1.vtkVolumeMapper

vtkVolumeMapper是所有體繪制Mapper類的虛基類，提供接口函數(shù)，并由其子類實(shí)現(xiàn)具體功能。該類的繼承關(guān)系如下圖所示：
應(yīng)該掌握一些常用的體繪制類。

2.光線投射：vtkVolumeRayCastMapper

光線投射法是最常用的體繪制方法。它是一種基于圖像序列的直接體繪制方法。 光線投影法的基本原理是從投影圖像平面（通常為平面）的每個(gè)像素沿著視線方向發(fā)射一條穿過體數(shù)據(jù)的射線，然后在射線上按照一定的步長(zhǎng)進(jìn)行等距采樣，對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)采用插值技術(shù)來計(jì)算其體素值，根據(jù)顏色傳輸函數(shù)和不透明度傳輸函數(shù)來獲取相應(yīng)的顏色值和不透明度，最后利用光線吸收模型將顏色值進(jìn)行累加直至管線穿過體數(shù)據(jù)。這樣，就可以得到當(dāng)前平面像素的渲染顏色，最終生成顯示圖像。 光線投影法的優(yōu)點(diǎn)是能夠比較精確地模擬原始體數(shù)據(jù)，但計(jì)算量較大，實(shí)時(shí)體繪制對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求比較高。 在VTK中，VTKVolumeRayCastMapper類可用于實(shí)現(xiàn)光線投影體算法，并生成渲染圖元數(shù)據(jù)傳遞給vtkVolume對(duì)象進(jìn)行渲染。 vtkVolumeRayCastMapper采用軟件方法來實(shí)現(xiàn)光線投影算法，精度高但是計(jì)算量比較大，因此渲染速度相對(duì)比較慢。 該類內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)非常重要的函數(shù)：

• vtkVolumeRayCastMapper::SetInput(vtkImageData*)：該函數(shù)用于設(shè)置輸入圖像數(shù)據(jù)；
• vtkVolumeRayCastMapper::SetVolumeRayCastFunction(vtkVolumeRayCastFunction*)：該類用于設(shè)置光線投射函數(shù)。

vtkVolumeRayCastMapper中計(jì)算每條光線在通過體數(shù)據(jù)后的顏色是通過定義的vtkVolumeRayCastFunction對(duì)象來實(shí)現(xiàn)的。因此，必須為vtkVolumeRayCastMapper指定一個(gè)vtkVolumeRayCastFunction象， ?vtkVolumeRayCastFunction是一個(gè)虛基類，他包含三個(gè)子類。

2.1?vtkVolumeRauCastCompositeFunction

該方式通過Alpha合成技術(shù)生成每個(gè)像素的顏色值。對(duì)于每條光線在穿過體數(shù)據(jù)時(shí)，先根據(jù)設(shè)置的采樣步長(zhǎng)進(jìn)行采樣，通過插值技術(shù)來計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)的像素值；然后根據(jù)vtkVolumeProperty中設(shè)置顏色傳輸函數(shù)和不透明度傳輸函數(shù)來計(jì)算采樣點(diǎn)的顏色和不透明度。最后，對(duì)所有采樣點(diǎn)采用Alpha合成方法計(jì)算最終的顏色。 另外，該方式還可以設(shè)置插值優(yōu)先還是分類優(yōu)先。插值優(yōu)先是指對(duì)投射光線進(jìn)行采樣，計(jì)算采樣點(diǎn)的顏色值時(shí)，先通過插值方式計(jì)算該采樣點(diǎn)的標(biāo)量值（灰度值），然后再根據(jù)顏色傳輸函數(shù)和不透明度傳輸函數(shù)計(jì)算該點(diǎn)的顏色值和不透明度。分類優(yōu)先是指在計(jì)算采樣點(diǎn)時(shí)，先根據(jù)顏色傳輸函數(shù)和不透明度傳輸函數(shù)計(jì)算包含該采樣點(diǎn)的立方體的8個(gè)頂點(diǎn)顏色值和不透明度，然后通過插值方法獲取當(dāng)前采樣點(diǎn)的顏色值與不透明度。選擇插值優(yōu)先還是分類優(yōu)先要通過一下兩個(gè)函數(shù)：

• SetCompositeMethodToInterpolateFirst()
• SetCompositeMethodToClassifyFirst()

從顯示效果上來說，插值優(yōu)先具有較好的顯示效果，但在一些情況下也會(huì)存在問題。例如，CT圖像中，低于20的值屬于空氣，20~80的部分是軟組織，大于80部分是骨骼。如果先進(jìn)行插值，那么空氣與谷歌之間永遠(yuǎn)不會(huì)相鄰，因?yàn)樗麄冎g一定存在軟組織。但是，我們的牙齒是和空氣直接接觸的，當(dāng)使用插值優(yōu)先策略并使用比較高的采樣率進(jìn)行體繪制時(shí)，渲染結(jié)果會(huì)使牙齒看起來像是覆蓋了一層皮膚。

2.2?vtkVolumeRayCastMIPFunction

最大密度投影函數(shù)主要用于對(duì)體數(shù)據(jù)中高灰度值得結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化。當(dāng)光線穿過體數(shù)據(jù)時(shí)，在光線上進(jìn)行等距采樣。取采樣點(diǎn)中屬性最大值為該條光線的輸出。光線對(duì)應(yīng)的屏幕像素顏色值就可以通過該值進(jìn)行顏色映射獲得。默認(rèn)情況下，這個(gè)屬性是指體數(shù)據(jù)的像素值或者體數(shù)據(jù)的不透明度，其設(shè)置函數(shù)為：

• SetMaximizeMethodToScalarValue()
• SetMaximizedMethodToOpacity()

