5.7 區域提取
5.7.1 提取感興趣區域

感興趣區域（Volum of Interest）是指圖像內部的一個子區域。在VTK中vtkExtractVOI類實現由用戶指定的區域范圍提取圖像的子圖像。該Filter的輸入和輸出都是一個vtkImageData，因此其結果可以直接作為圖像保存。

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();

上例代碼實現了提取一副圖像的子區域。首先讀取一個圖像，并獲取圖像的維數。然后定義vtkExtractVOI對象，該對象接收兩個輸入一個是圖像數據，第二個是區域大小。設置區域大小的函數原型：

void SetVOI(int _arg1, int _arg2, int _arg3, int _arg4, int _arg5, int _arg6)void SetVOI(int _arg[])

其參數是提取的區域各個方向的大小，共6個參數，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。上例中由于讀取的是二維圖像，因此z方向的區域為[0,0]，而在x方向范圍為[ dims[0]/4 , 3*dims[0]/4 ]，y方向范圍為[ dims[1]/4 , 3*dims[1]/4 ]，即提取圖像原圖中間1/4圖像。執行結果如下：

圖5.18 提取感興趣區域
5.7.2 三維圖像切片提取

切片是指三維圖像中的一個切面對應的圖像。切面可以是過圖像內部一點且平行于XY、YZ、XZ平面的平面，也可以是任意的過三維圖像內部一點任意方向的平面。通過提取切片可以方便的瀏覽和分析圖像內部組織結構，是醫學圖像瀏覽軟件中的一個重要的功能。在VTK中vtkImageReslice類實現圖像切片提取功能。下面首先看一段切片提取的代碼。

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();

首先通過vtkMetaImageReader讀取一副醫學三維圖像，并獲取得到圖像范圍（extent），原點和像素間隔；由這三個參數可以計算圖像的中心位置center；接下來定義了切面的變換矩陣axialElements，該矩陣的前三列分別表示x、y和z方向向量，第四列為中心點坐標；代碼中的axialElements表示切面變換矩陣與當前坐標系一致，且切面為過中心點center，并平行于XY平面的平面。當前，定義該切面時，也可以是其他平面，甚至是任意平面，但是必須要過圖像內部點。下面給出了一個常用的變換矩陣：

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

注意使用這些變換矩陣的時候，需要將第四列替換為切片經過圖像的一個點坐標，上例中將圖像的中心添加到axialElements矩陣，并通過函數SetResliceAxes設置變換矩陣，SetOutputDimensionality(2)指定輸出的圖像為一個二維圖像；而函數SetInterpolationModeToLinear()則指定了切面提取中的差值方式為線性差值，另外該類中還提供了其他的差值方式：

SetInterpolationModeToNearestNeighbor()：最近鄰方式

SetInterpolationModeToCubic()：三次線性差值

設置完畢后，執行Update()即可完成切面計算。運行結果如下圖：

圖5.19 切片提取
5.7.3 擴展

學習三維圖像切面的提取后，我們在上節的程序上做一個擴展，實現一個稍微復雜的程序——通過滑動鼠標來切換三維圖像切片，這也是醫學圖像處理軟件中一個很基本的功能。實現該功能難點是怎樣在VTK中控制鼠標來實時提取圖像切片。在前面的章節中已經介紹觀察者/命令(Observer/Command)模式，我們也采用這種機制來實現。VTK中鼠標消息是在交互類型對象（interactorstyle）中響應，因此通過為交互類型對象（interactorstyle）添加觀察者（observer）來監聽相應的消息，當消息觸發時，由命令模式執行相應的回調函數。閑話少說，放代碼。

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繼承自vtkCommand類，并覆蓋父類函數Execute()。該類提供了兩個接口：SetImageReslice和SetInteractor。SetImageReslice用以設置vtkImageSlice對象，vtkImageSlice根據設置的變換矩陣提取三維圖像切片。SetInteractor用以設置vtkRenderWindowInteractor，vtkRenderWindowInteractor類對象負責每次提取切片后刷新視圖。

下面我們重點來看一下Execute函數，該函數提供了具體的切片提取功能。在該函數里面，主要監聽了三個消息：

vtkCommand::LeftButtonPressEvent，vtkCommand::LeftButtonReleaseEvent，vtkCommand::MouseMoveEvent，

前兩個消息分別是鼠標左鍵的按下和彈起消息。當鼠標左鍵按下時，就設置切片提取標志為1，而當彈起時，將標志置為0。這樣在鼠標移動時，只有在確定切片提取標志為1時，執行切片提取功能。

vtkCommand::MouseMoveEvent即為鼠標移動消息。當檢測到該消息時，首先檢查切片提取標志，當為1時提取切片。提取切片時，需要為vtkImageSlice對象設置變換矩陣。這里在函數開始時，首先獲取了鼠標滑動的前后兩次點的位置lastPos和currPos。然后根據兩點的Y坐標差deltaY，計算新的中心點center并變換至vtkImageSlice當前變換矩陣中，得到變換中心點，將其設置到原來的變換矩陣matrix中，并設置到vtkImageSlice中，最后執行interactor->Render()即可不斷的根據鼠標移動刷新圖像。

Command對象定義完畢后，即可為交互對象InteractorStyle添加觀察者，響應鼠標消息。這里可以在上節的程序上進行修改，前面代碼一致，只需要在最后添加如下代碼：

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();

這里主要是定義了vtkImageInteractionCallback對象，并設置vtkImageSlice對象和vtkRenderWindowInteractor對象。然后為交互對象vtkInteractorStyle添加觀察者來監控相應的消息，這里主要是三個消息：

vtkCommand::LeftButtonPressEvent，vtkCommand::LeftButtonReleaseEvent，vtkCommand::MouseMoveEvent，

當響應到這三個消息時，立即執行vtkImageInteractionCallback的Execute函數，以便實現切片的實時提取和更新。完成以后，運行程序，當鼠標在圖像上移動時，會發現圖像會跟著鼠標的移動而變化，神奇吧？有興趣的話，還可以實現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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總結

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