05-VTK在图像处理中的应用(4)

5.7 区域提取

5.7.1 提取感兴趣区域 

感兴趣区域(Volum of Interest)是指图像内部的一个子区域。在VTK中vtkExtractVOI类实现由用户指定的区域范围提取图像的子图像。该Filter的输入和输出都是一个vtkImageData,因此其结果可以直接作为图像保存。

 

   1:      vtkSmartPointer<vtkBMPReader> reader =

   2:          vtkSmartPointer<vtkBMPReader>::New();

   3:      reader->SetFileName ( "lena.bmp" );

   4:      reader->Update();

   5:  

   6:      int dims[3];

   7:      reader->GetOutput()->GetDimensions(dims);

   8:  

   9:      vtkSmartPointer<vtkExtractVOI> extractVOI =

  10:          vtkSmartPointer<vtkExtractVOI>::New();

  11:      extractVOI->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());

  12:      extractVOI->SetVOI(dims[0]/4.,3.*dims[0]/4.,dims[1]/4.,3.*dims[1]/4., 0, 0);

  13:      extractVOI->Update();

 

上例代码实现了提取一副图像的子区域。首先读取一个图像,并获取图像的维数。然后定义vtkExtractVOI对象,该对象接收两个输入一个是图像数据,第二个是区域大小。设置区域大小的函数原型:

void SetVOI(int _arg1, int _arg2, int _arg3, int _arg4, int _arg5, int _arg6)

void SetVOI(int _arg[])

其参数是提取的区域各个方向的大小,共6个参数,依次表示x方向最小值,x方向最大值,y方向最小值,y方向最大值,z方向最小值和z方向最大值。上例中由于读取的是二维图像,因此z方向的区域为[0,0],而在x方向范围为[ dims[0]/4 , 3*dims[0]/4 ],y方向范围为[ dims[1]/4 , 3*dims[1]/4 ],即提取图像原图中间1/4图像。执行结果如下:

 

图5.18 提取感兴趣区域

5.7.2 三维图像切片提取

切片是指三维图像中的一个切面对应的图像。切面可以是过图像内部一点且平行于XY、YZ、XZ平面的平面,也可以是任意的过三维图像内部一点任意方向的平面。通过提取切片可以方便的浏览和分析图像内部组织结构,是医学图像浏览软件中的一个重要的功能。在VTK中vtkImageReslice类实现图像切片提取功能。下面首先看一段切片提取的代码。

1:  vtkSmartPointer<vtkMetaImageReader> reader =

   2:     vtkSmartPointer<vtkMetaImageReader>::New();

   3:  reader->SetFileName ( " brain.mhd" );

   4:  reader->Update();

   5:   

   6:  int extent[6];

   7:  double spacing[3];

   8:  double origin[3];

   9:   

  10:  reader->GetOutput()->GetExtent(extent);

  11:  reader->GetOutput()->GetSpacing(spacing);

  12:  reader->GetOutput()->GetOrigin(origin);

  13:   

  14:  double center[3];

  15:  center[0] = origin[0] + spacing[0] * 0.5 * (extent[0] + extent[1]);

  16:  center[1] = origin[1] + spacing[1] * 0.5 * (extent[2] + extent[3]);

  17:  center[2] = origin[2] + spacing[2] * 0.5 * (extent[4] + extent[5]);

  18:   

  19:  static double axialElements[16] = {

  20:     1, 0, 0, 0,

  21:     0, 1, 0, 0,

  22:     0, 0, 1, 0,

  23:     0, 0, 0, 1 };

  24:   

  25:  vtkSmartPointer<vtkMatrix4x4> resliceAxes =

  26:     vtkSmartPointer<vtkMatrix4x4>::New();

  27:  resliceAxes->DeepCopy(axialElements);

  28:   

  29:  resliceAxes->SetElement(0, 3, center[0]);

  30:  resliceAxes->SetElement(1, 3, center[1]);

  31:  resliceAxes->SetElement(2, 3, center[2]);

  32:   

  33:   

  34:  vtkSmartPointer<vtkImageReslice> reslice =

  35:     vtkSmartPointer<vtkImageReslice>::New();

  36:  reslice->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());

  37:  reslice->SetOutputDimensionality(2);

  38:  reslice->SetResliceAxes(resliceAxes);

  39:  reslice->SetInterpolationModeToLinear();

  40:   

  41:  vtkSmartPointer<vtkLookupTable> colorTable =

  42:     vtkSmartPointer<vtkLookupTable>::New();

  43:  colorTable->SetRange(0, 1000);

  44:  colorTable->SetValueRange(0.0, 1.0);

  45:  colorTable->SetSaturationRange(0.0, 0.0);

  46:  colorTable->SetRampToLinear();

  47:  colorTable->Build();

  48:   

  49:  vtkSmartPointer<vtkImageMapToColors> colorMap =

  50:     vtkSmartPointer<vtkImageMapToColors>::New();

  51:  colorMap->SetLookupTable(colorTable);

