VTK入门（三）--图像加工处理（一）

不知不觉离上篇博客已经过去了一个月了，决定把vtk图像处理的方式方法总结下来。

编写vtk程序就和平时做事情是一样的，要循序渐进，才不会出错，具体步骤如下：

1、vtk图像构建

前面的文章提到过，可以用Source（比如，vtkConeSource创建椎体源对象，vtkImageCanvasSource2D创建空白画布对象）来创建，并且都会提供相应的图像处理功能，但随着我对vtk学习的慢慢深入，发现Source类快读生成图像的方法在现实中用到的并不到，所以我们采用别的方法手动创建图像。

我们知道图像的三个重要信息是:起点位置、像素间隔、维数，有了这三个要素就可以在空间中构建一副图像出来。下面是对应的示例：

vtkImageData *imgCreate = vtkImageData::New();
imgCreate->SetDimensions(20,20,1);
imgCreate->SetScalarTypeToUnsignedChar();
imgCreate->SetNumberOfScalarComponents(1);
imgCreate->AllocateScalars();
unsigned char *ptr = (unsigned char*)imgCreate->GetScalarPointer();
for(int i=0; i<20*20*1; i++)
{
*ptr ++ =i%256;
}

vtk中的图像数据结构都是vtkImageData类来表示，所以要创建图像，要先定义vtkImageData类的对象，接下来的就是创建三要素，其中本示例中原点和像素间隔都采用了默认值。

SetScalarTypeToUnsignedChar() ，指定其数据类型为UnsignedChar.。

SetNumberOfScalarComponents(1)，指定像素值为1也就是组分数为1，说道组分又可以说很多东西，vkt的内存是连续分配的，用类vtkDataArray来实现，叫做数据数组，比如一个数据有4个分量构成，那么要在连续数组中表达这一数据，就需要采用元组Tuple,存储类型相同的数据，元组的组分数为其大小。

AllocateScalars()，分配内存，生成数据。

GetScalarPointer()，返回图像数据数组。

for循环中重新设置像素值。

运行结果如图，出现这个瑕疵是SetDimensions没有设置好的缘故。

2、vtk图像显示

vtk中图像显示可以使用vtkImageViewer2（至于为什么有个2，据说是vtkImageView被版本淘汰了）和vtkImageActor来实现。

（1）vtkImageViewer2

此类封装了vtk图像的可视化渲染引擎，包括vtkActor,vtkRender,vtkRenderWindow等，并且可以提供图像的缩放窗宽窗位调节功能（窗框是图像的灰度范围，窗位是窗宽的中心位置），下面贴出示例：

vtkJPEGReader *reader =vtkJPEGReader::New();
reader->SetFileName("../data/lo.jpg");
reader->Update();
vtkImageViewer2 *imageViewer =vtkImageViewer2::New();
imageViewer->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());

vtkRenderWindowInteractor *Interactor =vtkRenderWindowInteractor::New();
imageViewer->SetupInteractor(Interactor);
imageViewer->SetColorLevel(500);
imageViewer->SetColorWindow(2000);
imageViewer->SetSlice(40);
imageViewer->SetSliceOrientationToXY();
imageViewer->Render();

imageViewer->GetRenderer()->SetBackground(1.0, 1.0, 1.0);
imageViewer->SetSize(320, 240);
imageViewer->GetRenderWindow()->SetWindowName("Display");
Interactor->Initialize();
Interactor->Start();

前三行读入衣服jpg格式的图片，然后使用vtkImageViewer2显示图像。

SetColorLevel(500)，设置窗位

SetColorWindow(2000)，设置窗宽

SetSlice(40)，设置切片索引

SetSliceOrientationToXY()，设置切片方向

随后就是基本的可视化流程。

运行结果如下：

（2）vtkImageActor

vktImageActor需要建立完整的渲染管线，示例如下：

vtkJPEGReader *reader = vtkJPEGReader::New();
reader->SetFileName ( "../data/lo.jpg" );
reader->Update();

vtkImageActor* imgActor =vtkImageActor::New();
imgActor->SetInput(reader->GetOutput());

vtkRenderer *renderer =vtkRenderer::New();
renderer->AddActor(imgActor);
renderer->SetBackground(1.0, 1.0, 1.0);

vtkRenderWindow *renderWindow =vtkRenderWindow::New();
renderWindow->AddRenderer(renderer);
renderWindow->SetSize( 320, 240 );
renderWindow->Render();
renderWindow->SetWindowName("Display2");

vtkRenderWindowInteractor *renderWindowInteractor =vtkRenderWindowInteractor::New();
vtkInteractorStyleImage *style =vtkInteractorStyleImage::New();

renderWindowInteractor->SetInteractorStyle(style);
renderWindowInteractor->SetRenderWindow(renderWindow);
renderWindowInteractor->Initialize();

renderWindowInteractor->Start();

