VTK-m用户指南：深度探索三维可视化工具

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"VTK-m用户指南，版本1.0.0-1138-gefc21fb，由Kenneth Moreland撰写，2017年4月3日发布，由Kitware Inc.出版，遵循Creative Commons Attribution 4.0 International许可证，部分资金来源于美国能源部的项目，包括桑迪亚国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、高级模拟与计算以及橡树岭国家实验室。封面设计包含了VTK-m社区的贡献，包括开发团队和用户社区成员。" VTK-m是一个高级的并行可视化和图形库，专门设计用于现代多核架构和GPU设备。这个用户指南是为那些希望理解和使用VTK-m库的开发者和研究人员准备的。VTK-m的名称来源于"Visualization Toolkit - Modern"，它是原始 Visualization Toolkit (VTK) 的一个扩展，旨在提供更高效、可扩展和并行的可视化能力。本指南详细介绍了VTK-m的核心概念和功能，涵盖了数据模型、数据处理、渲染和交互等方面。数据模型是VTK-m的基础，它允许用户处理各种各样的科学和工程数据集。VTK-m的数据模型支持多种数据类型，包括结构化、非结构化和流体数据。这些数据可以通过一系列的过滤器和算法进行操作，以进行数据的预处理、分析和可视化。在并行处理方面，VTK-m利用了现代硬件的并行计算能力，如GPU（图形处理器）和多核心CPU，以提高处理大量数据的速度。用户可以利用VTK-m的并行框架来编写分布式内存和共享内存的应用程序，实现数据的高效分割和同步。 VTK-m还包含了一套丰富的渲染工具，支持2D和3D图形的生成。这些工具包括几何建模、光照控制、纹理映射等，使得用户能够创建出高质量的可视化效果。此外，VTK-m还支持交互式操作，用户可以通过各种输入设备对场景进行实时操作，例如旋转、平移和缩放。在实际应用中，VTK-m常被用在科学仿真、医学图像分析、地球科学、流体力学等领域，帮助科学家和工程师理解复杂的物理过程，并将数据转化为直观易懂的图像。本指南的贡献者来自VTK-m社区，包括开发团队成员和用户社区。这意味着文档不仅包含了库的基本信息，还可能包含了大量的实践经验和使用技巧，对于初学者和高级用户都是宝贵的资源。最后，虽然给出的信息没有具体的ISBN号码，但该书已经按照一定的版权协议发布，意味着用户可以在遵循Creative Commons Attribution 4.0 International许可证的前提下自由使用、分享和改编内容。 "VTK-m用户指南"是一份详尽的参考资料，为想要掌握VTK-m并利用其进行高性能可视化和图形处理的用户提供了一个全面的学习平台。

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LIST OF EXAMPLES

10.35Storage for derived container of concatenated arrays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

10.36Prototype for vtkm::cont::internal::ArrayTransfer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

10.37Prototype for ArrayTransfer constructor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

10.38ArrayTransfer for derived storage of concatenated arrays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

10.39ArrayHandle for derived storage of concatenated arrays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

10.40Fictitious ﬁeld storage used in custom array storage examples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

10.41Array portal to adapt a third-party container to VTK-m. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

10.42Prototype for vtkm::cont::internal::Storage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

10.43Storage to adapt a third-party container to VTK-m. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

10.44Array handle to adapt a third-party container to VTK-m. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

10.45Using an ArrayHandle with custom container. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

10.46Redeﬁning the default array handle storage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

11.1 Creating a DynamicArrayHandle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

11.2 Non type-speciﬁc queries on DynamicArrayHandle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

11.3 Using DynamicArrayHandle::NewInstance(). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

11.4 Querying the component and storage types of a DynamicArrayHandle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

11.5 Casting a DynamicArrayHandle to a concrete ArrayHandle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

11.6 Operating on DynamicArrayHandle with CastAndCall. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

11.7 Trying all component types in a DynamicArrayHandle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

11.8 Specifying a single component type in a DynamicArrayHandle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

11.9 Specifying diﬀerent storage types in a DynamicArrayHandle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

11.10Specifying both component and storage types in a DynamicArrayHandle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

11.11Using DynamicArrayHandleBase to accept generic dynamic array handles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

12.1 Creating a uniform grid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

12.2 Creating a uniform grid with custom origin and spacing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

12.3 Creating a rectilinear grid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

12.4 Creating an explicit mesh with DataSetBuilderExplicit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

12.5 Creating an explicit mesh with DataSetBuilderExplicitIterative. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

