vtkInformation##type##Key(#NAME, #CLASS);return CLASS##_##NAME; }從該宏的定義可知，需要三個參數：一個是調用宏的類名CLASS，一個是函數名字NAME，另外一個是索引類型Type。CLASS與NAME僅在內部使用，而type決定了返回的Key的類型，如以上的vtkInformationDataObjectKey傳入的type為DataObject。所以一個Key類型結構為vtkInformation##type##Key，輸入不同的type，即可得到不同的Key。

• Key的約束

當一個Key類型的構造函數需要額外的信息來限制Key時，需要使用vtkInformationKeyRestrictedMacro宏： #define vtkInformationKeyRestrictedMacro( CLASS, NAME, type, required) \ {static vtkInformation##type##Key* CLASS##_##NAME =new vtkInformation##type##Key( #NAME, #CLASS, required);return CLASS##_##NAME; }例如，vtkDataObject中靜態函數ORIGIN()用于返回映射三維向量的索引Key： static vtkInformationDoubleVectorKey* ORIGIN(); 其實現如下： vtkInformationKeyRestrictedMacro( vtkDataObject, ORIGIN, Double Vector, 3); 以上返回的是一個vtkInformationDoubleVectorKey類型，由于使用時需要限定維數大小，因此使用vtkInformationKeyRestrictedMacro，并將為數作為第四個參數傳入來限定向量大小，其類型參數為DoubleVector。使用上述方式可以方便地自定義Key類型和訪問函數。

3.1 管線信息對象

管線信息對象用于存儲執行管線的執行信息，存儲在Filter的執行對象中。每個輸出端口對應一個管線信息對象，通過vtkExecutive::GetOutputInformation()函數獲取。輸出端口的管線信息對象中包含了輸出端口的vtkDataObject數據，可以通過相應的索引Key值來獲取；與此同時，每個輸出端口的vtkDataObject數據中也存儲了對應端口的管線信息對象指針，通過vtkDataObject::GetPipelineInformation()來訪問。另外，每個輸出端口連接也對應一個管線對象，通過vtkExecutive::GetInputInformation()函數獲取。輸入端口連接對應的管線對象實際上為該鏈接對應的上游Filter的輸出端口管線對象。 SetInputConnection(int potr, vtkAlgrithmOutput* input)用于建立連接，其中input是一個vtkAlgrithmObject類型參數，定義了一個端口Index和算法對象Producer，通過函數GetIndex()和GetProducer()可以直接獲取。因此在SetInputConnection()函數中，可以通過如下代碼獲取上游Filter（producer）的端口信息對象來建立連接。 vtkExecutive* producer =( input && input->GetProducer() ) ? input->GetProducer()->GetExecutive():0; int producerPort = producer? intput->GetIndex():0; vtkInformation* newInfo =producer ? producer->GetOutputInformation(producerPort):0;GetOutputPort()函數用于獲取上游Filter的輸入端口信息，即SetInputConnection()中的input對象。 GetOutputPort()函數實現代碼如下： vtkAlgrithmOutput* vtkAlgrithm::GetOutputPort(int port) {if( !this->OutputPortIndexInRange(port, "get") ){return 0;}//Create the vtkAlgrithmOutput proxy object if there is not oneif( !this->AlgrithmInternal->Outputs[port] ){this->AlgrithmInternal[port] =vtkSmartPoint<vtkAlgorithmOutput>::New();this->AlgorithmInternal[port]->SetProducer(this);this->AlgorithmInternal[port]->SetIndex[port];}//return the proxy pbject instancereturn this->AlgorithmInternal->Outputs[port]; }一個Filter可能會有多個輸出端口，這就對應著多個管線信息對象，VTK中使用VTKInformationVector類表示信息對象的集合。在vtkExecutive中即使用該類來定義管線信息對象集合。使用該類可以方便地對信息對象進行操作，例如GetNumberOfInformationObjects()/SetNumberOfInformationObjects()用于獲取或者設置信息對象數目；SetInformationObject()/GetInformationObject()用于設置或獲取某個信息對象；Append()/Remove()用于追加或者刪除信息對象。在vtkAlgrithm中，也是該類來定義端口信息對象集合。

3.2 端口信息對象

端口信息對象存儲在vtkAlgrithm類中，每個輸入端口和每個輸出端口都對應一個端口信息對象。端口信息對象的作用是指定輸入/輸出數據的類型，管線執行時需要根據輸入/輸出數據類型來判斷和生成相應的數據。vtkAlgoorithm::GetInputPortInformation()用于獲取輸入端口信息對象。在vtkAlgrithm中，使用PORT_REQUIREMENTS_FILLED索引來標識是否設置端口的需求信息。因此，在GetInputPortInformation()中需要判斷是否設置輸入端口的需求信息。如果還未設置，則調用vtkAlgrithm::fillInputInformation()函數來設置輸入端口需求信息。
vtkAlgrithm也是一個很基本的基類。所以vtkAlgorithm::FillInputPortInformation()僅實現了一個空的虛函數。在vtkAlgrithum子類中需要對該虛函數進行覆蓋。例如vtkPolyDataAlgorithm中需要輸入端口的數據類型為vtkPolyData，那么相應的FillInputPortInformation()實現如下： int vtkPolyDataAlgrithm::FillInputPortInformation(int vtkNotUsed(port),vtkInformation* info) {info->Set( vtkAlgrithm::INPUT_REQUIRED_DATA_TYPE(), "vtkPolyData");return 1; }上面的代碼就是使用了INPUT_REQUIRED_DATA_TYPE索引來設置輸入數據類型的值。

3.3 算法信息對象

在vtkAlgrithm算法對象中，逼近定義了端口信息對象，還定義了一個算法信息對象。算法信息對象存儲了關于算法對象的相關信息，可以通過vtkAlgrithm::GetInformation()獲取。 例如： vtkShirinkFilter::vtkShrinkFilter() {this->ShrinkFactor = 0.5;this->GetInformation()->Set( vtkAlgorithm::PRESERVES_RANGES(), 1);this->GetInformation()->Set( vtkAlgorithm::PRESERVES_BOUNDS(), 1); }

3.4 請求信息對象

VTK管線是通過一系列的請求完成的。請求被封裝為vtkInformation對象在管線中傳遞。例如在vtkDemandDrivenPipeline::UpdateData()中定義請求如下： this->DataRequest = vtkInformation::New(); this->DataRequest->Set(REQUEST_DATA()); //the request is forwarded upstream through the pipeline this->DataRequest->Set(vtkExecutive::FORWARD_DIRECTION(), vtkExecutive::RequestUpstream); //Algorithms process this request after it is forwarded. this->DataRequest->Set( vtkExecutive::ALGORITHM_AFTER_FORWARDED, 1); DataRequest是一個vtkInformation對象，通過vtkInformation::New()定義。REQUEST_DATA是一個重要的請求類型。REQUEST_DATA()函數返回一個VTKInformationRequestKey索引對象，其中報損了請求的名字為REQUEST_DATA。vtkInformationRequestKey用于表示一個索引請求。

3.5 數據信息對象

每個vtkDataObject數據對象中都保持了一個vtkInformation信息對象，用于存儲當前數據對象中的逐句類型，可以通過函數vtkDataObject::GetInformation()來獲取。

4.參看資料

1.《C++ primer》
2.《The VTK User’s Guide – 11thEdition》
3. ?張曉東, 羅火靈. VTK圖形圖像開發進階[M]. 機械工業出版社, 2015.

總結

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