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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