5.3.5.2-3 三維圖像切面提取+擴充

1、三維圖像切面提取

切片是指三維圖像中的一個切面對應的圖像。切面可以是過圖像内部一點且平行于XY、YZ、XZ平面的平面，也可以是任意的過三維圖像内部一點任意方向的平面。通過提取切片可以友善的浏覽和分析圖像内部組織結構，是醫學圖像浏覽軟體中的一個重要的功能。在VTK中vtkImageReslice類實作圖像切片提取功能。

//實作結果顯示空白，後續有待研究解決
#include <vtkSmartPointer.h>  
#include <vtkImageData.h>  
#include <vtkMetaImageReader.h>  
#include <vtkMatrix4x4.h> 
#include <vtkImageReslice.h>  
#include <vtkLookupTable.h>  
#include <vtkImageMapToColors.h>  
#include <vtkImageActor.h>  
#include <vtkRenderer.h>  
#include <vtkRenderWindow.h>  
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>  
#include <vtkInteractorStyleImage.h>  

int main()
{
	vtkSmartPointer<vtkMetaImageReader> reader =
		vtkSmartPointer<vtkMetaImageReader>::New();
	reader->SetFileName("head");
	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(1);
	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(1.0, 1.0, 1.0);

	vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow =
		vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
	renderWindow->AddRenderer(renderer);
	renderWindow->Render();
	renderWindow->SetSize(640, 480);
	renderWindow->SetWindowName("Extract3Dslice");

	vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> rwi =
		vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
	vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleImage> imagestyle =
		vtkSmartPointer<vtkInteractorStyleImage>::New();
	rwi->SetInteractorStyle(imagestyle);
	rwi->SetRenderWindow(renderWindow);
	rwi->Initialize();
	rwi->Start();

	return 0;
}

首先通過vtkMetaImageReader讀取一張醫學三維圖像，并擷取得到圖像範圍（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，該矩陣的前三列分别表示x、y和z方向向量，第四列為中心點坐标；

代碼中的axialElements表示切面變換矩陣與目前坐标系一緻，且切面為過中心點center，并平行于XY平面的平面？？？目前，定義該切面時，也可以是其他平面，甚至是任意平面，但是必須要過圖像内部點。

下面給出了一個常用的變換矩陣。

提取平行于XZ平面的切片：

[cpp] view plain copy

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YZ平面的切片：

[cpp] view plain copy

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

提取斜切切片： [cpp] view plain copy

static double obliqueElements[16] = {
1, 0, 0, 0,
0, 0.866025, -0.5, 0,
0, 0.5, 0.866025, 0,
0, 0, 0, 1 };

注意使用這些變換矩陣的時候，需要将第四列替換為切片經過圖像的一個點坐标，上例中将圖像的中心添加到axialElements矩陣，并通過函數SetResliceAxes設定變換矩陣，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內插補點方式為線性內插補點，另外該類中還提供了其他的插值方式：

SetInterpolationModeToNearestNeighbor()：最近鄰方式

SetInterpolationModeToCubic()：三次線性內插補點

設定完畢後，執行Update()即可完成切面計算。

東靈提供的預想結果應該是：

5.3.5.2-3 三維圖像切面提取+擴充

問題：在實際運作過程中，并未提示錯誤，但運作出來沒有結果（空白顯示），後續有待研究解決！

2、三維圖像切片互動提取（回調函數、觀察者-指令模式）

學習三維圖像切面的提取後，我們可以實作一個稍微複雜的程式——通過滑動滑鼠來切換三維圖像切片，這也是醫學圖像處理軟體中一個很基本的功能。實作該功能難點是怎樣在VTK中控制滑鼠來實時提取圖像切片。我們采用觀察者/指令(Observer/Command)模式機制來實作。

VTK中滑鼠消息是在互動類型對象（interactorstyle）中響應，是以通過為互動類型對象（interactorstyle）添加觀察者（observer）來監聽相應的消息，當消息觸發時，由指令模式執行相應的回調函數。

#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“觀察者/指令”模式監聽滑鼠消息 完成互動  
#include <vtkImageReslice.h>  
#include <vtkImageData.h>  
class vtkImageInteractionCallback : public vtkCommand  
{  
public:  
    static vtkImageInteractionCallback *New() //回調函數初始化函數  
    {  
        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)//檢驗滑鼠左鍵已經按下 正在執行操作  
            {  
                vtkImageReslice *reslice = this->ImageReslice;  
                //記下滑鼠Y向變化的幅值大小  
                int deltaY = lastPos[1] - currPos[1];  
  
                reslice->Update();  
                double sliceSpacing = reslice->GetOutput()->GetSpacing()[2];  
                vtkMatrix4x4 *matrix = reslice->GetResliceAxes();  
                //重新定位切片需要經過的中心點  
                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 觀察者-指令 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;  
}

tkImageInteractionCallback繼承自vtkCommand類，并覆寫父類函數Execute()。

該類提供了兩個接口：SetImageReslice和SetInteractor。

SetImageReslice用以設定vtkImageSlice對象，vtkImageSlice根據設定的變換矩陣提取三維圖像切片。SetInteractor用以設定vtkRenderWindowInteractor，vtkRenderWindowInteractor類對象負責每次提取切片後重新整理視圖。

下面重點看Execute函數，該函數提供了具體的切片提取功能。在該函數裡面，主要監聽了三個消息：

vtkCommand::LeftButtonPressEvent，

vtkCommand::LeftButtonReleaseEvent，

vtkCommand::MouseMoveEvent，

前兩個消息分别是滑鼠左鍵的按下和彈起消息。當滑鼠左鍵按下時，就設定切片提取标志為1，而當彈起時，将标志置為0。這樣在滑鼠移動時，隻有在确定切片提取标志為1時，執行切片提取功能。

vtkCommand::MouseMoveEvent即為滑鼠移動消息。當檢測到該消息時，首先檢查切片提取标志，當為1時提取切片。提取切片時，需要為vtkImageSlice對象設定變換矩陣。這裡在函數開始時，首先擷取了滑鼠滑動的前後兩次點的位置lastPos和currPos。然後根據兩點的Y坐标差deltaY，計算新的中心點center并變換至vtkImageSlice目前變換矩陣中，得到變換中心點，将其設定到原來的變換矩陣matrix中，并設定到vtkImageSlice中，最後執行interactor->Render()即可不斷的根據滑鼠移動重新整理圖像。

Command對象定義完畢後，即可為互動對象InteractorStyle添加觀察者，響應滑鼠消息。

這裡主要是定義了vtkImageInteractionCallback對象，并設定vtkImageSlice對象和vtkRenderWindowInteractor對象。然後為互動對象vtkInteractorStyle添加觀察者來監控相應的消息，這裡主要是三個消息：

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，以便實作切片的實時提取和更新。完成以後，運作程式，當滑鼠在圖像上移動時，會發現圖像會跟着滑鼠的移動而變化。

注：此文知識學習筆記，僅記錄完整程式和實作結果，具體原理參見：

https://blog.csdn.net/www_doling_net/article/details/8541534

https://blog.csdn.net/shenziheng1/article/category/6114053/4

參考資料：

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

2. 張曉東, 羅火靈. VTK圖形圖像開發進階[M]. 機械工業出版社, 2015.

所用軟體：vtk7.0+visual studio 2013

5.3.5.2-3 三維圖像切面提取+擴充

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