2.vtk学习——Pipeline

VTK 可视化管线（Pipeline）详解

可视化管线（Visualization Pipeline） 是 VTK 的核心概念之一。
它定义了从数据生成、处理，再到最终可视化显示的完整流程。换句话说，可视化管线就是：

获取或创建数据 → 处理数据 → 输出结果到文件或渲染引擎进行显示。

这种结构化的机制让我们可以清晰地理解 VTK 中的数据是如何从源头一步步变成屏幕上可见的图像的。

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一、可视化管线的基本组成

在 VTK 中，管线由以下三个核心要素构成：

• 数据对象（Data Object）：表示数据本身；
• 处理对象（Process Object）：执行对数据的操作与变换；
• 数据流向（Direction of Data Flow）：定义数据在对象之间的传递路径。

从图中可以看到：
多个 Source 产生输入数据后，经过不同的 Filter 处理并汇聚，最终通过 Mapper 转换为几何图元，交由渲染引擎进行显示。

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二、Source —— 数据源

Source 是管线的起点，用于生成或读取数据。
在 VTK 中，数据源一般分为两类：

1. 程序生成的数据源：VTK 内置的各种 vtkSource（如球体、平面、立方体等）；
2. 外部读取的数据源：通过 Reader 从外部文件（如 .stl、.ply、.vtk）导入。

Source 不接收任何输入，但必须至少有一个输出端口。

var sphereSource = vtkSphereSource.New();
sphereSource.SetRadius(5.0);
sphereSource.Update();

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三、Filter —— 数据处理器

Filter 是管线中最灵活的组件，负责对数据进行变换、分析和处理。
它既可以作为独立的计算单元，也能作为数据流的中间节点。

• 输入：来自上游节点（Source 或其他 Filter）；
• 输出：处理后的结果，可用于渲染或写入文件。

例如，将球体数据通过平滑滤波器处理：

var smoothFilter = vtkSmoothPolyDataFilter.New();
smoothFilter.SetInputConnection(sphereSource.GetOutputPort());
smoothFilter.SetNumberOfIterations(50);

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四、Mapper —— 数据映射器

Mapper 是可视化管线的终点。
它的职责是将处理好的数据转换为几何图元（点、线、面等），以便渲染引擎进行显示。

需要特别注意：

Mapper 只负责几何信息的映射，不负责外观属性（如颜色、透明度、光照等）。
这些外观控制由 vtkActor 负责。

var mapper = vtkPolyDataMapper.New();
mapper.SetInputConnection(smoothFilter.GetOutputPort());

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五、管线连接机制

VTK 的可视化管线通过端口（Port）机制实现数据对象之间的连接。
每个可参与管线的数据处理对象都有两个关键端口：

• 输入端口（Input Port）：用于接收上游节点的输出；
• 输出端口（Output Port）：用于将处理结果传递给下游节点。

连接的方式主要有两种：

1. 使用 SetInputConnection()

这是最常用也最推荐的方式。
它直接将上游对象的输出端口与下游对象的输入端口相连，形成真正的“数据流”连接。

filter.SetInputConnection(source.GetOutputPort());
mapper.SetInputConnection(filter.GetOutputPort());

这种方式的优势在于：

• 当上游数据发生变化时，下游节点会自动感知；
• 可以轻松实现动态管线的更新；
• 避免手动调用 Update()。

2. 使用 SetInputData()

该方法直接将已有的数据对象作为输入，而非端口连接。

filter.SetInputData(polyData);

这种方式适用于静态数据或临时测试场景。
但由于它不会自动更新上游节点，因此在上游数据改变时，需要手动调用 Update() 重新计算。

3. 混合连接示例

var reader = vtkSTLReader.New();
reader.SetFileName("model.stl");

var smooth = vtkSmoothPolyDataFilter.New();
smooth.SetInputConnection(reader.GetOutputPort()); // 推荐方式

var mapper = vtkPolyDataMapper.New();
mapper.SetInputConnection(smooth.GetOutputPort());

✅ 建议：在大多数 VTK 管线中，始终使用 SetInputConnection()，以确保数据依赖和更新逻辑自动化。

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六、管线的执行机制

VTK 的可视化管线采用 惰性执行（Lazy Evaluation） 机制。
也就是说，只有当程序真正请求数据时，管线才会被触发执行。

触发执行的常见方式包括：

1. 手动调用 Update()：

   sphereSource.Update();
   

   会立即计算当前节点及其上游节点的数据。

2. 调用 Render()：

   renderWindow.Render();
   

   渲染时，Actor 会层层向上请求数据，促使整个管线执行。

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七、总结与思考

VTK 的可视化管线具有模块化和惰性执行的特点。
这种设计不仅让系统高效，还使得开发者能够灵活地插入、替换或组合不同模块，从而实现复杂的可视化任务。

组件	功能说明
Source	生成或读取数据
Filter	对数据进行处理或变换
Mapper	将数据映射为几何图元
Actor	定义外观属性（颜色、透明度等）
Renderer / RenderWindow	执行渲染与显示
Port 机制	建立节点之间的数据连接