首先读入jpg图像，然后依次建立vtkImageActor，vtkRender,vtkRenderWindow等，最后创建vtkInteractorStyleImage对象，设置交互类型。



补充说明：

上述两种方法显示图像都是显示一幅图像，用vtkImageBlend将多个图像输入，输出为融合图像。vtk中规定，输出图像的三要素与第一幅图像一直。示例如下：

vtkJPEGReader *reader =vtkJPEGReader::New();
reader->SetFileName ( "../data/lo.jpg" );
reader->Update();

vtkImageCanvasSource2D *imageSource = vtkImageCanvasSource2D::New();
imageSource->SetNumberOfScalarComponents(1);
imageSource->SetScalarTypeToUnsignedChar();
imageSource->SetExtent(0, 1050, 0, 699, 0, 0);
imageSource->SetDrawColor(0.0);
imageSource->FillBox(0, 1050, 0, 699);
imageSource->SetDrawColor(255.0);
imageSource->FillBox(100,400,100,400);
imageSource->Update();

vtkImageBlend *imageBlend = vtkImageBlend::New();
imageBlend->SetInput(0, reader->GetOutput());
imageBlend->SetInput(1, imageSource->GetOutput());
imageBlend->SetOpacity(0, 0.4);
imageBlend->SetOpacity(1, 0.6);
imageBlend->Update();

首先读入图像，然后用Source类生成一幅图，最后用vtkImageBlend进行融合，在输出，其中两幅图像都需要编号

SetOpacity（），可以用来设置不透明度。

3、图像基本操作

图像的基本操作是指获取图像的基本信息，修改像素值，图像数据类型转换，等基本操作。

（1）、图像信息访问和修改

我们看到vtk封装了许多Set和Get的方法，没错，他们可以用来访问图像信息，比如GetDimensions(),获取图像的维数，另外还可以使用vtkChangeImageInformation来修改图像的三要素，同时可以实现缩放等操作；

（2）、像素值的访问修改

像素值的修改与访问是最常用的一种操作，vtk中可以直接访问vtkImageData的数据数组，前面提到了可以使用GetScalarPointer()来获取指针。

unsigned char * pixel = (unsigned char *) ( reader->GetOutput()->GetScalarPointer(i, j, k) );

该函数返回的是void类型的指针，需转换成unsigned char *类型。

还有一种方法是使用vtkImageIterator类通过迭代器来实现。

vtkImageIterator<unsigned char> it(reader->GetOutput(), subRegion);

该类是一个模板类，使用时需要图像类型以及迭代的区域的大小。

（3）、类型转换

前面我们也看到经常需要进行图像类型装换，vtk中提供了vtkImageCast类和vtkIamgeShiftScale类来进行操作。

vtkImageCast 的使用只要把该类封装的SetOutputScalarTypeTo..设置成相应的类型就行了。

而vtkIamgeShiftScale则可以对偏移和比例参数来对图像数据进行操作，代码操作如下：

vtkImageShiftScale *shift = vtkImageShiftScale::New();
shift->SetInputConnection(image->GetProducerPort());
shift->SetOutputScalarTypeToUnsignedChar();
shift->SetShift(1);
shift->SetScale(100);
shift->Update();

