5、VTK在圖像處理中的應(yīng)用

圖像是VTK中一個(gè)非常重要的數(shù)據(jù)。數(shù)字圖像廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)、媒體娛樂、地質(zhì)、氣象等重要領(lǐng)域，數(shù)字圖像處理具有重要的應(yīng)用價(jià)值。我們?cè)谡莆樟薞TK的基本知識(shí)后，這一章著重講解數(shù)字圖像處理相關(guān)技術(shù)，學(xué)完本章你會(huì)覺得原來圖像處理是如此簡(jiǎn)單！
5.1 VTK圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)字圖像文件內(nèi)容由兩個(gè)部分組成：圖像頭信息和數(shù)據(jù)。圖像頭信息定義了圖像的基本信息，主要包括起點(diǎn)位置（Origin），像素間隔（space）和維數(shù)（dimension）。通過這三個(gè)參數(shù)即可以決定圖像空間位置和規(guī)模。圖像可以看做是空間中的一個(gè)規(guī)則網(wǎng)格，網(wǎng)格中的每個(gè)最小單元稱之為一個(gè)像素（二維）或者體素（三維），這樣網(wǎng)格在每個(gè)方向上的像素或者體素個(gè)數(shù)即為圖像在該方向的維數(shù)。像素索引表示每個(gè)像素在圖像網(wǎng)格中的位置，是圖像內(nèi)部的網(wǎng)格坐標(biāo)。而在醫(yī)學(xué)圖像中，每個(gè)圖像除了內(nèi)部坐標(biāo)外，還存在一個(gè)世界坐標(biāo)。這個(gè)世界坐標(biāo)依賴于成像設(shè)備。在醫(yī)學(xué)圖像中起點(diǎn)位置（Origin），像素間隔（space）和圖像維數(shù)決定了世界坐標(biāo)系。這樣通過起點(diǎn)位置，像素間隔和像素索引即可計(jì)算每個(gè)像素的世界坐標(biāo)位置。

圖5.1圖像結(jié)構(gòu)和空間表示

如圖5.1所示，該圖表示一個(gè)4x2x3的圖像，即圖像的維數(shù)，每一個(gè)小球表示一個(gè)像素；而圖像的原點(diǎn)為(5.1,10.0,6.5)，兩兩像素之間的間隔表示像素間隔，每個(gè)方向的像素間隔為1.5，1.5,和1.8。

圖像數(shù)據(jù)即為圖像像素的像素值，一般采用一維數(shù)組來表示和存儲(chǔ)。已知像素索引和圖像維數(shù)下，即可計(jì)算每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的像素值。通常圖像的像素值為一個(gè)標(biāo)量，例如一般灰度圖像；圖像像素值也可以是一個(gè)向量，例如彩色圖像；另外圖像像素值還可以是張量，如梯度場(chǎng)圖像。醫(yī)學(xué)圖像處理中大部分的圖像都是灰度圖像。

這里需要注意灰度圖像的灰度值的數(shù)據(jù)類型，在一般的灰度圖像處理中不需要考慮，因?yàn)槠浞秶J(rèn)為0-255，可以采用一個(gè)unsigned char類型類表示。但是在醫(yī)學(xué)圖像處理中，256灰度級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，因此灰度范圍往往大于256級(jí)。常見的醫(yī)學(xué)圖像的像素?cái)?shù)據(jù)類型為unsigned short，灰度范圍為0-65536。另外，有時(shí)為了精度的考慮，也會(huì)使用int、float甚至double類型，因此需要格外注意。

通過前面的章節(jié)我們已經(jīng)知道，在VTK中圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由vtkImageData類表示。利用vtkImageData，我們可以方便的創(chuàng)建、讀寫、和訪問圖像數(shù)據(jù)。下面我們以VTK圖像創(chuàng)建為起點(diǎn)，一步步走進(jìn)VTK圖像處理的世界中來。
5.2 VTK圖像創(chuàng)建
5.2.1圖像源（Source）