  52:  colorMap->SetInputConnection(reslice->GetOutputPort());

  53:   

  54:  vtkSmartPointer<vtkImageActor> imgActor =

  55:     vtkSmartPointer<vtkImageActor>::New();

  56:  imgActor->SetInput(colorMap->GetOutput());

  57:   

  58:  vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer =

  59:     vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();

  60:  renderer->AddActor(imgActor);

  61:  renderer->SetBackground(.4, .5, .6);

  62:   

  63:  vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow =

  64:     vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();

  65:  renderWindow->SetSize(500, 500);

  66:  renderWindow->AddRenderer(renderer);

  67:   

  68:  vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor =

  69:     vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();

  70:  vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleImage> imagestyle =

  71:     vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleImage>::New();

  72:   

  73:  renderWindowInteractor->SetInteractorStyle(imagestyle);

  74:  renderWindowInteractor->SetRenderWindow(renderWindow);

  75:  renderWindowInteractor->Initialize();

  76:   

  77:  renderWindowInteractor->Start();

 

首先通过vtkMetaImageReader读取一副医学三维图像,并获取得到图像范围(extent),原点和像素间隔;由这三个参数可以计算图像的中心位置center;接下来定义了切面的变换矩阵axialElements,该矩阵的前三列分别表示x、y和z方向向量,第四列为中心点坐标;代码中的axialElements表示切面变换矩阵与当前坐标系一致,且切面为过中心点center,并平行于XY平面的平面。当前,定义该切面时,也可以是其他平面,甚至是任意平面,但是必须要过图像内部点。下面给出了一个常用的变换矩阵:

 

static double coronalElements[16] = {

 1, 0, 0, 0,

 0, 0, 1, 0,

0,-1, 0, 0,

 0, 0, 0, 1 }; 提取平行于XZ平面的切片

 

static double sagittalElements[16] = {

 0, 0,-1, 0,

 1, 0, 0, 0,

 0,-1, 0, 0,

 0, 0, 0, 1 }; 提取平行于YZ平面的切片

 

static double obliqueElements[16] = {

 1, 0, 0, 0,

 0, 0.866025, -0.5, 0,

 0, 0.5, 0.866025, 0,

 0, 0, 0, 1 }; 提取斜切切片

 

注意使用这些变换矩阵的时候,需要将第四列替换为切片经过图像的一个点坐标,上例中将图像的中心添加到axialElements矩阵,并通过函数SetResliceAxes设置变换矩阵,SetOutputDimensionality(2)指定输出的图像为一个二维图像;而函数SetInterpolationModeToLinear()则指定了切面提取中的差值方式为线性差值,另外该类中还提供了其他的差值方式:

SetInterpolationModeToNearestNeighbor():最近邻方式

SetInterpolationModeToCubic():三次线性差值

设置完毕后,执行Update()即可完成切面计算。运行结果如下图:

 

图5.19 切片提取

5.7.3 扩展

学习三维图像切面的提取后,我们在上节的程序上做一个扩展,实现一个稍微复杂的程序——通过滑动鼠标来切换三维图像切片,这也是医学图像处理软件中一个很基本的功能。实现该功能难点是怎样在VTK中控制鼠标来实时提取图像切片。在前面的章节中已经介绍观察者/命令(Observer/Command)模式,我们也采用这种机制来实现。VTK中鼠标消息是在交互类型对象(interactorstyle)中响应,因此通过为交互类型对象(interactorstyle)添加观察者(observer)来监听相应的消息,当消息触发时,由命令模式执行相应的回调函数。闲话少说,放代码。

  1:  class vtkImageInteractionCallback : public vtkCommand

   2:  {

   3:  public:

   4:   

   5:      static vtkImageInteractionCallback *New()

   6:      {

   7:          return new vtkImageInteractionCallback;

   8:      }

   9:   

  10:      vtkImageInteractionCallback()

  11:      {

  12:          this->Slicing = 0;

  13:          this->ImageReslice = 0;

  14:          this->Interactor = 0;

  15:      }

  16:   

  17:      void SetImageReslice(vtkImageReslice *reslice)

  18:      {

  19:          this->ImageReslice = reslice;

  20:      }

  21:   

  22:      vtkImageReslice *GetImageReslice()

  23:      {

  24:          return this->ImageReslice;

  25:      }

  26:   

  27:      void SetInteractor(vtkRenderWindowInteractor *interactor)

  28:      {

  29:          this->Interactor = interactor;

  30:      }

  31:   

  32:      vtkRenderWindowInteractor *GetInteractor()

  33:      {

  34:          return this->Interactor;

  35:      }

  36:   

  37:      virtual void Execute(vtkObject *, unsigned long event, void *)

  38:      {

  39:          vtkRenderWindowInteractor *interactor = this->GetInteractor();

  40:   

  41:          int lastPos[2];

  42:          interactor->GetLastEventPosition(lastPos);

  43:          int currPos[2];

  44:          interactor->GetEventPosition(currPos);

  45:   

  46:          if (event == vtkCommand::LeftButtonPressEvent)

