卷1：第24章 VTK

原文鏈接：http://www.aosabook.org/en/vtk.html

作者：Berk Geveci 與 Will Schroeder

可視化工具箱（Visualization Toolkit, VTK）是一種廣泛使用的數(shù)據(jù)處理與可視化軟件系統(tǒng)。它應(yīng)用于科學(xué)計算、醫(yī)學(xué)影像分析、計算幾何、渲染、圖像處理以及信息學(xué)等領(lǐng)域。本章，我們展示一個VTK的簡要概覽，包括一些使之成為一個成功系統(tǒng)的基本設(shè)計模式。

要真正理解一個軟件系統(tǒng)，關(guān)鍵之處不僅要理解它能夠解決什么問題，而且還要了解它出現(xiàn)時的特定文化環(huán)境。在VTK的案例中，系統(tǒng)表面看起來要設(shè)計成用于科學(xué)數(shù)據(jù)的三維可視化系統(tǒng)。但VTK出現(xiàn)時的文化語境為奮斗者們添上了一個意義深遠(yuǎn)的背后故事，這有助于解釋軟件為什么是這樣設(shè)計和部署的。

在VTK創(chuàng)生和開始編寫之時，它的初始作者（Will Schroeder、Ken Martin、Bill Lorensen）還是GE研發(fā)部門的科研人員。我們向一個名為LYMB的先驅(qū)性系統(tǒng)投入了大量精力，該系統(tǒng)是一種以C實(shí)現(xiàn)的、類似Smalltalk的開發(fā)環(huán)境。在那個時代，它是一個偉大的系統(tǒng)，我們作為科研人員一再地被阻止在兩大障礙上：1）IP問題（此處意指知識產(chǎn)權(quán)（Intellectual Property, IP）——譯注。）和2）非標(biāo)準(zhǔn)的、有所有權(quán)的軟件。IP問題之所以是個問題，是因?yàn)橐坏〨E公司的律師介入，那么嘗試將軟件向公司外部公布軟件就幾乎不可能了。第二，即使我們在GE公司內(nèi)部部署軟件，許多我們的用戶也會受制于學(xué)習(xí)一個有所有權(quán)的、非標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，因?yàn)闉榱苏莆账鞒龅呐Σ荒茉谒x開公司后轉(zhuǎn)移到新的雇主那里；并且，這種軟件沒有標(biāo)準(zhǔn)工具集所提供的廣泛支持。于是，VTK的原始動機(jī)就是開發(fā)一個開放標(biāo)準(zhǔn)，或曰“協(xié)作平臺”，通過它，我們能夠很容易地將技術(shù)傳授給我們的用戶。因此，為VTK選擇一個開源許可證或許是我們所做出的最重要的設(shè)計決策。

最終選擇了非互利的、自由的許可證（比如：選BSD（即BSD許可證（Berkeley Software Distribution License，BSD）。——譯注。）而不選GPL（即GPL許可證（GNU General Public License）?！g注。））在事后證明是一個值得效仿的決策，因?yàn)樗罱K使基于商業(yè)的服務(wù)和咨詢成為可能，而這正成就了Kitware。在我們做出這個決定的時候，我們最感興趣的是降低與學(xué)術(shù)界、研究機(jī)構(gòu)以及商務(wù)實(shí)體之間合作的壁壘。我們從那時也發(fā)現(xiàn)，許多組織都避免使用互利性許可證，由于它們可能造成的嚴(yán)重問題。事實(shí)上，我們可能會爭論互利性許可證在延緩開源軟件的接收上有很大作用，但這另當(dāng)別論。這里的要點(diǎn)是：與任何軟件系統(tǒng)相關(guān)的重要設(shè)計決策之一就是著作權(quán)許可證的選擇。重新審視項(xiàng)目的目標(biāo)，然后再恰當(dāng)?shù)亟鉀QIP問題是很重要的。