VTK中內(nèi)置了多個(gè)創(chuàng)建圖像的Source，利用這些Source可以快速的創(chuàng)建圖像，其中以vtkImageCanvasSource2D為代表。該Source功能是創(chuàng)建一個(gè)畫布（空白圖像），并提供了多種幾何圖形（點(diǎn)、線段、圓、矩形以及圖像等）的繪制填充功能。下列代碼顯示了該source的使用方法。

1: vtkSmartPointer canvas =

2: vtkSmartPointer::New();

3: canvas->SetScalarTypeToUnsignedChar();

4: canvas->SetNumberOfScalarComponents(1);

5: canvas->SetExtent(0, 100,0, 100, 0, 0);

6:

7: canvas->SetDrawColor(0, 0,0, 0);

8: canvas->FillBox(0,100,0,100);

9:

10: canvas->SetDrawColor(255,0, 0, 0);

11: canvas->FillBox(20,40,20,40);

12: canvas->Update();

在上面代碼片段中，首先定義了一個(gè)vtkImageCanvasSource2D的指針，然后設(shè)置畫布的像素?cái)?shù)據(jù)類型，像素成分?jǐn)?shù)目和畫布的大小。然后，在該畫布中，利用FillBox繪制兩個(gè)填充矩形，并通過SetDrawColor()來設(shè)置兩個(gè)矩形的顏色。

圖5.2 vtkImageCanvasSource2D繪圖

除了vtkImageCanvasSource2D外，VTK中還提供了其他類似的source類來快速生成特定的圖像，例如vtkImageEllipsoidSource，該類根據(jù)指定的中心，各個(gè)軸的半徑來生成一個(gè)前景為橢圓（球）的二值圖像；vtkImageGaussianSource類生成一副像素值服從高斯分布的圖像；vtkImageGridSource用于生成網(wǎng)格線圖像；vtkImageNoiseSource生成一個(gè)像素值為隨機(jī)數(shù)的噪聲圖像；vtkImageSinusoidSource生成的圖像像素值由正弦函數(shù)決定。
5.2.2直接創(chuàng)建圖像

利用上述圖像Source可以快速的生成特定的圖像，不過相對(duì)來說，在實(shí)際應(yīng)用中較少用到他們。VTK中可以手動(dòng)生成圖像，然后根據(jù)需要進(jìn)行像素賦值。下面代碼演示了怎樣手動(dòng)創(chuàng)建圖像。

1: vtkSmartPointer img= vtkSmartPointer::New();

2: img->SetDimensions(10,10,10);

3: img->SetScalarTypeToUnsignedChar();

4: img->SetNumberOfScalarComponents(1);

5: img->AllocateScalars();

6:

7: unsigned char ptr = (unsignedchar)img->GetScalarPointer();

8: for(int i=0; i<10*10*10; i++)

9: {

10: *ptr ++ =i%256;

11: }

首先定義vtkImageData指針，然后指定圖像的維數(shù)，而圖像的原點(diǎn)和像素間隔則都是采用默認(rèn)值，因此不需要設(shè)置。SetScalarTypeToUnsignedChar指定圖像的每個(gè)像素值的數(shù)據(jù)類型為unsigned char，SetNumberOfScalarComponents則指定了每個(gè)像素值的數(shù)據(jù)成分為1，每個(gè)像素值為1個(gè)標(biāo)量值，參數(shù)設(shè)置完畢后，調(diào)用AllocateScalars()分配內(nèi)存，生成圖像數(shù)據(jù)。圖像生成后，默認(rèn)所有像素值為0?？梢酝ㄟ^訪問圖像數(shù)據(jù)數(shù)組來設(shè)置每個(gè)像素值，GetScalarPointer()即返回圖像的數(shù)據(jù)數(shù)組（圖像數(shù)據(jù)數(shù)組都采用一維數(shù)組），然后根據(jù)圖像的大小，訪問每個(gè)像素并為其賦值。生成的圖像結(jié)果如圖5.3所示。

