mayavi综述

荒流2019年11月12日大约 4 分钟约 1165 字

1. 可视化

科学计算可视化的主要分类：

二维标量数据场
- 颜色映射方法
- 等值线方法
- 立体图法和层次分割法
三维标量数据场
- 面绘制方法(surface rendering)
- 体绘制方法(volume rendering)
矢量数据场
- 直接法
- 流线法(stream line)

数据集（Dateset）需包含这些特性：

点(point)与数据(data)：点即提供坐标，数据提供相应位置的值，相应当$data=f(x,y,z)$
点之间：连接 vs 非连接
点的连接：显式 vs 隐式
数据：标量(scalar) vs 矢量(vector)
单元(cell)：多个相关的点组成单元

2. Mayavi

VTK(Visualization Toolkit)，由 C++编写，非常优秀的三维可视化工具。VTK 的接口虽然在 Python 下有标准的绑定，但其 API 和 C++相同，不能体现出 Python 作为动态语言的优势。

TVTK(Traited VTK)，对标准 VTK 库进行的 Python 风格化的封装。

Mayavi 通过 TVTK 库来满足所有的可视化需求，其提供了一套更简易、方便和 pythonic 的接口。

Mayavi 主要有两部分组成：

图形可视化和图形操作的 mlab 模块，详见 mlab 页的笔记；
操作管线对象和窗口对象的 API：
- 管线基础对象：mayavi.core.api.<Object>
  - Scene：多个数据集合 Sources
  - Source：数据源的基础类
  - Filter：对数据进行变换
  - ModuleManager：模块管理器节点，控制 colors and legends 等
  - Module：最终数据的可视化模组，如线条、平面等
  - PipelineBase：pipeline 中所有Source, Filters, Modules的基类
  - Engine：创建和销毁Scenes
- 主视窗和 UI 对象:
  - DecoratedScene
  - MayaviScene
  - SceneEditor
  - MlabSceneModel
  - EngineView
  - EngineRichView

Mayavi 中所有的可视化对象都属于一个 scene，类似于 pyplot 里的 Figure，Mayavi 中的 scene 由 mlab.figure()函数创建。

Mayavi 用了像 VTK 一样的管道架构(pipeline architecture)，对于用户来说，这基本归结为一个简单的层次结构：

加载数据源：Mayavi 支持的数据源格式有：VTK legacy, VTK XML, array, any other sequence；
如需要，用 Filters 转换器转换数据；
用 Modules 模组可视化数据。

mayavi.mlab

mayavi.mlab 模块提供了一个像 matplotlib 的 pylab 接口一样的接口，但 mlab 用来非常方便地绘制三维可视化图形。

mlab 提供了非常适宜于脚本编程的设计，不过其未提供完全面向对象的 API。

当使用mlab进行绘图时会自动创建一个pipeline，这个pipeline可以用mlab.show_pipeline()命令显示出来：

import numpy as np
from mayavi import mlab

a = np.random.random((4, 4))
mlab.surf(a)
mlab.show_pipeline()

# 以上的pipeline等价于如下的过程
src = mlab.pipeline.array2d_source(a)
warp = mlab.pipeline.warp_scalar(src)
normals = mlab.pipeline.poly_data_normals(warp)
surf = mlab.pipeline.surface(normals)

# 输出
Array2DSource
    \__ WarpScalar
            \__ PolyDataNormals
                    \__ Colors and legends
                            \__ Surface

mlab的绘图函数可以numpy array为输入，这个array描述了数据的x, y, z坐标。mlab的函数建立了全面可视化：

创建数据源
必要时过滤处理
添加可视化模组
可视化结果可以通过像pylab一样的关键字参数进行调整

3. 源数据形式

统述

Mayavi 支持的数据源格式有：VTK legacy, VTK XML, array, any other sequence。

TVTK 有五种数据集：

connectivity
- 隐式连接：隐式连接认为数据是排列在一个类似晶格的结构上，每个方向的层数相等，x 先沿着数组增加，然后是 y，最后是 z
- 显式连接
data
- 标量数据/矢量数据
  - 标量数据时，可以执行获取梯度、用彩色地图显示数据等操作；
  - 矢量数据时，可以执行显示流线、显示向量、提取向量的范数等操作；
- point 数据/cell 数据
  - 无论标量或矢量，当数据被放置到顶点(vertex)时，叫做 point 数据，存储在 VTK 数据集的.point_data 属性中；
  - 无论标量或矢量，当数据被关联到一个 cell 时，叫做 cell 数据，存储在 VTK 数据集的.cell_data 属性中。

Each VTK dataset is defined by vertices and cells, explicitly or implicitly.

TVTK 数据集

VTK name	Connectivity	Suitable for	Required information
ImageData	Implicit	Volumes and surfaces	3D data array and spacing along each axis
RectilinearGrid	Implicit	Volumes and surfaces	3D data array and 1D array of spacing for each axis
StructuredGrid	Implicit	Volumes and surfaces	3D data array and 3D position arrays for each axis
PolyData	Explicit	Points, lines and surfaces	x, y, z, positions of vertices and arrays of surface Cells
UnstructuredGrid	Explicit	Volumes and surfaces	x, y, z positions of vertices and arrays of volume Cells