24.1 VTK是什么？

VTK最初是以一個科學(xué)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)出現(xiàn)的?？梢暬I(lǐng)域之外的許多人都天真地把它當(dāng)成一種特殊的幾何渲染：查看虛擬物體并與之交互。盡管這些確實(shí)是可視化的一部分，但是通常的數(shù)據(jù)可視化還包括把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成感知性輸入的整個過程，典型的數(shù)據(jù)是圖像，此外還包括觸覺、聽覺等其他形式。數(shù)據(jù)形式不僅由幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成——比如像網(wǎng)格或者復(fù)雜空間分解等抽象形式，還有核心結(jié)構(gòu)的屬性，諸如標(biāo)量（如：溫度或壓強(qiáng)），矢量（如：速度），張量（如：應(yīng)力與張力），以及渲染屬性，諸如表面法線和紋理坐標(biāo)等。

注意，通常情況下，表示時空信息的數(shù)據(jù)被看做是科學(xué)可視化的一部分。然而，還有更抽象數(shù)據(jù)形式，比如市場統(tǒng)計資料、網(wǎng)頁、文檔以及其它信息，它們只能通過諸如非結(jié)構(gòu)文檔、表格、圖和樹等抽象（即：非時空）關(guān)系來表示。這些抽象數(shù)據(jù)一般通過信息可視化的方法來處理。在社區(qū)的幫助下，VTK現(xiàn)在能夠完成科學(xué)可視化和信息可視化方面的工作。

作為一種可視化系統(tǒng)，VTK的角色是以這些形式獲取數(shù)據(jù)，并最終將它們轉(zhuǎn)換成利于人類感官理解的形式。因此，VTK的核心需求之一就是創(chuàng)建數(shù)據(jù)流管線的能力，這種管線能夠讀入、處理、表示并最終渲染數(shù)據(jù)。這樣，工具箱就必須構(gòu)建成一個靈活的系統(tǒng)，它的設(shè)計在許多層面上反映了這一點(diǎn)。例如，我們有目的地將VTK設(shè)計成這樣一種工具箱，它具有許多可互換的組件，這些組件可以組合起來用于處理多種數(shù)據(jù)。

24.2 架構(gòu)特性

在深入介紹VTK特殊的架構(gòu)特性之前，先介紹頂層的概念，它們系統(tǒng)的開發(fā)和使用都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。其中之一就是VTK的混合包裝設(shè)施。該設(shè)施從VTK的C++實(shí)現(xiàn)自動生成Python，Java，和Tcl等的語言綁定（還可綁定更多的語言，并且有些已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了——譯注）。最具實(shí)力的開發(fā)者將使用C++進(jìn)行工作。使用者和應(yīng)用程序開發(fā)者也可以使用C++，但是通常情況下，上文提到的解釋性語言更加適合這兩個群體?；旌系木幾g性/解釋性環(huán)境將這兩個領(lǐng)域的優(yōu)勢結(jié)合在了一起：計算密集型算法的高性能和樣機(jī)或開發(fā)的靈活性。事實(shí)上，這種多語言計算的方法在許多科學(xué)計算社區(qū)中得到廣泛應(yīng)用，并且許多團(tuán)隊(duì)將VTK作為他們自己軟件的一個范本。

就軟件過程而言，VTK采用CMake來控制構(gòu)建過程；CDash/CTest用于測試；然后CPack用于跨平臺部署。VTK確實(shí)可以在幾乎任何計算機(jī)上進(jìn)行編譯，包括因其簡陋的開發(fā)環(huán)境而聲名狼藉的超級計算機(jī)。此外，開發(fā)工具外圍還包括網(wǎng)頁、wiki、郵件列表（用戶區(qū)和開發(fā)者區(qū)），文檔生成設(shè)施（即：Doxygen）和bug追蹤系統(tǒng)（Mantis）。