圖5.3 用VTK的類直接創(chuàng)建圖像數(shù)據(jù)
5.3 圖像顯示
5.3.1vtkImageViewer2

在VTK早期版本中，提供了vtkImageViewer類來顯示圖像。隨著版本的發(fā)展，目前使用vtkImageViewer2來代替vtkImageViewer實(shí)現(xiàn)圖像的顯示。vtkImageViewer2中封裝了VTK圖像顯示的管線，包括vtkActor，vtkRender，vtkRenderWindow，vtkInteractorStypeImage等對(duì)象，可以方便的完成圖像顯示和交互。該類提供的主要交互操作有：圖像放縮，窗寬窗位調(diào)節(jié)，并提供切片選擇，切片方向設(shè)置接口，尤其適合三維圖像的顯示。下面代碼說明了怎樣使用vtkImageViewer2顯示圖像。

1: vtkSmartPointerreader =

2: vtkSmartPointer::New();

3: reader->SetFileName (“…\brain.mhd” );

4: reader->Update();

5:

6: vtkSmartPointer imageViewer =

7: vtkSmartPointer::New();

8: imageViewer->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());

9: vtkSmartPointerrenderWindowInteractor =

10: vtkSmartPointer::New();

11: imageViewer->SetupInteractor(renderWindowInteractor);

12:

13: imageViewer->SetColorLevel(500);

14: imageViewer->SetColorWindow(2000);

15: imageViewer->SetSlice(40);

16: imageViewer->SetSliceOrientationToXY();

17: imageViewer->Render();

18:

19: renderWindowInteractor->Start();

這里為了更好的說明vtkImageViewer2功能，使用一副三維醫(yī)學(xué)圖像為例進(jìn)行說明。首先使用vtkMetaImageReader讀入一個(gè)mhd圖像，然后定義一個(gè)vtkImageViewer2對(duì)象顯示圖像。第9和10行定義了一個(gè)vtkRenderWindowInteractor對(duì)象，并傳遞給vtkImageViewer2對(duì)象，用于完成鼠標(biāo)、鍵盤等消息響應(yīng)，便于進(jìn)行圖像的交互操作。接下來分別設(shè)置了四個(gè)參數(shù)，窗位(ColorLevel)、窗寬(ColorWindow)、切片(Slice)和切片方向(Orientation)。設(shè)置完畢后，運(yùn)行程序，圖像顯示如下。另外，按下鼠標(biāo)左鍵拖動(dòng)鼠標(biāo)，可以調(diào)節(jié)圖像的窗寬窗位，從而顯示不同灰度范圍內(nèi)容；按下鼠標(biāo)右鍵拖動(dòng)鼠標(biāo)可以放縮圖像。當(dāng)然這些交互操作可以由用戶根據(jù)需要自己定義vtkInteractorStyle子類，并響應(yīng)相應(yīng)的操作。

窗寬是CT圖像上顯示的CT值范圍。一般顯示器的灰度范圍為256級(jí)，而X光圖像的灰度范圍則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該范圍，因此通過顯示器顯示時(shí)不能顯示所有灰度級(jí)。因此需要窗寬來定義需要顯示的灰度范圍。當(dāng)灰度值高于該范圍的最大值時(shí)，均以白影顯示；而低于該范圍時(shí)均顯示為黑色。增大窗寬，顯示具有不同灰度值的組織結(jié)構(gòu)增多，但是會(huì)降低組織之間的對(duì)比度。減小窗寬，則可視的不同灰度組織結(jié)構(gòu)會(huì)減少，同時(shí)增大組織結(jié)構(gòu)的對(duì)比度。