SetShift(）设置偏移量，SetScale()用于设置放缩值。

（4）、颜色操作

灰度图像映射可以使用vtkImageLuminance来实现，方法比较简答，而彩色图像映射前面提到过，通过颜色查找表实现vtkLookUpTable实现。

vtk中vtkImageExtractComponents用来提取彩色图像的各个颜色组分，提供SetComponents()方法提取组分号，执行Update()即可得到数据。

vtkImageAppendComponents类可以用来合成彩色图像。代码示例如下：

vtkSmartPointer<vtkImageCanvasSource2D> red =
vtkSmartPointer<vtkImageCanvasSource2D>::New();
red->SetScalarTypeToUnsignedChar();
red->SetNumberOfScalarComponents(1);
red->SetExtent(0, 100, 0, 100, 0, 0);
red->SetDrawColor(0, 0, 0, 0);
red->FillBox(0,100,0,100);
red->SetDrawColor(255, 0, 0, 0);
red->FillBox(20,40,20,40);
red->Update();

vtkSmartPointer<vtkImageCanvasSource2D> green =
vtkSmartPointer<vtkImageCanvasSource2D>::New();
green->SetScalarTypeToUnsignedChar();
green->SetNumberOfScalarComponents(1);
green->SetExtent(0, 100, 0, 100, 0, 0);
green->SetDrawColor(0, 0, 0, 0);
green->FillBox(0,100,0,100);
green->SetDrawColor(255, 0, 0, 0);
green->FillBox(30,50,30,50);
green->Update();

vtkSmartPointer<vtkImageCanvasSource2D> blue =
vtkSmartPointer<vtkImageCanvasSource2D>::New();
blue->SetScalarTypeToUnsignedChar();
blue->SetNumberOfScalarComponents(1);
blue->SetExtent(0, 100, 0, 100, 0, 0);
blue->SetDrawColor(0, 0, 0, 0);
blue->FillBox(0,100,0,100);
blue->SetDrawColor(255, 0, 0, 0);
blue->FillBox(40,60,40,60);
blue->Update();

vtkSmartPointer<vtkImageAppendComponents> appendFilter =
vtkSmartPointer<vtkImageAppendComponents>::New();
appendFilter->SetInputConnection(0, red->GetOutputPort());
appendFilter->AddInputConnection(0, green->GetOutputPort());
appendFilter->AddInputConnection(0, blue->GetOutputPort());
appendFilter->Update();

首先定义了三个灰度图像，然后让三个图像部分重叠，程序运行结果如下：

（5）、区域提取

vtkExtractVOI类可以提取指定区域的图像，输入输出都是vtkImageData。示例程序如下：

vtkJPEGReader* reader =vtkJPEGReader::New();
reader->SetFileName ("../data/lo.jpg");
reader->Update();

int dims[3];
reader->GetOutput()->GetDimensions(dims);

vtkExtractVOI* extractVOI =vtkExtractVOI::New();
extractVOI->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());
extractVOI->SetVOI(dims[0]/4.,3.*dims[0]/4.,dims[1]/4.,3.*dims[1]/4., 0, 0);
extractVOI->Update();

vtkImageActor *originalActor =vtkImageActor::New();
originalActor->SetInput(reader->GetOutput());

vtkImageActor *voiActor =vtkImageActor::New();
voiActor->SetInput(extractVOI->GetOutput());

读入一副图像，然后提取出需要的区域，最后定义两个actor将他们显示出来



而在三维图像中可以使用vtkImageReslice进行三维图像切面的提取。

（6）、直方图显示

显示一副灰度图像直方图，vtk中使用vtkImageAccumulate类来进行统计功能。该类输入输出都是vtkImageData类型，代码示例如下：

vtkJPEGReader *reader =vtkJPEGReader::New();
reader->SetFileName ( "..\\data\\lena-gray.jpg" );
reader->Update();

int bins   = 16;
int comps  = 1;

vtkImageAccumulate *histogram =vtkImageAccumulate::New();
histogram->SetInput(reader->GetOutput());
histogram->SetComponentExtent(0, bins-1, 0, 0, 0, 0);
histogram->SetComponentOrigin(0, 0, 0);
histogram->SetComponentSpacing(256.0/bins, 0, 0);
histogram->Update();

int* output = static_cast<int*>(histogram->GetOutput()->GetScalarPointer());

vtkIntArray* frequencies = vtkIntArray::New();
frequencies->SetNumberOfComponents(1);

for(int j = 0; j < bins; ++j)
{
for(int i=0; i<comps; i++)
{
frequencies->InsertNextTuple1(*output++);
}
}

vtkDataObject *dataObject = vtkDataObject::New();
dataObject->GetFieldData()->AddArray( frequencies );

