VTK 设计模式：管道与过滤器（Pipeline / Filter）
系列：Qt / VTK 设计模式 · VTK 03/10
参考：vtkAlgorithm、VTK Pipeline Guide
引子
读取 STL → 平滑 → 降采样 → 映射显示，在 VTK 里不是写四个函数顺序调用，而是把四个 Algorithm 插成一条管道，最后 Update() 一次，数据自下而上流动。这是 VTK 最核心的架构模式。
要解决什么问题
命令式串联：
cpp
auto mesh = readStl(path);
smooth(mesh);
decimate(mesh);
show(mesh);痛点：中间结果难缓存、并行难调度、无法按需计算、模块难复用。
模式本质
VTK Pipeline 更接近 Pipe and Filter 架构，而非 GoF 的 Command：
| 概念 | 说明 |
|---|---|
| 端口 | GetOutputPort() / SetInputConnection() |
| 拉取 | 下游 Update() 驱动上游执行 |
| 元数据 | vtkInformation 描述数据类型与需求 |
VTK 中的落点
vtkAlgorithm 子类
- Source：无输入（
vtkSphereSource） - Filter：有输入输出（
vtkSmoothPolyDataFilter） - Mapper：几何 → 图形原语（
vtkPolyDataMapper）
连接方式（现代 API）
cpp
filter->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());
mapper->SetInputConnection(filter->GetOutputPort());Update 链
cpp
mapper->Update(); // 触发整条依赖链的 RequestData底层逻辑
执行四请求（概念）
vtkAlgorithm 内部管线（简化）：
REQUEST_INFORMATIONREQUEST_UPDATE_EXTENTREQUEST_DATA- 实际
RequestData()子类实现
拉取式：只有末端 Update() 才真正计算；中间节点可因 MTime 缓存跳过。
与事件系统的关系
滤波执行时：
cpp
this->InvokeEvent(vtkCommand::StartEvent, nullptr);
// ... RequestData ...
this->InvokeEvent(vtkCommand::ProgressEvent, &progress);
this->InvokeEvent(vtkCommand::EndEvent, nullptr);Pipeline 负责 数据流；Observer/Command 负责 进度与钩子——二者互补。
代码示例
最小管道
cpp
# include <vtkSTLReader.h>
# include <vtkSmoothPolyDataFilter.h>
# include <vtkPolyDataMapper.h>
# include <vtkActor.h>
# include <vtkRenderer.h>
# include <vtkRenderWindow.h>
# include <vtkRenderWindowInteractor.h>
vtkNew<vtkSTLReader> reader;
reader->SetFileName("model.stl");
vtkNew<vtkSmoothPolyDataFilter> smooth;
smooth->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());
smooth->SetNumberOfIterations(20);
vtkNew<vtkPolyDataMapper> mapper;
mapper->SetInputConnection(smooth->GetOutputPort());
vtkNew<vtkActor> actor;
actor->SetMapper(mapper);
vtkNew<vtkRenderer> renderer;
renderer->AddActor(actor);
vtkNew<vtkRenderWindow> renWin;
renWin->AddRenderer(renderer);
vtkNew<vtkRenderWindowInteractor> iren;
iren->SetRenderWindow(renWin);
renWin->Render();
iren->Start();多输出 / 分支
cpp
clipper->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());
mapperA->SetInputConnection(clipper->GetOutputPort(0));
mapperB->SetInputConnection(clipper->GetOutputPort(1));易混淆点
| 对比 | 区别 |
|---|---|
| Pipeline vs Command | Pipeline 管数据流；Command 管事件回调 |
ShallowCopy vs 管道连接 | 连接共享管线逻辑；拷贝是快照 |
vtkExecutive | 调度器，控制何时执行各 Algorithm |
最佳实践与陷阱
- 优先
SetInputConnection而非SetInputData（除非故意断开管道） - 大数据注意
Update()范围，可用UpdatePiece/ 流式读取 - 检查
GetOutput()前确保Update()成功 - Progress observer 别阻塞主线程
- 理解 Executive 的 MTime，避免误以为每次都重算
重点与注意
重点：VTK Pipeline 是 拉取式：末端
Update()向上游请求数据，不是 Source 主动 push。
重点：现代 API 用SetInputConnection(port)连接端口，比SetInputData更能利用 MTime 缓存与按需计算。
注意：Pipeline 是数据流架构，不是 GoF Command；StartEvent/ProgressEvent只是算法执行时的观察者钩子。
注意：vtkAlgorithm与vtkMapper都在 Pipeline 里，但 Mapper 负责「几何 → 图形原语」，别与 Filter 职责混淆。
小结
VTK Pipeline 是 过滤器链 + 拉取式执行 + 可缓存的数据对象，支撑了 VTK 模块化算法生态。
延伸阅读
- VTK Pipeline Documentation
- 上一篇：02 命令 · 下一篇：04 迭代器
- 系列索引：README