窗位是窗的中心位置。窗寬只是確定了CT圖像灰度范圍上的可視部分范圍，還需要窗位來確定可視灰度范圍的具體位置。同樣的窗寬，會(huì)根據(jù)窗位的位置變化來顯示不同的組織結(jié)構(gòu)。比如，窗寬為200時(shí)，當(dāng)窗位為100時(shí)，可視灰度范圍為0至200；當(dāng)窗位為500時(shí)，則可視灰度范圍為400至600。當(dāng)窗寬窗位確定以后，顯示時(shí)底層會(huì)將可視灰度范圍轉(zhuǎn)換到256灰度級(jí)進(jìn)行顯示(參考圖5.4)。

圖5.4醫(yī)學(xué)圖像窗寬窗位示意圖

而顯示三維圖像時(shí)，需要確定當(dāng)前顯示切片和方向。vtkImageViewer2提供了SetSlice()函數(shù)設(shè)置切片號(hào)，SetSliceOrientationToXY()則將切片的方向設(shè)置為垂直XY平面方向。此外還可以設(shè)置為垂直YZ或者XZ平面方向，其對(duì)應(yīng)函數(shù)分別為SetSliceOrientationToYZ()和SetSliceOrientationToXZ()。默認(rèn)情況下切片方向?yàn)榇怪庇赬Y平面即沿著Z軸方向，根據(jù)設(shè)置的切片號(hào)獲取Z軸方向的具體切片進(jìn)行顯示。

切片（slice）與切面是三維圖像比較常用的概念。尤其是在醫(yī)學(xué)圖像中，不同方向的切面都有特定的名字。矢狀面（sagital）是沿著身體前后徑所做的與地面垂直的切面；冠狀面（coronal）是沿著身體左右徑所做的與地面垂直的切面；而橫斷面（transverse/axial）是指橫斷身體與地面平行的切面。(圖5.5所示)

圖5.5 矢狀面、冠狀面和橫斷面示意圖

設(shè)置切片的方向即是通過不同的方向來觀察人體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。因此，常見的醫(yī)學(xué)圖像可視化軟件常常提供四個(gè)視圖用來顯示圖像：橫斷面視圖，矢狀面視圖，冠狀面視圖和三維視圖。
5.3.2vtkImageActor

vtkImageActor是一個(gè)三維圖像渲染Actor，通過紋理映射將圖像映射到一個(gè)多邊形上進(jìn)行顯示。使用vtkImageActor較vtkImageViewer2要復(fù)雜一些，需要建立完整的渲染管線：包括vtkImageActor，vtkRender，vtkRenderWindow，vtkRenderWindowInteractor管線。另外，作為圖像二維瀏覽器，不需要在三維空間中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作，因此還需要為vtkRenderWindow定義一個(gè)vtkInteractorStyleImage對(duì)象。下面給出vtkImageActor顯示圖像的示例(結(jié)果如圖5.6所示)。

1: vtkSmartPointer reader=

2: vtkSmartPointer::New();

3: reader->SetFileName (“…\lena.bmp” );

4: reader->Update();

5:

6: vtkSmartPointerimgActor =

7: vtkSmartPointer::New();

8: imgActor->SetInput(reader->GetOutput());

9:

10: vtkSmartPointer renderer =

11: vtkSmartPointer::New();

12: renderer->AddActor(imgActor);

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

14:

15: vtkSmartPointer renderWindow =

16: vtkSmartPointer::New();

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

18: renderWindow->AddRenderer(renderer);

19:

20: vtkSmartPointer renderWindowInteractor=

21: vtkSmartPointer::New();

22: vtkSmartPointer style =

23: vtkSmartPointer::New();

24:

25: renderWindowInteractor->SetInteractorStyle(style);

26: renderWindowInteractor->SetRenderWindow(renderWindow);

27: renderWindowInteractor->Initialize();

28:

29: renderWindowInteractor->Start();

上面代碼中在讀入圖像后，依次建立vtkImageActor，vtkRender，vtkRenderWindow，vtkRenderWindowInteractor，并組裝為管線。為了屏蔽旋轉(zhuǎn)操作，建立vtkInteractorStyleImage對(duì)象，并通過renderWindowInteractor->SetInteractorStyle(style)設(shè)置交互對(duì)象。需要注意的是，vtkImageActor接收的圖像vtkImageData數(shù)據(jù)類型必須為unsigned char類型，因此在顯示之前，需要利用vtkImageCast將圖像數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為unsigned char。