12.6 Adding ﬁelds to a DataSet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

12.7 Subsampling a data set with CellSetPermutation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

14.1 Using the provided PointElevation worklet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

14.2 A ControlSignature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

14.3 An ExecutionSignature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

14.4 An InputDomain declaration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

14.5 An overloaded parenthesis operator of a worklet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

14.6 Implementation and use of a ﬁeld map worklet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

14.7 Leveraging ﬁeld maps and ﬁeld maps for general processing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

xvi LIST OF EXAMPLES

DRAFT

LIST OF EXAMPLES

14.8 Implementation and use of a map point to cell worklet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

14.9 Implementation and use of a map cell to point worklet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

14.10Using WholeArrayIn to access a lookup table in a worklet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

14.11Using AtomicArrayInOut to count histogram bins in a worklet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

14.12Using WholeCellSetIn to sum the angles around each point. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

14.13Using ExecObject to access a lookup table in a worklet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

14.14Declaration of a scatter type in a worklet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

14.15Using ScatterUniform. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

14.16Using ScatterCounting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

14.17Raising an error in the execution environment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

15.1 Header declaration for a ﬁeld ﬁlter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

15.2 Implementation of a ﬁeld ﬁlter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

15.3 Header declaration for a ﬁeld ﬁlter using cell topology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

15.4 Implementation of a ﬁeld ﬁlter using cell topology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

16.1 Creating a Matrix. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

16.2 Using NewtonsMethod to solve a small system of nonlinear equations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

17.1 Using CellShapeIdToTag. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

17.2 Using CellTraits to implement a polygon normal estimator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

17.3 Interpolating ﬁeld values to a cell’s center. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

17.4 Computing the derivative of the ﬁeld at cell centers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

17.5 Using cell edge functions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

17.6 Using cell face functions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

18.1 Contents of the base header for a device adapter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

18.2 Implementation of a device adapter tag. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

18.3 Prototype for vtkm::cont::internal::ArrayManagerExecution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

18.4 Specialization of ArrayManagerExecution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

18.5 Minimal specialization of DeviceAdapterAlgorithm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

18.6 Specialization of DeviceAdapterTimerImplementation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

20.1 Declaring vtkm::internal::FunctionInterface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

20.2 Using vtkm::internal::make FunctionInterface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

20.3 Getting the arity of a FunctionInterface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

20.4 Using FunctionInterface::GetParameter(). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

20.5 Using FunctionInterface::SetParameter(). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

20.6 Invoking a FunctionInterface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

20.7 Invoking a FunctionInterface with a transform. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

20.8 Getting return value from FunctionInterface safely. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

20.9 Appending parameters to a FunctionInterface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

LIST OF EXAMPLES xvii

DRAFT

LIST OF EXAMPLES

20.10Replacing parameters in a FunctionInterface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

20.11Chaining Replace and Append with a FunctionInterface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

20.12Using a static transform of function interface class. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

20.13Using a dynamic transform of a function interface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

20.14Using DynamicTransform to cast dynamic arrays in a function interface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

20.15Using the ForEach feature of FunctionInterface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

21.1 Behavior of vtkm::cont::arg::TypeCheck. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

21.2 Deﬁning a custom TypeCheck. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

21.3 Behavior of vtkm::cont::arg::Transport. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

21.4 Deﬁning a custom Transport. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

21.5 Deﬁning a custom Fetch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

21.6 Deﬁning a custom Aspect. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

21.7 Deﬁning a new ControlSignature tag. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

21.8 Using a custom ControlSignature tag. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

21.9 Deﬁning a new ExecutionSignature tag. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

21.10Using a custom ExecutionSignature tag. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

22.1 A support class for a line fractal worklet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230

22.2 Demonstration of how we want to use the line fractal worklet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

22.3 Implementation of GetThreadIndices in a worklet superclass. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

22.4 Implementation of a thread indices class. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

22.5 Custom ControlSignature tag for the input domain of our example worklet type. . . . . . . . . . . . . . 235

22.6 A Fetch for an aspect that does not depend on any control argument. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

22.7 Custom ExecutionSignature tag that only relies on input domain information in the thread indices. . . . 236

22.8 Output ControlSignature tag for our motivating example. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

22.9 Implementation of Transport for the output in our motivating example. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

22.10Superclass for a new type of worklet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

22.11Standard template arguments for a dispatcher class. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

22.12Subclassing DispatcherBase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

22.13Typical constructor for a dispatcher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

22.14Declaration of DoInvoke of a dispatcher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

22.15Checking the input domain tag and type. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

22.16Calling BasicInvoke from a dispatcher’s DoInvoke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

22.17Implementation of a dispatcher for a new type of worklet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

22.18A worklet to generate a tree fractal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

22.19A worklet to generate the dragon fractal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

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