5.7 区域提取

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。

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：

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();

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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