24.2.1 核心特性

由于VTK是面向?qū)ο笙到y(tǒng)，在其內(nèi)部，對類的訪問和數(shù)據(jù)成員的實(shí)例化都被小心地管理起來。通常情況下，所有的數(shù)據(jù)成員的訪問權(quán)限均為protected或private。通過Set和Get方法來訪問這些數(shù)據(jù)成員，這兩種方法具有各種類型的形參，例如：布爾型數(shù)據(jù)、模態(tài)數(shù)據(jù)、字符串、以及向量。這些方法中的多數(shù)的創(chuàng)建是通過向類的頭文件中插入宏來實(shí)現(xiàn)的。例如：

vtkSetMacro(Tolerance, double);
vtkGetMacro(Tolerance, double);

可以展開為如下形式：

virtual void SetTolerance(double);
virtual double GetTolerance();

使用這些宏的原因已經(jīng)超出了僅僅使代碼清晰。VTK中有重要的數(shù)據(jù)成員控制調(diào)試、更新對象的修改時間（MTime）、并恰當(dāng)?shù)毓芾硪糜嫈?shù)。這些宏正確地操作這些數(shù)據(jù)，因而強(qiáng)烈推薦使用它們。例如，當(dāng)一個對象的修改時間沒有得到恰當(dāng)?shù)墓芾頃r，VTK中就會出現(xiàn)一個尤其嚴(yán)重的bug。在這種情況下，代碼就不會按其應(yīng)該運(yùn)行的方式運(yùn)行，或者還會執(zhí)行多次。

VTK的優(yōu)勢之一就是其相對簡單的用于表示和管理數(shù)據(jù)的方法。典型的情況下，各種特殊數(shù)據(jù)（例如：vtkFloatArray）的數(shù)組用于表示信息的連續(xù)片段。例如：一個裝載有三個三維坐標(biāo)點(diǎn)的表可以用具有9個元素的vtkFloatArray來表示。這些數(shù)組有一種元組的記法，故有一個三維坐標(biāo)點(diǎn)即一個3元組，而一個對稱的3×3張量矩陣可以由一個6元組表示（）。專門采用這種設(shè)計是因?yàn)樵诳茖W(xué)計算中，與操作數(shù)組的系統(tǒng)（例如：Fortran）接口是很常見的，并且這樣還能使對大塊連續(xù)數(shù)據(jù)的內(nèi)存分配與回收變得更加高效。再者，連續(xù)數(shù)據(jù)的通信、串行、以及IO操作通常更有效率。這些（可以加載各種類型數(shù)據(jù)的）核心數(shù)據(jù)數(shù)組表示了VTK中的大部分?jǐn)?shù)據(jù)，且具有多種方便的方法，以進(jìn)行信息的插入和訪問，包括用于快速訪問的方法、以及在添加更多數(shù)據(jù)時所需要的自動分配內(nèi)存的方法。數(shù)據(jù)數(shù)組是抽象類vtkDataArray的子類，該抽象類的意義在于：通用的虛方法可用于簡化編碼。但是，為了實(shí)現(xiàn)更高的性能，靜態(tài)的、模版化的函數(shù)被引入，這樣就可以根據(jù)不同的參數(shù)類型進(jìn)行切換，并實(shí)現(xiàn)隨后對連續(xù)數(shù)據(jù)數(shù)組的直接訪問。

即使由于性能方面的原因，模板被廣泛地使用，C++模板通常在公有類的API中也是不可見的。這點(diǎn)在STL中也是如此：我們采用了PIMPL設(shè)計模式來隱藏模版實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜細(xì)節(jié)。這種模式為我們提供了很大幫助，尤其是在以前文所述將代碼包裝為解釋性代碼的時候。避免公有API中模板的復(fù)雜性意思是：在應(yīng)用程序開發(fā)者看來，VTK實(shí)現(xiàn)大部分是無需考慮數(shù)據(jù)類型的選擇的。當(dāng)然，在其外殼之下，代碼的執(zhí)行是由數(shù)據(jù)類型來驅(qū)動的，而該數(shù)據(jù)類型則一般是運(yùn)行時訪問數(shù)據(jù)時確定的。