  47:          {

  48:              this->Slicing = 1;

  49:          }

  50:          else if (event == vtkCommand::LeftButtonReleaseEvent)

  51:          {

  52:              this->Slicing = 0;

  53:          }

  54:          else if (event == vtkCommand::MouseMoveEvent)

  55:          {

  56:              if (this->Slicing)

  57:              {

  58:                  vtkImageReslice *reslice = this->ImageReslice;

  59:   

  60:                  // Increment slice position by deltaY of mouse

  61:                  int deltaY = lastPos[1] – currPos[1];

  62:   

  63:                  reslice->Update();

  64:                  double sliceSpacing = reslice->GetOutput()->GetSpacing()[2];

  65:                  vtkMatrix4x4 *matrix = reslice->GetResliceAxes();

  66:                  // move the center point that we are slicing through

  67:                  double point[4];

  68:                  double center[4];

  69:                  point[0] = 0.0;

  70:                  point[1] = 0.0;

  71:                  point[2] = sliceSpacing * deltaY;

  72:                  point[3] = 1.0;

  73:                  matrix->MultiplyPoint(point, center);

  74:                  matrix->SetElement(0, 3, center[0]);

  75:                  matrix->SetElement(1, 3, center[1]);

  76:                  matrix->SetElement(2, 3, center[2]);

  77:                  interactor->Render();

  78:              }

  79:              else

  80:              {

  81:                  vtkInteractorStyle *style = vtkInteractorStyle::SafeDownCast(

  82:                      interactor->GetInteractorStyle());

  83:                  if (style)

  84:                  {

  85:                      style->OnMouseMove();

  86:                  }

  87:              }

  88:          }

  89:      }

  90:   

  91:  private:

  92:      int Slicing;

  93:      vtkImageReslice *ImageReslice;

  94:      vtkRenderWindowInteractor *Interactor;

  95:  };

 

vtkImageInteractionCallback继承自vtkCommand类,并覆盖父类函数Execute()。该类提供了两个接口:SetImageReslice和SetInteractor。SetImageReslice用以设置vtkImageSlice对象,vtkImageSlice根据设置的变换矩阵提取三维图像切片。SetInteractor用以设置vtkRenderWindowInteractor,vtkRenderWindowInteractor类对象负责每次提取切片后刷新视图。

下面我们重点来看一下Execute函数,该函数提供了具体的切片提取功能。在该函数里面,主要监听了三个消息:

vtkCommand::LeftButtonPressEvent,

vtkCommand::LeftButtonReleaseEvent,

vtkCommand::MouseMoveEvent,

前两个消息分别是鼠标左键的按下和弹起消息。当鼠标左键按下时,就设置切片提取标志为1,而当弹起时,将标志置为0。这样在鼠标移动时,只有在确定切片提取标志为1时,执行切片提取功能。

vtkCommand::MouseMoveEvent即为鼠标移动消息。当检测到该消息时,首先检查切片提取标志,当为1时提取切片。提取切片时,需要为vtkImageSlice对象设置变换矩阵。这里在函数开始时,首先获取了鼠标滑动的前后两次点的位置lastPos和currPos。然后根据两点的Y坐标差deltaY,计算新的中心点center并变换至vtkImageSlice当前变换矩阵中,得到变换中心点,将其设置到原来的变换矩阵matrix中,并设置到vtkImageSlice中,最后执行interactor->Render()即可不断的根据鼠标移动刷新图像。

Command对象定义完毕后,即可为交互对象InteractorStyle添加观察者,响应鼠标消息。这里可以在上节的程序上进行修改,前面代码一致,只需要在最后添加如下代码:

1:      vtkSmartPointer<vtkImageInteractionCallback> callback =

   2:          vtkSmartPointer<vtkImageInteractionCallback>::New();

   3:      callback->SetImageReslice(reslice);

   4:      callback->SetInteractor(renderWindowInteractor);

   5:  

   6:      imagestyle->AddObserver(vtkCommand::MouseMoveEvent, callback);

   7:      imagestyle->AddObserver(vtkCommand::LeftButtonPressEvent, callback);

   8:      imagestyle->AddObserver(vtkCommand::LeftButtonReleaseEvent, callback);

   9:  

  10:      renderWindowInteractor->Start();

这里主要是定义了vtkImageInteractionCallback对象,并设置vtkImageSlice对象和vtkRenderWindowInteractor对象。然后为交互对象vtkInteractorStyle添加观察者来监控相应的消息,这里主要是三个消息:

vtkCommand::LeftButtonPressEvent,

vtkCommand::LeftButtonReleaseEvent,

vtkCommand::MouseMoveEvent,

当响应到这三个消息时,立即执行vtkImageInteractionCallback的Execute函数,以便实现切片的实时提取和更新。完成以后,运行程序,当鼠标在图像上移动时,会发现图像会跟着鼠标的移动而变化,神奇吧?有兴趣的话,还可以实现YZ平面、XZ平面切片提取,甚至是任意方向的切面提取。

 

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