5.7 区域提取
5.7.1 提取感兴趣区域
感兴趣区域（Volum of Interest）是指图像内部的一个子区域。在VTK中vtkExtractVOI类实现由用户指定的区域范围提取图像的子图像。该Filter的输入和输出都是一个vtkImageData，因此其结果可以直接作为图像保存。
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();
上例代码实现了提取一副图像的子区域。首先读取一个图像，并获取图像的维数。然后定义vtkExtractVOI对象，该对象接收两个输入一个是图像数据，第二个是区域大小。设置区域大小的函数原型：
void SetVOI(int _arg1, int _arg2, int _arg3, int _arg4, int _arg5, int _arg6)
void SetVOI(int _arg[])
其参数是提取的区域各个方向的大小，共6个参数，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。上例中由于读取的是二维图像，因此z方向的区域为[0,0]，而在x方向范围为[ dims[0]/4 , 3*dims[0]/4 ]，y方向范围为[ dims[1]/4 , 3*dims[1]/4 ]，即提取图像原图中间1/4图像。执行结果如下：
图5.18 提取感兴趣区域
5.7.2 三维图像切片提取
切片是指三维图像中的一个切面对应的图像。切面可以是过图像内部一点且平行于XY、YZ、XZ平面的平面，也可以是任意的过三维图像内部一点任意方向的平面。通过提取切片可以方便的浏览和分析图像内部组织结构，是医学图像浏览软件中的一个重要的功能。在VTK中vtkImageReslice类实现图像切片提取功能。下面首先看一段切片提取的代码。
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();
首先通过vtkMetaImageReader读取一副医学三维图像，并获取得到图像范围（extent），原点和像素间隔；由这三个参数可以计算图像的中心位置center；接下来定义了切面的变换矩阵axialElements，该矩阵的前三列分别表示x、y和z方向向量，第四列为中心点坐标；代码中的axialElements表示切面变换矩阵与当前坐标系一致，且切面为过中心点center，并平行于XY平面的平面。当前，定义该切面时，也可以是其他平面，甚至是任意平面，但是必须要过图像内部点。下面给出了一个常用的变换矩阵：
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
注意使用这些变换矩阵的时候，需要将第四列替换为切片经过图像的一个点坐标，上例中将图像的中心添加到axialElements矩阵，并通过函数SetResliceAxes设置变换矩阵，SetOutputDimensionality(2)指定输出的图像为一个二维图像；而函数SetInterpolationModeToLinear()则指定了切面提取中的差值方式为线性差值，另外该类中还提供了其他的差值方式：
SetInterpolationModeToNearestNeighbor()：最近邻方式
SetInterpolationModeToCubic()：三次线性差值
设置完毕后，执行Update()即可完成切面计算。运行结果如下图：
图5.19 切片提取
5.7.3 扩展
学习三维图像切面的提取后，我们在上节的程序上做一个扩展，实现一个稍微复杂的程序——通过滑动鼠标来切换三维图像切片，这也是医学图像处理软件中一个很基本的功能。实现该功能难点是怎样在VTK中控制鼠标来实时提取图像切片。在前面的章节中已经介绍观察者/命令(Observer/Command)模式，我们也采用这种机制来实现。VTK中鼠标消息是在交互类型对象（interactorstyle）中响应，因此通过为交互类型对象（interactorstyle）添加观察者（observer）来监听相应的消息，当消息触发时，由命令模式执行相应的回调函数。闲话少说，放代码。
class vtkImageInteractionCallback : public vtkCommand
{
public:
static vtkImageInteractionCallback *New()
{
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 = this->GetInteractor();
int lastPos[2];
interactor->GetLastEventPosition(lastPos);
int currPos[2];
interactor->GetEventPosition(currPos);
if (event == vtkCommand::LeftButtonPressEvent)
{
this->Slicing = 1;
}
else if (event == vtkCommand::LeftButtonReleaseEvent)
{
this->Slicing = 0;
}
else if (event == vtkCommand::MouseMoveEvent)
{
if (this->Slicing)
{
vtkImageReslice *reslice = this->ImageReslice;
// Increment slice position by deltaY of mouse
int deltaY = lastPos[1] - currPos[1];
reslice->Update();
double sliceSpacing = reslice->GetOutput()->GetSpacing()[2];
vtkMatrix4x4 *matrix = reslice->GetResliceAxes();
// move the center point that we are slicing through
double point[4];
double center[4];
point[0] = 0.0;
point[1] = 0.0;
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;
};
vtkImageInteractionCallback继承自vtkCommand类，并覆盖父类函数Execute()。该类提供了两个接口：SetImageReslice和SetInteractor。SetImageReslice用以设置vtkImageSlice对象，vtkImageSlice根据设置的变换矩阵提取三维图像切片。SetInteractor用以设置vtkRenderWindowInteractor，vtkRenderWindowInteractor类对象负责每次提取切片后刷新视图。
下面我们重点来看一下Execute函数，该函数提供了具体的切片提取功能。在该函数里面，主要监听了三个消息：
vtkCommand::LeftButtonPressEvent，
vtkCommand::LeftButtonReleaseEvent，
vtkCommand::MouseMoveEvent，
前两个消息分别是鼠标左键的按下和弹起消息。当鼠标左键按下时，就设置切片提取标志为1，而当弹起时，将标志置为0。这样在鼠标移动时，只有在确定切片提取标志为1时，执行切片提取功能。
vtkCommand::MouseMoveEvent即为鼠标移动消息。当检测到该消息时，首先检查切片提取标志，当为1时提取切片。提取切片时，需要为vtkImageSlice对象设置变换矩阵。这里在函数开始时，首先获取了鼠标滑动的前后两次点的位置lastPos和currPos。然后根据两点的Y坐标差deltaY，计算新的中心点center并变换至vtkImageSlice当前变换矩阵中，得到变换中心点，将其设置到原来的变换矩阵matrix中，并设置到vtkImageSlice中，最后执行interactor->Render()即可不断的根据鼠标移动刷新图像。
Command对象定义完毕后，即可为交互对象InteractorStyle添加观察者，响应鼠标消息。这里可以在上节的程序上进行修改，前面代码一致，只需要在最后添加如下代码：
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);
这里主要是定义了vtkImageInteractionCallback对象，并设置vtkImageSlice对象和vtkRenderWindowInteractor对象。然后为交互对象vtkInteractorStyle添加观察者来监控相应的消息，这里主要是三个消息：
vtkCommand::LeftButtonPressEvent，
vtkCommand::LeftButtonReleaseEvent，
vtkCommand::MouseMoveEvent，
当响应到这三个消息时，立即执行vtkImageInteractionCallback的Execute函数，以便实现切片的实时提取和更新。完成以后，运行程序，当鼠标在图像上移动时，会发现图像会跟着鼠标的移动而变化，神奇吧？有兴趣的话，还可以实现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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