一些用戶很想知道為什么VTK使用引用計數(shù)來管理內(nèi)存而不是垃圾回收這一對用戶來說更為友好的方式。基本的答案是當(dāng)數(shù)據(jù)被刪除的時候，VTK需要對其完全控制，因?yàn)橐幚淼臄?shù)據(jù)量可能十分巨大。例如，一組1000×1000×1000字節(jié)的體數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量是1G字節(jié)。把這么大的數(shù)據(jù)留在內(nèi)存中等待垃圾回收器來決定是否應(yīng)該釋放它們，確實(shí)不是一個好主意。在VTK中，大部分類（vtkObject的子類）具有內(nèi)建的引用計數(shù)能力。每個對象都包含有一個引用計數(shù)，它在該對象實(shí)例化時被初始化為1。每次使用該對象都會進(jìn)行注冊，然后引用計數(shù)就加1。類似地，當(dāng)使用該對象進(jìn)行了反注冊（或者等效地認(rèn)為該對象被刪除），那么引用計數(shù)就會減1。最終的對象引用計數(shù)減至0，此時該對象自毀。下面列舉一個典型的例子：

vtkCamera *camera = vtkCamera::New();     // reference count is 1
camera->Register(this);                   // reference count is 2
camera->Unregister(this);                 // reference count is 1
renderer->SetActiveCamera(camera);        // reference count is 2
renderer->Delete();                       // ref count is 1 when renderer is deleted
camera->Delete();                         // camera self destructs

這里還有另外一個關(guān)于為什么引用計數(shù)對于VTK很重要的原因——它提供了有效復(fù)制數(shù)據(jù)的能力。例如：想象有一個數(shù)據(jù)對象D1，它由許多數(shù)據(jù)數(shù)組組成：點(diǎn)、多邊形、顏色、標(biāo)量、以及紋理坐標(biāo)等?，F(xiàn)在假設(shè)處理該數(shù)據(jù)來生成一個新的數(shù)據(jù)對象D2，此對象與第一個對象相同，還外加了向量數(shù)據(jù)（用于定位點(diǎn)）。一種浪費(fèi)資源的方式是完全復(fù)制（深拷貝）D1來創(chuàng)建D2，然后向其中加入新的向量數(shù)據(jù)數(shù)組。另有一種方法，我們創(chuàng)建一個空的D2，然后將D1中的數(shù)組傳給D2（淺拷貝），使用引用計數(shù)來追蹤數(shù)據(jù)所有權(quán)，最終向添加新的向量數(shù)組。后者方法避免了復(fù)制數(shù)據(jù)，這正如前文所述，對一個優(yōu)秀可視化系統(tǒng)是必不可少的。我們在本章的稍后內(nèi)容中可以看到，數(shù)據(jù)處理的管線例行公事式地實(shí)現(xiàn)了這種運(yùn)行機(jī)制，即：將數(shù)據(jù)從算法的數(shù)據(jù)復(fù)制至輸出，此時引用計數(shù)對于VTK是必不可少的。

當(dāng)然，引用計數(shù)也有一些臭名昭著的問題。偶爾會存在引用周期，這時循環(huán)中的對象以一種相互支持的配置來引用彼此。這種情況下，就需要明智的介入，或者在VTK中，一種在vtkGarbageCollector中實(shí)現(xiàn)的特殊設(shè)施就可以用來管理牽涉與上述循環(huán)中的對象。當(dāng)這樣的類被鑒別到的時候（這被期望發(fā)生在開發(fā)過程中），該類就會將其自身注冊至垃圾回收器，并管理其自己的Register和Unregister方法的開銷。然后緊接著的對象銷毀（或者反注冊）方法對局部的引用計數(shù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)浞治?，搜索已?jīng)分離了的相互引用的對象群。這些都將被垃圾回收器予以刪除。

VTK中的多數(shù)實(shí)例化過程是通過一種以靜態(tài)類成員實(shí)現(xiàn)的對象工廠運(yùn)行。典型的語義表達(dá)如下：

vtkLight *a = vtkLight::New();

