05-VTK在影象處理中的應用(2)
5.4 vtkImageData基本操作
影象處理離不開一些基本的影象資料操作，例如獲取和修改影象的基本資訊，訪問和修改影象畫素值，影象顯示，影象型別轉換等等。熟練掌握這些基本操作有助於使用VTK進行影象處理的快速開發。
5.4.1影象資訊訪問和修改
vtkImageData中提供了多個函式用於訪問或者獲取影象的基本資訊，這些函式通常使用Set或者Get加上相應的資訊名的形式，例如獲取影象維數的方法定義為GetDimensions()。當然這裡主要從類的層次上進行VTK的學習，這裡不再具體贅述每個函式的基本名稱和使用，使用者可以查閱相應的類文件。下面通過一個例子來說明怎樣訪問影象的基本資訊。程式執行如圖5.8所示。
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: std::cout<<"影象維數:"<<dims[0]<<" "<<dims[1]<<""<<dims[2]<<std::endl;
9:
10: double origin[3];
11: reader->GetOutput()->GetOrigin(origin);
12: std::cout<<"影象原點:"<<origin[0]<<" "<<origin[1]<<""<<origin[2]<<std::endl;
13:
14: double spaceing[3];
15: reader->GetOutput()->GetSpacing(spaceing);
16: std::cout<<"畫素間隔:"<<spaceing[0]<<" "<<spaceing[1]<<""<<spaceing[2]<<std::endl;
17:
18:
19: vtkSmartPointer<vtkImageViewer2>imageViewer =
20: vtkSmartPointer<vtkImageViewer2>::New();
21: imageViewer->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());
22: vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor=
23: vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
24: imageViewer->SetupInteractor(renderWindowInteractor);
25: imageViewer->Render();
26: imageViewer->GetRenderer()->ResetCamera();
27: imageViewer->Render();
28:
29: renderWindowInteractor->Start();
圖5.8 VTK影象基本資訊獲取
上例中主要獲取了影象的三個資訊，影象維數，影象原點和畫素間隔。VTK中二維和三維影象都用vtkImageData表示，因此第六行中定義影象維數為dims[3]，然後利用GetDimensions()函式獲取影象的維數；影象的原點和畫素間隔都是物理空間數值，因此都是定義double型別。本例讀入了二維lena影象，上圖中顯示了獲取的影象資訊。其中，影象維數為512*512*1，通過維數可以看成z方向的維數為1，說明該影象為二維影象；而影象的原點為(0,0,0)點，而畫素間隔為(1,1,1)。
vtkChangeImageInformation
vtkImageData中提供了多個Set函式用於設定影象的基本資訊。當對一個管線的輸出修改影象資訊後，如果管線重新Update，那麼這些修改都會恢復回原來的值。而vtkChangeImageInformation可以作為管線中的一個filter來修改影象資訊。利用這個filter可以修改影象的原點，畫素間隔，以及範圍起點（extent），另外還可以對影象平移縮放等操作。下面程式碼說明了怎樣修改影象的原點，畫素間隔。
1: vtkSmartPointer<vtkBMPReader> reader=
2: vtkSmartPointer<vtkBMPReader>::New();
3: reader->SetFileName ( "..\\lena.bmp" );
4: reader->Update();
5:
6: int dims[3];
7: double origin[3];
8: double spaceing[3];
9:
10: reader->GetOutput()->GetDimensions(dims);
11: std::cout<<"原影象維數:"<<dims[0]<<" "<<dims[1]<<""<<dims[2]<<std::endl;
12: reader->GetOutput()->GetOrigin(origin);
13: std::cout<<"原影象原點:"<<origin[0]<<" "<<origin[1]<<""<<origin[2]<<std::endl;
14: reader->GetOutput()->GetSpacing(spaceing);
15: std::cout<<"原畫素間隔:"<<spaceing[0]<<" "<<spaceing[1]<<""<<spaceing[2]<<std::endl<<std::endl;
16:
17: vtkSmartPointer<vtkImageChangeInformation> changer =
18: vtkSmartPointer<vtkImageChangeInformation>::New();
19: changer->SetInput(reader->GetOutput());
20: changer->SetOutputOrigin(100, 100, 0);