當(dāng)采用標(biāo)量(灰度)屬性時(shí)，先經(jīng)過體數(shù)據(jù)的光線進(jìn)行等距離采樣，然后通過插值計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)的標(biāo)量值，最后取標(biāo)量值為最大的采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的顏色和不透明度作為輸出；當(dāng)采樣不透明度作為輸出時(shí)，投射光線上每次采樣都要計(jì)算一次不透明度，最后取不透明度最大值的采樣點(diǎn)的顏色和不透明度作為輸出。 通常，最大強(qiáng)度投影算法不計(jì)算明暗信息和深度信息，成像類似于X光，該方法常用于顯示血管的三維結(jié)構(gòu)。該類的使用方法也是非常簡(jiǎn)單的，和vtkVolumeRayCastCompositeFunction一致： vtkSmartPoint<vtkVolumeRayCastMIPFunction> rayCastFun = vtkSmartPointer<vtkVolumeRayCastMIPFunction>::New();

2.3 vtkVolumeRayCastIsosurfaceFunction

對(duì)等值面繪制函數(shù)能夠渲染體數(shù)據(jù)中特定等值面，其中，SetIsoValue(double)函數(shù)用于設(shè)置等值面的值。在進(jìn)行體繪制，所有小于該值的像素不透明度都設(shè)置為0.通過設(shè)定等值面的值，可以重建出某一特定的組織，如皮膚、骨骼等，渲染結(jié)果類似與面繪制。同樣地，使用該函數(shù)進(jìn)行體繪制時(shí)，代碼如下： vtkSmartPointer<vtkVolumeRayCastIsosurfaceFunction> rayCastFun = vtkSmartPointer<vtkVolumeRayCastIsosurfaceFunction>::New(); rayCastFun->SetIsoValue(100);三種體繪制輸出結(jié)果如下： 1.光線投影法輸出圖像：效果最好； 2.最大密度投影法輸出圖像：缺乏深度信息（更像X光輸出）； 3.等值面法體繪制輸出結(jié)果：與面繪制結(jié)果類似。

3.光線投影體繪制討論

3.1 討論一：投影光線上的采樣點(diǎn)的步長(zhǎng)

光線投影體繪制中，投影光線上的采樣點(diǎn)的步長(zhǎng)是一個(gè)重要參數(shù)，決定了體繪制的精度和速度。步長(zhǎng)越小，采樣點(diǎn)就越多，但是體繪制效果提高的同時(shí)計(jì)算量也會(huì)增加。vtkVolumeRayCastMapper中設(shè)置步長(zhǎng)的函數(shù)為： Void SetSampleDistance(float);這里需要注意的是，等值面繪制函數(shù)不需要進(jìn)行采樣，而其他另個(gè)繪制函數(shù)都需要進(jìn)行采樣。在實(shí)際應(yīng)用中，調(diào)整采樣步長(zhǎng)主要考慮的因素有樣本間距、標(biāo)量數(shù)據(jù)以及標(biāo)量數(shù)據(jù)映射的顏色和不同明度變化率。
vtkVolumeRayCastMapper中默認(rèn)的采樣步長(zhǎng)為1；單位為世界坐標(biāo)系。下面顯示了步長(zhǎng)為1和步長(zhǎng)為4的兩種情況對(duì)比：
左側(cè)為步長(zhǎng)等于1的情況；非常精細(xì)。 右側(cè)為步長(zhǎng)等于4的卿狂，比較粗糙。 實(shí)際應(yīng)用過程中，如果體數(shù)據(jù)變化比較劇烈，應(yīng)該適當(dāng)減小采樣步長(zhǎng)以獲得比較精細(xì)的渲染結(jié)果，代價(jià)就是速度的降低。

3.2 討論二：圖像采樣間距（投影光線間隔）

默認(rèn)情況下，圖像采樣間距為1，即每個(gè)像素對(duì)應(yīng)一條投影光線；如果設(shè)為0.5，那么每個(gè)像素對(duì)應(yīng)4條投射光線；如果設(shè)置為2，則每四個(gè)像素對(duì)應(yīng)一條投影光線。設(shè)置圖像采樣距離的函數(shù)： void SetImageSampleDistance(float);需要格外注意的是，當(dāng)使用這個(gè)函數(shù)的時(shí)候，必須先關(guān)閉自動(dòng)調(diào)節(jié)采樣距離功能，代碼如下：
SetAutoAdjustSampleDistance(0); //關(guān)閉自動(dòng)調(diào)整采樣默認(rèn)的情況下，該函數(shù)的功能是開啟的，以保證在圖像旋轉(zhuǎn)等交互時(shí)，能夠自動(dòng)調(diào)整采樣距離保證實(shí)時(shí)性。如果關(guān)閉此功能，在旋轉(zhuǎn)圖像等交互過程中，體繪制渲染過程會(huì)變得很慢。
當(dāng)然，即使我們采用自動(dòng)調(diào)整圖像采樣距離，也可以設(shè)定它的范圍，控制函數(shù)為： void SetMaximunImageSampleDistance(float); void SetMinimumImageSampleDistance(float);下圖顯示的是不同圖像采樣距離的渲染結(jié)果： 左圖的圖像采樣距離為1；右圖的圖像采樣間距為4.同樣，步長(zhǎng)越小，渲染越精細(xì)，渲染時(shí)間越長(zhǎng)。

4.參看資料

1.《C++ primer》
2.《The VTK User’s Guide – 11thEdition》
3. ?張曉東, 羅火靈. VTK圖形圖像開發(fā)進(jìn)階[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2015.

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的VTK修炼之道61：体绘制_光线投影+最大密度投影+等值面法的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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