這里要認(rèn)識到的重要之處是：這里實(shí)際被實(shí)例化的可能不是vtkLight，可能是vtkLight的子類（例如：vtkOpenGLLight）。采用對象工廠的動機(jī)多種多樣，最為重要的是應(yīng)用的可移植性和設(shè)備不相關(guān)性。例如，前文中我們在一個渲染場景中創(chuàng)建了一個光源。在一個運(yùn)行于特定平臺上的特定的應(yīng)用程序中，vtkLight::New可能會生成一個OpenGL光源，然而在不同的平臺上，存在著圖形系統(tǒng)中其他渲染庫或方法來創(chuàng)建光源的可能性。到底實(shí)例化什么樣的派生類是一種運(yùn)行時系統(tǒng)信息的功能。在早期的VTK中，可以有包括gl、PHIGS、Starbase、XGL、以及OpenGL等多種選擇。然而這些圖形庫中的多數(shù)現(xiàn)在已經(jīng)消失了，出現(xiàn)了包括DirectX和基于GPU方法在內(nèi)的新方法。隨著時間的推移，一個利用VTK寫成的應(yīng)用程序沒必要進(jìn)行修改，因?yàn)殚_發(fā)者已經(jīng)派生出了特定的對應(yīng)于新設(shè)備的vtkLight的子類和其他渲染類來支持不斷發(fā)展的技術(shù)。另外一個對象工廠的重要用處是使性能增強(qiáng)變動的運(yùn)行時替換成為可能。例如，一個vtkImageFFT可能取代一個訪問特種用途硬件或數(shù)值計算庫的類。

24.2.2 數(shù)據(jù)表示

VTK的一個優(yōu)點(diǎn)就是其表示數(shù)據(jù)復(fù)雜形式的能力。這些數(shù)據(jù)形式包括從簡單表格到有限元網(wǎng)格之類的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。所有這些數(shù)據(jù)形式都是vtkDataObject的子類，如圖24.1所示（注意這是數(shù)據(jù)對象類的繼承圖的一部分）。

圖24.2：數(shù)據(jù)集類

24.2.3 管線架構(gòu)

VTK由若干主干子系統(tǒng)組成。與可視化包關(guān)聯(lián)最緊密的子系統(tǒng)或許應(yīng)該是數(shù)據(jù)流/管線架構(gòu)了。從概念上講，管線架構(gòu)由三類基本對象組成：表示數(shù)據(jù)的對象（上文中的vtkDataObject），將數(shù)據(jù)從一種形式處理、變換、濾波或者映射成另外一種形式的對象（vtkAlgorithm），以及執(zhí)行管線的對象（vtkExecutive）——此管線控制著一個由交錯數(shù)據(jù)（？）和過程對象（即：管線）組成的連通圖。圖24.3展示了一個典型的管線。

盡管這是交互的一種原始形式，它也是許多使用VTK的應(yīng)用程序的基本要素。例如：上述的簡短代碼可以很容易地轉(zhuǎn)換、用于顯示并管理圖形界面中的進(jìn)度條。這一命令/觀察者子系統(tǒng)也是VTK中三維掛件的核心，這些掛件是用于數(shù)據(jù)的請求、操縱以及編輯的復(fù)雜的交互性對象，下文將予以描述。

提到上面的例子，很重要的一點(diǎn)是，VTK中的事件都是預(yù)定義的，但是這里也為自定義事件開了后門。vtkCommand類定義了一組枚舉型事件（例如：上面例子中的vtkCommand::ProgressEvent）以及一個用戶事件。UserEvent只是一個整形數(shù)值，一般用作一組應(yīng)用程序中自定義事件的起始抵消值。于是，vtkCommand::UserEvent+100可能是指一個VTK預(yù)定義的事件之外的某個事件。