21: changer->SetOutputSpacing(5,5,1);
22: changer->SetCenterImage(1);
23: changer->Update();
24:
25:
26: changer->GetOutput()->GetDimensions(dims);
27: std::cout<<"修改後影象維數:"<<dims[0]<<" "<<dims[1]<<""<<dims[2]<<std::endl;
28: changer->GetOutput()->GetOrigin(origin);
29: std::cout<<"修改影象原點:"<<origin[0]<<" "<<origin[1]<<""<<origin[2]<<std::endl;
30: changer->GetOutput()->GetSpacing(spaceing);
31: std::cout<<"修改後畫素間隔:"<<spaceing[0]<<" "<<spaceing[1]<<""<<spaceing[2]<<std::endl;
32:
33:
34: vtkSmartPointer<vtkImageViewer2> imageViewer =
35: vtkSmartPointer<vtkImageViewer2>::New();
36: imageViewer->SetInputConnection(changer->GetOutputPort());
37: vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor=
38: vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
39: imageViewer->SetupInteractor(renderWindowInteractor);
40: imageViewer->Render();
41: imageViewer->GetRenderer()->ResetCamera();
42: imageViewer->Render();
43:
44: renderWindowInteractor->Start();
上例中首先讀入影象，由vtkImageData提供函式介面獲取影象的維數，原點和畫素間隔。然後定義vtkImageChangeInformation指標，並設定輸出影象原點為（100, 100, 0），輸出影象畫素間隔為（5, 5, 1），然後呼叫CenterImage()函式將影象的原點置於影象的中心。顯示結果如圖5.9：
圖5.9 vtkImageChangeInformation修改影象資訊
從上面結果中可以看出，操作後的結果使得影象的原點位於(-1277.5, -1275.5, 0)，SetOutputOrigin(100, 100, 0)並沒有起作用。原因在哪裡呢？如果看下CenterImage()函式的註釋，可以發現該函式的作用是將（0, 0, 0）點置於影象的中心。當CenterImage該函式執行時會重寫SetOutputOrigin()，所以SetOutputOrigin函式不會產生任何作用。那(-1277.5, -1275.5, 0)又是如何計算出來的呢？如圖5.10，根據影象的維數和畫素間隔計算得到新的影象的寬度和高度為(512-1)*5 ，初始影象的原點位於（0, 0,0），現在將影象的中心平移至原點，平移量為（-(512-1)*5/2,(512-1)*5/2, 0） = (-1277.5, -1275.5,0)。
圖5.10 CenterImage函式示意圖
5.4.2影象畫素值訪問和修改
影象畫素值的訪問與修改是最常用的一個操作。VTK中提供了兩種訪問影象畫素值的方法。第一種是直接訪問vtkImageData的資料陣列。這種方式最直接。在第一節上新建影象賦值也是採用的這種方法。vtkImageData中提供了GetScalarPointer()函式獲取資料陣列指標，該函式有三種形式：
virtualvoid *GetScalarPointer(int coordinates[3]);
virtualvoid *GetScalarPointer(int x, int y, int z);
virtualvoid *GetScalarPointer();
前兩種形式根據給定的畫素索引得到指定的畫素值，注意返回的是第(x,y,z)個畫素值的地址。而第三種方式是返回影象資料陣列的頭指標，然後根據頭指標可以依次訪問索引畫素。在第一節中採用的就是這樣方式。下面看一個遍歷影象畫素的例子，結果如圖5.12。
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: for(int k=0; k<dims[2]; k++)
10: {
11: for(int j=0; j<dims[1]; j++)
12: {
13: for(int i=0; i<dims[0]; i++)
14: {
15: if(i<100 && j<100)
16: {
17: unsigned char * pixel =
18: (unsigned char *) (reader->GetOutput()->GetScalarPointer(i, j, k) );
19: *pixel = 0;
20: *(pixel+1) = 0;
21: *(pixel+2) = 0;
22: }
23: }
24: }
25: }
26:
27: vtkSmartPointer<vtkImageViewer2> imageViewer =
28: vtkSmartPointer<vtkImageViewer2>::New();
29: imageViewer->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());
30: vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor=
