【VTK】关于VTK图像的系列功能

news2024/9/23 17:22:19

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前言

        本文总结VTK中图像的系列功能，包括图像的导入（读取）、显示、交互和导出（保存）等。详细讲解VTK中提供的各种解决思路，各位小伙伴按需领取！

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目录

前言

1. 图像的导入（读取）

2.vtkImageData解析

3.图像的可视化（图像的显示）

      窗宽窗位

     vtkImageViewer2   

      vtkImageActor

     vtkImagePlaneWidget  

4. 切片图像数据的提取 

结论

        如果用一句话来介绍VTK的话，那就是图像和图形库。VTK包含了对图像的各种处理，我们今天来详细梳理一遍。

1. 图像的导入（读取）

        source路径： ...VTK-9.*.*\IO\Image

        常见的二维图像有PNG、JPG、BMP等，VTK为这类图像的导入提供了接口如

        VTK: vtkPNGReader Class Reference、

        VTK: vtkJPEGReader Class Reference

        VTK: vtkBMPReader Class Reference

        上述导入的图像数据的维度为（X，Y，1），可直接赋予vtkImageActor对象进行显示。

        * 提示：若图像的维度为（X，1，Z）直接赋予vtkImageActor时，Actor为一条线，无法显示出理想的图像数据。 

        VTK常见的应用领域为医学，在医学图像如CT图像、mha、mhd图像等的导入，vtk也提供了相应的接口，如VTK: vtkMetaImageReader Class Reference、VTK: vtkDICOMImageReader Class Reference

示例：可视化CT图像

        读取CT图像数据后，可以使用VTK提供的各种可视化工具对图像进行可视化处理。例如，可以使用vtkImageMapper3D将图像数据映射成3D模型。以下是示例代码：

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
#include <vtkImageMapper3D.h>
#include <vtkImageData.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    // 读取图像数据
    vtkSmartPointer<vtkDICOMImageReader> reader = vtkSmartPointer<vtkDICOMImageReader>::New();  
    reader->SetDirectoryName("path/to/dicom/files");  // 设置DICOM文件路径
    reader->Update();  // 读取DICOM文件
    vtkSmartPointer<vtkImageData> imageData = reader->GetOutput();  // 获取图像数据

    // 创建渲染器和可视化窗口
    vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
    vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
    renderWindow->AddRenderer(renderer);
    renderWindow->SetSize(800, 800);

    // 将图像数据映射成3D模型，并添加到渲染器中
    vtkSmartPointer<vtkImageMapper3D> imageMapper = vtkSmartPointer<vtkImageMapper3D>::New();
    imageMapper->SetInputData(imageData);
    vtkSmartPointer<vtkActor> imageActor = vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
    imageActor->SetMapper(imageMapper);
    renderer->AddActor(imageActor);

    // 启动可视化窗口
    vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> interactor = vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
    interactor->SetRenderWindow(renderWindow);
    renderWindow->Render();
    interactor->Start();

    return 0;
}

以上是基于VTK读取CT图像的基础代码示例，可以根据实际需要进行修改和扩展。

2.vtkImageData解析

        VTK图像数据结构由两部分组成：图像头信息和数据。图像头信息定义了图像的基本信息，主要包括起点位置（Origin）、像素间隔（Spacing）和维数（Dimension），通过这三个参数即可确定图像空间位置和大小。

        图像数据即为图像像素的像素值，一般采用一维数组来表示和存储。已知像素索引和图像维数的情况下，即可计算每个像素对应的像素值。一般来讲灰度图像的像素范围为0~255，可以采用一个unsigned char类型表示。医学图像数据的灰度范围为0~65536，数据类型为unsigned short。

        VTK中提供了多个创建图像的Source类，位置在 VTK-9.*.*\Imaging\Sources，可以利用此类快速创建图像。

示例：创建VTK图像

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkImageData.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkImageActor.h>
#include <vtkInteractorStyleImage.h>
#include <vtkRenderWindow.h>

int main()
{
	vtkSmartPointer<vtkImageData> img =  vtkSmartPointer<vtkImageData>::New();
	img->SetDimensions(16,16,1);
	img->SetScalarTypeToUnsignedChar();
	img->SetNumberOfScalarComponents(1);
	img->AllocateScalars();

	unsigned char *ptr = (unsigned char*)img->GetScalarPointer();
	for(int i=0; i<16*16*1; i++)
	{
		*ptr ++ =i%256; 
	}

	vtkSmartPointer<vtkImageActor> redActor =
		vtkSmartPointer<vtkImageActor>::New();
	redActor->SetInput(img);

	double redViewport[4] = {0.0, 0.0, 1.0, 1.0};

	vtkSmartPointer<vtkRenderer> redRenderer =
		vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
	redRenderer->SetViewport(redViewport);
	redRenderer->AddActor(redActor);
	redRenderer->ResetCamera();
	redRenderer->SetBackground(1.0, 1.0, 1.0);

	vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow =
		vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
	renderWindow->AddRenderer(redRenderer);
	renderWindow->SetSize( 640, 480 );
	renderWindow->Render();
	renderWindow->SetWindowName("CreateVTKImageData");

	vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor =
		vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
	vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleImage> style =
		vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleImage>::New();
	renderWindowInteractor->SetInteractorStyle(style);

	renderWindowInteractor->SetRenderWindow(renderWindow);
	renderWindowInteractor->Initialize();
	renderWindowInteractor->Start();

	return EXIT_SUCCESS;
}

3.图像的可视化（图像的显示）

      窗宽窗位

        窗宽为图像显示的灰度范围，窗位是窗宽的中心位置。窗宽只是确定了CT图像灰度范围上可视部分范围，还需要窗位来确定可视灰度范围的具体位置。比如，窗宽为200，窗位为100时，可视范围为0~200；当窗位为500时，可视范围为400~600。

     vtkImageViewer2   

        目前的VTK版本中使用vtkImageViewer2来进行图像显示。vtkImageViewer2封装了图像显示的可视化渲染引擎，包括vtkActor、vtkRenderer 、vtkRenderWindow、vtkInteractorStyleImage等对象，方便地完成图像显示和交互。包括图像缩放、窗宽窗位调整、切片切换等。

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkImageViewer2.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkMetaImageReader.h>

//测试图像：../data/brain.mhd
int main(int argc, char* argv[])
{
	if (argc < 2)
	{
		std::cout<<argv[0]<<" "<<"ImageFile(*.mhd)"<<std::endl;
		return EXIT_FAILURE;
	}
	vtkSmartPointer<vtkMetaImageReader> reader =
		vtkSmartPointer<vtkMetaImageReader>::New();
	reader->SetFileName(argv[1]);
	reader->Update();

	vtkSmartPointer<vtkImageViewer2> imageViewer =
		vtkSmartPointer<vtkImageViewer2>::New();
	imageViewer->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());

	vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor =
		vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
	imageViewer->SetupInteractor(renderWindowInteractor);

	imageViewer->SetColorLevel(500);
	imageViewer->SetColorWindow(2000);
	imageViewer->SetSlice(40);
	imageViewer->SetSliceOrientationToXY();
	imageViewer->Render();

	imageViewer->GetRenderer()->SetBackground(1.0, 1.0, 1.0);
	imageViewer->SetSize(640, 480);
	imageViewer->GetRenderWindow()->SetWindowName("DisplayImageExample");

	renderWindowInteractor->Start();

	return EXIT_SUCCESS;
}

      vtkImageActor

        vtkImageActor是一个三维图像渲染Actor，通过纹理映射将图像映射到一个多边形上进行显示。使用vtkImageActor需要建立完整的渲染管线包括vtkImageActor、vtkRenderer 、vtkRenderWindow、vtkInteractorStyleImage。

示例

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
#include <vtkInteractorStyleImage.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkBMPReader.h>
#include <vtkImageActor.h>

//测试图像：../data/lena.bmp
int main(int argc, char* argv[])
{
	if (argc < 2)
	{
		std::cout<<argv[0]<<" "<<"ImageFile(*.bmp)"<<std::endl;
		return EXIT_FAILURE;
	}
	vtkSmartPointer<vtkBMPReader> reader =
		vtkSmartPointer<vtkBMPReader>::New();
	reader->SetFileName ( argv[1] );
	reader->Update();

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

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

	vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow =
		vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
	renderWindow->AddRenderer(renderer);
	renderWindow->SetSize( 640, 480 );
	renderWindow->Render();
	renderWindow->SetWindowName("DisplayImageExample2");

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

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

	renderWindowInteractor->Start();

	return EXIT_SUCCESS;
}

注意： 若图像的维度为（X，1，Z）直接赋予vtkImageActor时，Actor为一条线，无法显示出理想的图像数据。 

注意2：vtkImageActor接收的像素数据类型必须为unsigned char，如果类型不符合要求，需要提前转换为unsigned char类型图像。

     vtkImagePlaneWidget  

        vtkImagePlaneWidget采用vtkImageReslice将切片数据取出，并通过纹理映射将切片图像数据映射到对应的Plane上，从而显示图像。

4. 切片图像数据的提取 

        vtk中vtkImageReslice类可以实现图像切片的提取。

示例

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

//测试图像：..\\data\\brain.mhd
int main(int argc, char* argv[])
{
	if (argc < 2)
	{
		std::cout<<argv[0]<<" "<<"ImageFile(*.mhd)"<<std::endl;
		return EXIT_FAILURE;
	}
	vtkSmartPointer<vtkMetaImageReader> reader =
		vtkSmartPointer<vtkMetaImageReader>::New();
	reader->SetFileName(argv[1]);
	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->SetInput(colorMap->GetOutput());

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

	vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow =
		vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
	renderWindow->AddRenderer(renderer);
	renderWindow->Render();
	renderWindow->SetSize(640, 480);
	renderWindow->SetWindowName("ImageResliceExample");

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

	renderWindowInteractor->SetInteractorStyle(imagestyle);
	renderWindowInteractor->SetRenderWindow(renderWindow);
	renderWindowInteractor->Initialize();
	renderWindowInteractor->Start();

	return EXIT_SUCCESS;
}

结论：

        本文主要介绍了VTK中Image图像数据的使用方法以及一些心得体会，希望对各位小伙伴有所帮助。

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