從用戶的角度來看，一個VTK掛件可以看作是場景中的一個演員，只是用戶可以通過操縱句柄或者其它幾何特性（句柄操縱與幾何特性操縱均是基于前文所述之抓取功能——原文：picking functionality，即24.2.4一節(jié)中最后一段所述——的）來與之交互。與掛件的交互是很直觀的：用戶抓住球面句柄并將其移動，或者抓住一條直線并將其移動。然而，在場景的背后，事件被發(fā)送出去（例如：InteractionEvent），而一個編寫合理的應(yīng)用程序就能夠觀察到這些事件，并采取恰當(dāng)?shù)男袆印＠?，它們通常由下面所給出的vtkCommand::InteractorEvent所觸發(fā)：

vtkLW2Callback *myCallback = vtkLW2Callback::New();
  myCallback->PolyData = seeds;    // streamlines seed points, updated on interaction
  myCallback->Actor = streamline;  // streamline actor, made visible on interaction

vtkLineWidget2 *lineWidget = vtkLineWidget::New();
  lineWidget->SetInteractor(iren);
  lineWidget->SetRepresentation(rep);
  lineWidget->AddObserver(vtkCommand::InteractionEvent, myCallback);

實(shí)際上，VTK掛件由兩個對象構(gòu)建而成：一個是vtkInteractorObserver的子類，另一個是vtkProp的子類。vtkInteractorObserver只是觀察渲染窗中的用戶交互（例如：鼠標(biāo)事件和鍵盤事件）并處理之。這些操縱通常由突出顯示句柄，改變鼠標(biāo)指針的外觀，以及變換數(shù)據(jù)等所組成，它們都會修改vtkProp的幾何特征。當(dāng)然，這些掛件的特殊細(xì)節(jié)要求編寫子類來控制其行為的細(xì)微差別，目前系統(tǒng)中擁有50多個不同的掛件。

24.2.4 庫的總結(jié)

VTK是一個大型軟件工具箱。目前，系統(tǒng)由大約1500萬行代碼（包括注釋，但是不包括自動生成的包裹層軟件），約1000個C++類組成。為了管理系統(tǒng)的復(fù)雜度并減少構(gòu)建和鏈接的時間，系統(tǒng)被分割放置在十幾個子路徑中。表24.1列出了這些子路徑，并簡要總結(jié)了這些庫所提供的功能。

| Common | VTK核心類 |
| Filtering | 用于管理管線數(shù)據(jù)流的類 |
| Rendering | 渲染，抓取，查看圖像，以及交互 |
| VolumeRendering | 體繪制技術(shù) |
| Graphics | 三維幾何處理 |
| GenericFiltering | 非線性三維幾何處理 |
| Imaging | 圖像處理管線 |
| Hybrid | 同時要求使用圖形學(xué)和圖像處理功能的類 |
| Widgets | 復(fù)雜的交互 |
| IO | VTK的輸入和輸出 |
| Infovis | 信息可視化 |
| Parallel | 并行處理（控制器和通信器） |
| Wrapping | 對Tcl，Python以及Java的包裹的支持 |
| Examples | 內(nèi)容廣泛、文檔良好的示例 |

表24.1：VTK的子路徑

24.3 回顧與展望

VTK一直是一個非常成功的系統(tǒng)。雖然第一行代碼于1993年寫出，但是目前，VTK仍然在不斷成長壯大、其開發(fā)速度也在不斷加快2。本節(jié)，我們將談?wù)勔恍┙?jīng)驗(yàn)和將來的挑戰(zhàn)。