31: vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
32: imageViewer->SetupInteractor(renderWindowInteractor);
33: imageViewer->Render();
34: imageViewer->GetRenderer()->ResetCamera();
35: imageViewer->Render();
36:
37: renderWindowInteractor->Start();
上面程式碼實現了將影象的100*100大小的區域設定為黑色。首先定義一個reader讀取一副bmp影象，通過vtkImageData函式GetDimensions()獲取影象的大小。建立三次迴圈，通過GetScalarPointer(i, j,k)函式獲取訪問影象畫素值。需要注意的是，GetScalarPointer()函式返回的是void*型別，因此需要根據影象的實際型別進行強制轉換。如上面程式碼中將畫素值陣列的頭指標型別轉換為unsigned char *。如果對於資料型別不確定的話，還可以先通過vtkImageCast將影象資料型別強制轉換為特定的資料型別，再進行遍歷。
另外還有一個需要注意地方，彩色以及向量影象採用的是類似圖5.11這種畫素儲存格式。
圖5.11 VTK彩色以及向量影象畫素儲存格式
因此在修改RGB影象以及向量影象畫素時，需要根據畫素的元組的組分數目來訪問。上例中，需要修改每個畫素的RGB值時，首先獲得第(i, j, k)個畫素的地址也就是R值的地址，然後將地址加1來訪問後續G值以及B值。如果對於畫素的元組組分不確定時，可以通過函式GetNumberOfScalarComponents()來獲取。如下所示：
int nbOfComp = reader->GetOutput()->GetNumberOfScalarComponents();
圖5.12 修改影象畫素值
另外VTK中提供了vtkImageIterator類來利用迭代器方法訪問影象畫素。該類是一個模板類，使用時，需要提供迭代的影象畫素型別以及迭代的區域大小。下面給出示例程式碼。
1: vtkSmartPointer<vtkBMPReader>reader =
2: vtkSmartPointer<vtkBMPReader>::New();
3: reader->SetFileName ( "..\\lena.bmp" );
4: reader->Update();
5:
6: int subRegion[6] = {0,300, 0, 300, 0, 0};
7: vtkImageIterator<unsigned char> it(reader->GetOutput(), subRegion);
8:
9: while(!it.IsAtEnd())
10: {
11: unsigned char *inSI = it.BeginSpan();
12: unsigned char *inSIEnd = it.EndSpan();
13:
14: while(inSI != inSIEnd)
15: {
16: *inSI = 255-*inSI;
17: ++inSI;
18: }
19: it.NextSpan();
20: }
21:
22: vtkSmartPointer<vtkImageViewer2> imageViewer =
23: vtkSmartPointer<vtkImageViewer2>::New();
24: imageViewer->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());
25: vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor=
26: vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
27: imageViewer->SetupInteractor(renderWindowInteractor);
28: imageViewer->Render();
29: imageViewer->GetRenderer()->ResetCamera();
30: imageViewer->Render();
31:
32: renderWindowInteractor->Start();
下面分析一下上面的程式碼。如果對於ITK影象區域迭代器熟悉的話，可能會對上面程式碼存在疑問。上面程式碼中首先讀取了一副bmp影象，然後定義了一個子區域。注意在定義子區域的時候，不要超過影象的大小範圍。subRegion的六個值分別表示區域中x的最小最大值，y的最小最大值，z的最小最大值。由於處理的影象為二維影象，因此z的取值範圍為[0,0]。然後根據影象型別unsigned char定義例項化一個影象迭代器it，定義it時有兩個引數：一個是要訪問的影象，另外一個是訪問的影象區域。設定完畢後，迭代器開始工作。注意，上面程式碼中有兩個while迴圈。
首先看第一個while迴圈，這裡判斷迭代器是否結束。進入迴圈後，對於每個迭代器it，又存在第二個迴圈。這個迴圈判斷的是當前畫素的組分是否迭代完畢。由於vtk中所有型別的影象格式都是vtkImageData，因此每個畫素可能是標量，也可能是向量。因此，每當訪問到一個畫素時，需要迭代當前畫素的組分。組分迭代時，inSI = it.BeginSpan()獲取第一個組分，inSIEnd = it.EndSpan()表示組分迭代完畢，通過++inSI不斷迭代組分，並對畫素的組分值進行處理，當inSI與inSIEnd相等時組分迭代完畢。然後繼續迭代畫素it，直至迭代完畢所有畫素。上面程式碼中將指定區域的畫素值取反，得到如圖5.13所示結果。
圖5.13 利用VTK迭代器修改影象畫素值