VTK修炼之道83：Pipeline管线执行模型

1.管线执行模性

请求是VTK执行管线的一个基本操作，一个管线执行模型由多个请求共同完成。管线建立完毕，当显示调用一个Filter的Update()函数时，该Filter的vtkExecutive子类执行对象会产生一系列请求，并在管线中传递。

例如，一个Writer对象执行Update()时，会调用this->GetExecutive()->Update()来更新管线。此时，执行对象会产生多个请求，并在管线中传递，并由vtkExecutice::ProcessRequest()进行处理。管线中处理一个Filter请求时，通常会先传递至其提够数据输入的上游Filter，待上游Filter处理完请求再在当前Filter中进行处理。执行对象在处理请求时，通常需要算法对象的协助来完成。执行对象会将请求发送至算法对象，并由vtkAlgorithm::ProcessRequest()进行处理。所有Filter类中都会实现ProcessRequest函数，并处理相关请求。与此同时，输入/输出管线信息对象也会传递到该函数中，然后根据相关的参数设置相关的处理。算法对象不允许从执行对象中再次获取其他信息。

因此，管线执行流程可以这样表述：请求首先在管线末端Filter的执行对象中产生，并不断向上游Filter进行传递，直至管线前端Filter。管线前端Filter的算法对象对请求进行处理，产生相应的数据和信息，并不断传递至下游的Filter以便完成请求处理，直到完成请求的发起者。过程如下如所示：

当Filter在处理请求时，可能会根据请求来修改管线信息。如果修改输出管线信息，则称为向下信息流。这时，管线信息会向下游的Filter传递并在Mapper对象前结束。

同样地，如果修改输入管线信息，则称为向上信息流。这时，管线信息会向上游Filter传递，直至源对象结束（如Reader）。

另外，根据不同的需要，请求会在管线中向上或者向下传递。VTK中请求的方向定义为vtkExecutive::RequestUpstream() 和vtkExecutive::RequestDownstream()。例如vtkDemandDrivenPipeline::UpdateData()中的数据请求，这个函数定义时就定义了传递方向：

this->DataRequest->Set( vtkExecutive::FORWARD_DIRECTION()，vtkExecutive::RequestUpstream);

表示该请求向上游Filter传递。

• 向下请求方式

该请求要求Filter从输入向输出发送信息。

例如：一幅图像处理Filter可能会收到一个向下请求，以获取图像的几何信息。如果Filter没有修改图像几何信息，则会直接将图像几何信息如原点、像素间隔从输入管线信息对象复制到输出管线信息对象中。

• 向上请求方式

该请求要求Filter从输出向输入发送信息。来获取下游Filter需要的图像区域信息，那么该Filter会直接将请求的图像区域信息从输出管线信息中复制至管线信息对象中。

vtkExecutive执行对象负责产生请求并进行传递，VTK常用的有三个标准执行对象，他们都继承自vtkExecutive，分别是vtkDemandDrivenPipeline、vtkStreamingDrivenPipeline和vtkCompositeDataPipeline。

2. vtkDemandDrivenPipeline

类的继承关系图表如下：

请求关系图如下：

该执行对象采用一个基本的隐式命令驱动执行模型。每个 Filter都维护一个修改时间,并记录参数修改的时间。 而该执行对象则跟踪每个输出端口信息和数据的最后生成时间。Filter执行时, 如果输出端口的信息和数据过时(早于 Filter的修改时间) , Filter才会执行。该 Filter定义的请求如下所示(它们的类型都是向下请求, 即要求 Filter从输入向输出发送信息) 。

2.1 ComputePipeIineMTime()

请求计算 Filter的管线修改时间。这个时间是 Filter中所输入和参数修改时间中的最大值。考虑到效率问题,该请求并没有在 ProcessRequest()中进行处理,而是通过函数 ComputePipelineMTime()。如果执行对象或者算法对象需要修改该请求的默认实现, 则需要覆盖该函数。 VTK 管线中会比较管线修改时间与输出数据修改时间, 如果输出数据已经过时, 才会执行请求来完成新的数据计算 。 该函数对管线执行非常重要, 在实现 Filter时需要格外注意。

2.2 REQUEST_DATA_OBJECT()

请求创建vtkDataObject对象,并利用vtkDataObject::DATA_OBJECT()索引存储到各个输出端口的管线信息对象中 。 此时数据对象并没有填充数据, 数据是在REQUEST_DATA()请求中完成。该执行对象提供了一个默认的实现,利用每个输端口信息対象中的vtkDataObject::DATATYPE_NAME()指定的数据类型来生成数据对象。如果

输出端口数据类型使赖于输入数据类型和参数设置, 那么 Filter必须重新实现这个请求。

2.3 REQUEST_MORMATION()

请求每个输出端口信息对象的数据对象相关信息。例如一个图像或者规则网格的原点 (vtkDataObject::ORIGIN()索引) 和间隔 (vtkDataObject::SPACElNG()索引) 。 vtkDemandDrivenPipeline 提供了一个默认的实现,通过 DataObject::CopyInformationToPipeline( )将每个输出端口的数据对象信息复制至相应的输出管线信息对象中。如果存在输入連接,则将第一个連接的管线信息复制至每个输出管线对象中。如果源对象没有输入或者 Filter中需要根据输入修改信息, 则需要重新实现该请求。

2.4 REQUEST_DATA()

请求对输出端口中的数据对象赋值。输出端口号根据vtkExecutive::FROM_OUTPUT_PORT()获取, 该请求的处理流程如下 。
1 ) 向算法对象发送一个vtkDemandDrivenPipeline::REQUEST_DATA_NOT_GENERATED()请求,请求中包含了原REQUEST_DATA()中的所有信息。如果 Filter中部分输出端口的数据不需要进行赋值,  则在这些输出端口中的管线信息对象中利用vtkDemandDrivenPipeline::DATA_NOT_GENERATED()存储一个 int类型数值。这将通知执行对象在处理REQUEST_DATA请求时不处理这些输出端口 。
2)对于管线信息对象中未设置vtkDemandDrivenPipeIine::DATA_NOT_GENERATED()的输出端口,在 DataObject::PrepareForNewData()中初始化输出数据对象。这些数据对象在处理REQUEST_DATA_OBJECT()时创建,并将其初始化。调用vtkDataObject::CopyInformation FromPipeline()将管线信息复制至数据对象的信息对象中 。
3)触发算法对象的 StartEvent消息,并清空 AbortExecute标志,将进度值标记为 0。
4)向算法对象发送REQUEST_DATA()请求。所有算法对象必须实现这个请求,实现对所有输出管线信息对象中的数据对象赋值。这里需要排除在第一步中标记vtkDemandDriven Pipeline:: DATA_NOT_GENERATED()的输出端口 。
5)如果AbortExecute标记未设置,则将进度值更新为1,然后触发EndEvent消息。
6)对于管线信息对象未设置vtkDemandDrivenPipeline::DATA_NOT_GENERATED()的输出端口, 利用vtkDataObject::DataHasBeenGenerated()标记输出数据为生成状态 。
7) 如果输入连接的管线信息对象中包含了vtkDemandDrivenPipeline: RELEASE_DATA()标记,则调用vtkDataObiect::ReleaseData()来释放该输入连接的数据对象。

4.参看资料

1.《C++ primer》
2.《The VTK User’s Guide – 11thEdition》
3.  张晓东, 罗火灵. VTK图形图像开发进阶[M]. 机械工业出版社, 2015.