圖5.6 使用vtkImageActor顯示圖像數(shù)據(jù)
5.3.3圖像融合

上面兩種方法都是在一個(gè)窗口中顯示一個(gè)圖像。但是在常見的醫(yī)學(xué)處理軟件中，經(jīng)常會(huì)遇到在一個(gè)窗口中顯示多個(gè)圖像，這就會(huì)用到圖像融合技術(shù)。圖像融合是利用圖像的alpha通道和不透明度來實(shí)現(xiàn)。VTK中vtkImageBlend實(shí)現(xiàn)圖像的融合。

vtkImageBlend可以接收多個(gè)圖像輸入，輸出為融合圖像。輸出圖像的像素間隔、原點(diǎn)、范圍（extent）以及像素組分個(gè)數(shù)與第一個(gè)圖像一致。該類提供了兩種融合模式，第一種是標(biāo)準(zhǔn)模式，也是默認(rèn)的融合方式。其計(jì)算公式如下：

1：output<- input[0]

2：foreachinput i {

3：foreachpixel px {

4： r <- inputi(alpha)* opacity[i]

5： f <- (255 - r)

6： output(px) <- output(px) * f + input(px) *r

7：}

8：}

第二種是混合模式（Compound）。該模式下輸出結(jié)果經(jīng)過alpha/opacity不透明度的和做過歸一化。另外還可以設(shè)置一個(gè)閾值，當(dāng)alpha*opacity小于等于該閾值時(shí)會(huì)忽略該像素。其計(jì)算公式如下：

1：output<- 0

2：foreachpixel px {

3： sum <- 0

4： foreach input i {

5： r <- inputi(alpha)* opacity(i)

6： sum <- sum + r

7： if r > threshold {

8： output(px) <- output(px) + input(px) *r

9： }

10：}

11：output(px) <- output(px) / sum

12：}

下面代碼說明了怎么融合圖像并顯示。代碼中讀入了一副灰度圖像，并生成了一個(gè)二值圖像；然后定義了vtkImageBlend對(duì)象，函數(shù)SetInput()設(shè)置兩個(gè)圖像作為輸入。這里設(shè)置輸入圖像時(shí)，由于可以輸入多個(gè)圖像，因此需要給定圖像的id號(hào)來設(shè)置輸入。SetOpacity()用于設(shè)置對(duì)應(yīng)id號(hào)的圖像不透明度的大小，當(dāng)不透明度為1.0時(shí)，為完全不透明。程序的執(zhí)行結(jié)果如圖5.7所示。

1: vtkSmartPointerreader =

2: vtkSmartPointer::New();

3: reader->SetFileName (“..\lena2.jpg” );

4: reader->Update();

5:

6: vtkSmartPointer imageSource =

7: vtkSmartPointer::New();

8: imageSource->SetNumberOfScalarComponents(1);

9: imageSource->SetScalarTypeToUnsignedChar();

10: imageSource->SetExtent(0, 512, 0, 512, 0, 0);

11: imageSource->SetDrawColor(0.0);

12: imageSource->FillBox(0, 512, 0, 512);

13: imageSource->SetDrawColor(255.0);

14: imageSource->FillBox(100,400,100,400);

15: imageSource->Update();

16:

17: vtkSmartPointer imageBlend =

18: vtkSmartPointer::New();

19: imageBlend->SetInput(0, reader->GetOutput());

20: imageBlend->SetInput(1, imageSource->GetOutput());

21: imageBlend->SetOpacity(0, 0.4);

22: imageBlend->SetOpacity(1, 0.6);

23: imageBlend->Update();

圖5.7 VTK圖像整合效果

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的5、VTK在图像处理中的应用的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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