24.3.1 成長管理

VTK發(fā)展歷程中，最令人驚嘆的方面之一就是項(xiàng)目的壽命。開發(fā)的速度歸因于若干主要原因：

• 新算法和功能被持續(xù)不斷地加入。例如，信息學(xué)子系統(tǒng)（Titan，最初由Sandia國立實(shí)驗(yàn)室和Kitware軟件共同開發(fā)）是最近加入的一個重要的部分。額外的繪圖和渲染類也同時加入進(jìn)來，還有新的科學(xué)數(shù)據(jù)類型功能。另外一個加入的重要部分是三維交互掛件。最后，基于GPU的渲染以及數(shù)據(jù)處理的持續(xù)演進(jìn)正在催生新的VTK功能。
• VTK不斷增多的曝光和使用是一個自我保持的過程，該過程向社區(qū)加入了更多的使用者和開發(fā)者。例如，ParaView是最受歡迎的基于VTK的科學(xué)可視化應(yīng)用程序，并且受到了高性能計算社區(qū)的高度重視。3D Slicer是主要的生物醫(yī)學(xué)計算平臺，它大部分也建立于VTK之上，并且每年受到數(shù)百萬美元的資助。
• VTK的開發(fā)過程持續(xù)演進(jìn)。近年來，CMake、CDash、CTest、以及CPack等軟件過程工具已經(jīng)集成到了VTK的構(gòu)建環(huán)境中。最近，VTK的代碼庫已經(jīng)遷移至Git和一個更為復(fù)雜的工作流。這些改進(jìn)確保VTK保持科學(xué)計算社區(qū)內(nèi)軟件開發(fā)的領(lǐng)先地位。

雖然成長是令人興奮的，確證軟件系統(tǒng)的建立，預(yù)測VTK的未來，但妥善的管理卻是極其困難的。因此，近期VTK將更多地專注于管理社區(qū)以及軟件的成長。為此，已經(jīng)采取了若干措施。

首先，創(chuàng)立了正式的管理架構(gòu)。創(chuàng)建了架構(gòu)審查委員會（Architectural Review Board），來指導(dǎo)社區(qū)和技術(shù)的發(fā)展，專注于高層次的、戰(zhàn)略性的議題。VTK社區(qū)也正在組建一個由意見領(lǐng)袖組成的公認(rèn)的團(tuán)隊(duì)，來指導(dǎo)某些VTK子系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)。

其次，制定了關(guān)于更進(jìn)一步使工具箱模塊化的計劃，尤其是應(yīng)對由git引入的工作流功能，還認(rèn)識到使用者和開發(fā)者一般都想在工作中使用工具箱中小的子系統(tǒng)，并且不想構(gòu)建并鏈接整個包。此外，為了支持不斷成長的社區(qū)，對新的功能和子系統(tǒng)的支持是很重要的，即使它們并不一定是工具箱的核心部分。通過創(chuàng)建松散的、模塊化的一群模塊，在維持核心的穩(wěn)定性的同時，適應(yīng)外圍的大量代碼貢獻(xiàn)是可能的。

24.3.2 技術(shù)整合

除了軟件過程之外，在開發(fā)管線當(dāng)中還有許多技術(shù)創(chuàng)新。

• 共同處理是這樣一種功能，可視化引擎被集成于仿真代碼之中，而且周期性地提取生成用于可視化的數(shù)據(jù)。這一技術(shù)極大地降低了完整解決方案數(shù)據(jù)的大的輸出數(shù)據(jù)量。
• VTK中的數(shù)據(jù)處理管線還是太復(fù)雜。正在尋求簡化和重構(gòu)這些子系統(tǒng)的方法。
• 直接與數(shù)據(jù)交互的能力正在使用者中間流行。盡管VTK擁有一大票掛件，但是更多的交互技術(shù)正在不斷涌現(xiàn)，包括基于觸摸屏的方法和三維方法。交互技術(shù)將會繼續(xù)快速開發(fā)。
• 計算化學(xué)對于材料設(shè)計人員和工程師的重要性正在不斷提升。對化學(xué)數(shù)據(jù)的可視化與交互的功能正在加入VTK。
• VTK的渲染系統(tǒng)素來因其過于復(fù)雜而飽受詬病，這使它難以派生出新的類或者支持新的渲染技術(shù)。此外，VTK不直接支持場景圖概念，這同樣也是許多使用者要求過的功能。
• 最后是數(shù)據(jù)的新形式不斷出現(xiàn)。例如，在醫(yī)療領(lǐng)域，變分辨率的層次化體數(shù)據(jù)（如：具有局部放大的共焦顯微鏡影像）。

