VTK修炼之道27：图像基本操作_三维图像切片交互提取（回调函数、观察者-命令模式）

1.鼠标滑动提取三维图像切片

学习三维图像切面的提取后，我们可以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。我们采用观察者/命令(Observer/Command)模式机制来实现。
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。
代码设计如下：

#include <vtkAutoInit.h>
VTK_MODULE_INIT(vtkRenderingOpenGL);

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkMetaImageReader.h>
#include <vtkMatrix4x4.h>
#include <vtkLookupTable.h>
#include <vtkImageMapToColors.h>
#include <vtkImageActor.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
#include <vtkInteractorStyleImage.h>

#include <vtkCommand.h> //建立“观察者/命令”模式监听鼠标消息 完成交互
#include <vtkImageReslice.h>
#include <vtkImageData.h>
class vtkImageInteractionCallback : public vtkCommand
{
public:
static vtkImageInteractionCallback *New() //回调函数初始化函数
{
return new vtkImageInteractionCallback;
}
vtkImageInteractionCallback()
{
this->Slicing = 0;
this->ImageReslice = 0;
this->Interactor = 0;
}
void SetImageReslice(vtkImageReslice *reslice)
{
this->ImageReslice = reslice;
}
vtkImageReslice *GetImageReslice()
{
return this->ImageReslice;
}
void SetInteractor(vtkRenderWindowInteractor *interactor)
{
this->Interactor = interactor;
}
vtkRenderWindowInteractor *GetInteractor()
{
return  this->Interactor;
}
virtual void Execute(vtkObject * ,unsigned long event,void *)
{
vtkRenderWindowInteractor *interactor = GetInteractor();
int lastPos[2];
interactor->GetLastEventPosition(lastPos);
int currPos[2];
interactor->GetEventPosition(currPos);

if (event == vtkCommand::LeftButtonPressEvent)
{
this->Slicing = 1; //标志位
}
else if (event == vtkCommand::LeftButtonReleaseEvent)
{
this->Slicing = 0; //标志位
}
else if (event == vtkCommand::MouseMoveEvent)
{
if (this->Slicing)//检验鼠标左键已经按下 正在执行操作
{
vtkImageReslice *reslice = this->ImageReslice;
//记下鼠标Y向变化的幅值大小
int deltaY = lastPos[1] - currPos[1];

reslice->Update();
double sliceSpacing = reslice->GetOutput()->GetSpacing()[2];
vtkMatrix4x4 *matrix = reslice->GetResliceAxes();
//重新定位切片需要经过的中心点
double point[4];
double center[4];
point[0] = 0;
point[1] = 0;
point[2] = sliceSpacing*deltaY;
point[3] = 1.0;
matrix->MultiplyPoint(point, center);
matrix->SetElement(0, 3, center[0]);
matrix->SetElement(1, 3, center[1]);
matrix->SetElement(2, 3, center[2]);

interactor->Render();
}
else
{
vtkInteractorStyle *style = vtkInteractorStyle::SafeDownCast(
interactor->GetInteractorStyle());
if (style)
{
style->OnMouseMove();
}
}
}
}
private:
int Slicing;
vtkImageReslice *ImageReslice;
vtkRenderWindowInteractor *Interactor;
};
//**********************************************************************************//
int main()
{
vtkSmartPointer<vtkMetaImageReader> reader =
vtkSmartPointer<vtkMetaImageReader>::New();
reader->SetFileName("brain.mhd");
reader->Update();

int extent[6];
double spacing[3];
double origin[3];

reader->GetOutput()->GetExtent(extent);
reader->GetOutput()->GetSpacing(spacing);
reader->GetOutput()->GetOrigin(origin);

double center[3];
center[0] = origin[0] + spacing[0] * 0.5 * (extent[0] + extent[1]);
center[1] = origin[1] + spacing[1] * 0.5 * (extent[2] + extent[3]);
center[2] = origin[2] + spacing[2] * 0.5 * (extent[4] + extent[5]);

static double axialElements[16] = {
1, 0, 0, 0,
0, 1, 0, 0,
0, 0, 1, 0,
0, 0, 0, 1
};

vtkSmartPointer<vtkMatrix4x4> resliceAxes =
vtkSmartPointer<vtkMatrix4x4>::New();
resliceAxes->DeepCopy(axialElements);

resliceAxes->SetElement(0, 3, center[0]);
resliceAxes->SetElement(1, 3, center[1]);
resliceAxes->SetElement(2, 3, center[2]);

vtkSmartPointer<vtkImageReslice> reslice =
vtkSmartPointer<vtkImageReslice>::New();
reslice->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());
reslice->SetOutputDimensionality(2);
reslice->SetResliceAxes(resliceAxes);
reslice->SetInterpolationModeToLinear();

vtkSmartPointer<vtkLookupTable> colorTable =
vtkSmartPointer<vtkLookupTable>::New();
colorTable->SetRange(0, 1000);
colorTable->SetValueRange(0.0, 1.0);
colorTable->SetSaturationRange(0.0, 0.0);
colorTable->SetRampToLinear();
colorTable->Build();

vtkSmartPointer<vtkImageMapToColors> colorMap =
vtkSmartPointer<vtkImageMapToColors>::New();
colorMap->SetLookupTable(colorTable);
colorMap->SetInputConnection(reslice->GetOutputPort());

vtkSmartPointer<vtkImageActor> imgActor =
vtkSmartPointer<vtkImageActor>::New();
imgActor->SetInputData(colorMap->GetOutput());

vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer =
vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
renderer->AddActor(imgActor);
renderer->SetBackground(.4, .5, .6);

vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow =
vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
renderWindow->SetSize(500, 500);
renderWindow->AddRenderer(renderer);

vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor =
vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleImage> imagestyle =
vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleImage>::New();

renderWindowInteractor->SetInteractorStyle(imagestyle);
renderWindowInteractor->SetRenderWindow(renderWindow);
renderWindowInteractor->Initialize();
//****************建立 观察者-命令 模式****************//
vtkSmartPointer<vtkImageInteractionCallback> callback =
vtkSmartPointer<vtkImageInteractionCallback>::New();
callback->SetImageReslice(reslice);
callback->SetInteractor(renderWindowInteractor);

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

renderWindowInteractor->Start();

return 0;
}

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。

下面重点看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。

2.参看资料

1.《C++ primer》

2.《The VTK User’s Guide – 11thEdition》

3.《The Visualization Toolkit – AnObject-Oriented Approach To 3D Graphics (4th Edition)》

4.  张晓东, 罗火灵. VTK图形图像开发进阶[M]. 机械工业出版社, 2015.