vtkBarChartActor *barChart = vtkBarChartActor::New();
barChart->SetInput(dataObject);
barChart->SetTitle("Histogram");
barChart->GetPositionCoordinate()->SetValue(0.05,0.05,0.0);
barChart->GetPosition2Coordinate()->SetValue(0.95,0.95,0.0);
barChart->GetProperty()->SetColor(0,0,0);
barChart->GetTitleTextProperty()->SetColor(0,0,0);
barChart->GetLabelTextProperty()->SetColor(0,0,0);
barChart->GetLegendActor()->SetNumberOfEntries(dataObject->GetFieldData()->GetArray(0)->GetNumberOfTuples());
barChart->LegendVisibilityOff();
barChart->LabelVisibilityOff();

代码比较长，一点点来解释，首先读入一副灰度图形，然后定义了灰度直方图的间隔数目。

SetComponentExtent(0, bins-1, 0, 0, 0, 0);设置每个组分直方图最大最小值

SetComponentOrigin(0, 0, 0);每个组分直方图的其实灰度值。

SetComponentSpacing(256.0/bins, 0, 0);每个间隔代表的灰度范围。

然后调用updata()就可以计算了。

另外要将图像显示出来，需要通过vtkBarChartActor来显示，但是他接受vtkDataObject类型，所以先存储到数组frequencies中，然后再添加到vtkDataObject中，最后在通过vtkBarChartActor来实现实现。

（7）、重采样

重采样是按照图像的像素位置和间距重新采样，然后重新构成新图像。重采样会改变图像的维数，分为降采样和增采样，vtkImageShrink3D用来实现降采样操作，vtkImageMagnify用来实现升采样操作。

（8）、数学运算与逻辑运算

vtkImageMathematics来提供基本的数学操作，提供的一元操作有如下：

SetOperationToInvert：图像像素值取倒数运算

SetOperationToSin：图像像素值正弦运算

SetOperationToCos：图像像素值余弦运算

SetOperationToExp：图像像素值自然指数运算

SetOperationToLog：图像像素值自然对数运算

SetOperationToAbsoluteValue：图像像素值取绝对值

SetOperationToSquare：图像像素值平方运算

SetOperationToSquareRoot：图像像素值平凡根运算

SetOperationToATAN：图像像素值正切运算

SetOperationToATAN2：图像像素值反正切运算

SetOperationToMultiplyByK：图像像素值乘以常数K，需要先调用SetConstantK()设置K值

SetOperationToAddConstant：图像像素值加上常数K，需要先调用SetConstantK()设置K值

SetOperationToReplaceCByK：将图像中像素为C的像素值替换为K，需要先调用SetConstantK()和SetConstantC设置K和C值
提供的二元操作有：

SetOperationToAdd:两个图像对应像素加法运算

SetOperationToSubtract：两个图像对应像素减法运算

SetOperationToMultiply：两个图像对应像素相乘运算

SetOperationToDivide：两个图像对应像素相除运算

SetOperationToConjugate：将两个标量图像对应像素组合为共轭复数

SetOperationToComplexMultiply：两个图像对应像素复数乘法运算

SetOperationToMin：取两个图像中对应像素较小值

SetOperationToMax：取两个图像中对应像素较大值
vtkImageLogic通常用来执行图像的布尔逻辑运算，支持的逻辑运算有：

SetOperationToAnd():逻辑与操作

SetOperationToOr():逻辑或操作

SetOperationToXor()：逻辑异或

SetOperationToNand()：逻辑与非

SetOperationToNor()：逻辑或非

SetOperationToNot()：逻辑非

（9）、二值化

二值化顾名思义，二值图像的取值只能是0和255.可以通过vtkImageThreshold类实现图像二值化。示例代码如下：

vtkJPEGReader *reader =vtkJPEGReader::New();
reader->SetFileName("../data/lo.jpg");
reader->Update();

vtkImageThreshold *thresholdFilter =vtkImageThreshold::New();
thresholdFilter->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());
thresholdFilter->ThresholdByUpper(100);
thresholdFilter->SetInValue(255);
thresholdFilter->SetOutValue(0);

ThresholdByUpper()设置大于100的灰度范围为有效范围。通过SetInValue()设置范围内的输出值，SetOutValue()设置范围外的输出值。