24.3.3 開放科學(xué)

最后，Kitware和更加廣泛的VTK社區(qū)決定加入Open Science。從務(wù)實(shí)的角度講，它一個這樣的方式，我們將傳播公開的數(shù)據(jù)、公開的發(fā)表、以及公開的源代碼——這是確保我們正在創(chuàng)建可重現(xiàn)的科學(xué)系統(tǒng)所必需的特征。雖然VTK一直以來都以開源和公開數(shù)據(jù)的系統(tǒng)的形式傳播，但是文檔過程卻一直缺乏。在擁有正式書籍[Kit10，SML06]的同時，還一直有各種非正式的方法來收集包括新的源碼在內(nèi)的技術(shù)發(fā)表物。我們正在通過開發(fā)像是VTK Journal3的新的發(fā)表機(jī)制來改善這種狀況，該期刊可以發(fā)表由文檔、源代碼、數(shù)據(jù)、以及有效的測試圖像組成的文章。它還實(shí)現(xiàn)了自動化的代碼審查（利用VTK的高質(zhì)量的軟件測試過程）以及人對遞交文章的審查。

24.3.4 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

雖然VTK很成功，但是還有許多事情我們沒有處理好：

• 設(shè)計的模塊性。我們在選擇我們的類的模塊性上做得不錯。例如，我們不會做類似為每個像素都創(chuàng)建一個對象的這種傻事，而是創(chuàng)建了高層次的vtkImageClass，它內(nèi)部處理像素數(shù)據(jù)組成的數(shù)組。然而，在某些情況下，我們不得不將之重構(gòu)為小的片段，并繼續(xù)這一過程。一個基本的例子就是數(shù)據(jù)處理管線。最初，數(shù)據(jù)管線是通過數(shù)據(jù)和算法對象的交互而隱式實(shí)現(xiàn)的。我們最終認(rèn)識到我們得創(chuàng)建一種顯式的管線執(zhí)行對象來協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)與算法之間的交互，并且用于實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)處理策略。
• 遺漏的關(guān)鍵概念。我們曾經(jīng)的最大遺憾就是沒有廣泛的利用C++的迭代器。在許多情況下，VTK中的數(shù)據(jù)的遍歷與科學(xué)編程語言Fortran十分類似。迭代器所提供的額外的靈活性本來可能對系統(tǒng)有很大幫助。例如，在處理局部區(qū)域的數(shù)據(jù)，或者僅僅是那些滿足某種迭代準(zhǔn)則的數(shù)據(jù)時，這是極具優(yōu)勢的。
• 設(shè)計上的問題。當(dāng)然，有一長列非最優(yōu)的設(shè)計決策。我們同數(shù)據(jù)處理管線斗爭，已經(jīng)經(jīng)歷了許多代，每次都設(shè)計得更好些。渲染系統(tǒng)也是很復(fù)雜的，并且難以從其中派生出新類。另外一個由VTK的最初概念所引起的挑戰(zhàn)是：我們將其看作是用于觀察數(shù)據(jù)的只讀可視化系統(tǒng)。然而，目前的客戶經(jīng)常希望它能夠編輯數(shù)據(jù)，這就需要完全不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

像VTK這樣的開源系統(tǒng)的好處之一是許多這些錯誤能夠并且將會隨著時間而得以糾正。我們擁有一個積極的、有能力的開發(fā)社區(qū)，他們每天都在改進(jìn)著這個系統(tǒng)，并且我們希望在可預(yù)見的將來，這一狀態(tài)能夠維持下去。

腳注
1.?http://en.wikipedia.org/wiki/Opaque_pointer.
2. See the latest VTK code analysis at?http://www.ohloh.net/p/vtk/analyses/latest.
3.?http://www.midasjournal.org/?journal=35.