05-VTK在圖像處理中的應用(2)

 

5.4 vtkImageData基本操做

圖像處理離不開一些基本的圖像數據操做，例如獲取和修改圖像的基本信息，訪問和修改圖像像素值，圖像顯示，圖像類型轉換等等。熟練掌握這些基本操做有助於使用VTK進行圖像處理的快速開發。

 

5.4.1圖像信息訪問和修改

vtkImageData中提供了多個函數用於訪問或者獲取圖像的基本信息，這些函數一般使用Set或者Get加上相應的信息名的形式，例如獲取圖像維數的方法定義爲GetDimensions()。固然這裏主要從類的層次上進行VTK的學習，這裏再也不具體贅述每一個函數的基本名稱和使用，用戶能夠查閱相應的類文檔。下面經過一個例子來講明怎樣訪問圖像的基本信息。程序運行如圖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<<"圖像維數:"<<dims[0]<<" "<<dims[1]<<""<<dims[2]<<std::endl;

9:  

10:  double origin[3];

11:  reader->GetOutput()->GetOrigin(origin);

12:  std::cout<<"圖像原點:"<<origin[0]<<" "<<origin[1]<<""<<origin[2]<<std::endl;

13:  

14:  double spaceing[3];

15: reader->GetOutput()->GetSpacing(spaceing);

16:  std::cout<<"像素間隔:"<<spaceing[0]<<" "<<spaceing[1]<<""<<spaceing[2]<<std::endl;

17:  

18:  

19:  vtkSmartPointer<vtkImageViewer2>p_w_picpathViewer =

20:   vtkSmartPointer<vtkImageViewer2>::New();

21: p_w_picpathViewer->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());

22: vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor=

23:   vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();

24: p_w_picpathViewer->SetupInteractor(renderWindowInteractor);

25:  p_w_picpathViewer->Render();

26: p_w_picpathViewer->GetRenderer()->ResetCamera();

27:  p_w_picpathViewer->Render();

28:  

29:  renderWindowInteractor->Start();

 

圖5.8 VTK圖像基本信息獲取

 

上例中主要獲取了圖像的三個信息，圖像維數，圖像原點和像素間隔。VTK中二維和三維圖像都用vtkImageData表示，所以第六行中定義圖像維數爲dims[3]，而後利用GetDimensions()函數獲取圖像的維數；圖像的原點和像素間隔都是物理空間數值，所以都是定義double類型。本例讀入了二維lena圖像，上圖中顯示了獲取的圖像信息。其中，圖像維數爲512*512*1，經過維數能夠當作z方向的維數爲1，說明該圖像爲二維圖像；而圖像的原點爲(0,0,0)點，而像素間隔爲(1,1,1)。

 

vtkChangeImageInformation

vtkImageData中提供了多個Set函數用於設置圖像的基本信息。當對一個管線的輸出修改圖像信息後，若是管線從新Update，那麼這些修改都會恢復回原來的值。而vtkChangeImageInformation能夠做爲管線中的一個filter來修改圖像信息。利用這個filter能夠修改圖像的原點，像素間隔，以及範圍起點（extent），另外還能夠對圖像平移縮放等操做。下面代碼說明了怎樣修改圖像的原點，像素間隔。

 

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<<"原圖像維數:"<<dims[0]<<" "<<dims[1]<<""<<dims[2]<<std::endl;

  12:    reader->GetOutput()->GetOrigin(origin);

  13:    std::cout<<"原圖像原點:"<<origin[0]<<" "<<origin[1]<<""<<origin[2]<<std::endl;

  14:    reader->GetOutput()->GetSpacing(spaceing);

  15:  std::cout<<"原像素間隔:"<<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<<"修改後圖像維數:"<<dims[0]<<" "<<dims[1]<<""<<dims[2]<<std::endl;

  28:    changer->GetOutput()->GetOrigin(origin);

  29:    std::cout<<"修改圖像原點:"<<origin[0]<<" "<<origin[1]<<""<<origin[2]<<std::endl;

  30:    changer->GetOutput()->GetSpacing(spaceing);

  31:    std::cout<<"修改後像素間隔:"<<spaceing[0]<<" "<<spaceing[1]<<""<<spaceing[2]<<std::endl;

  32:  

  33:  

  34:    vtkSmartPointer<vtkImageViewer2> p_w_picpathViewer =

  35:        vtkSmartPointer<vtkImageViewer2>::New();

  36:    p_w_picpathViewer->SetInputConnection(changer->GetOutputPort());

  37:    vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor=

  38:        vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();

  39:    p_w_picpathViewer->SetupInteractor(renderWindowInteractor);

  40:    p_w_picpathViewer->Render();

  41:    p_w_picpathViewer->GetRenderer()->ResetCamera();

  42:    p_w_picpathViewer->Render();

  43:  

  44:    renderWindowInteractor->Start();

 

上例中首先讀入圖像，由vtkImageData提供函數接口獲取圖像的維數，原點和像素間隔。而後定義vtkImageChangeInformation指針，並設置輸出圖像原點爲（100, 100, 0），輸出圖像像素間隔爲（5, 5, 1），而後調用CenterImage()函數將圖像的原點置於圖像的中心。顯示結果如圖5.9：

 

圖5.9 vtkImageChangeInformation修改圖像信息

 

從上面結果中能夠看出，操做後的結果使得圖像的原點位於(-1277.5, -1275.5, 0)，SetOutputOrigin(100, 100, 0)並無起做用。緣由在哪裏呢？若是看下CenterImage()函數的註釋，能夠發現該函數的做用是將（0, 0, 0）點置於圖像的中心。當CenterImage該函數執行時會重寫SetOutputOrigin()，因此SetOutputOrigin函數不會產生任何做用。那(-1277.5, -1275.5, 0)又是如何計算出來的呢？如圖5.10，根據圖像的維數和像素間隔計算獲得新的圖像的寬度和高度爲(512-1)*5 ，初始圖像的原點位於（0, 0,0），如今將圖像的中心平移至原點，平移量爲（-(512-1)*5/2,(512-1)*5/2, 0） = (-1277.5, -1275.5,0)。

 

圖5.10 CenterImage函數示意圖

 

5.4.2圖像像素值訪問和修改

圖像像素值的訪問與修改是最經常使用的一個操做。VTK中提供了兩種訪問圖像像素值的方法。第一種是直接訪問vtkImageData的數據數組。這種方式最直接。在第一節上新建圖像賦值也是採用的這種方法。vtkImageData中提供了GetScalarPointer()函數獲取數據數組指針，該函數有三種形式：

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像素索引獲得指定的像素值，注意返回的是第(x,y,z)個像素值的地址。而第三種方式是返回圖像數據數組的頭指針，而後根據頭指針能夠依次訪問索引像素。在第一節中採用的就是這樣方式。下面看一個遍歷圖像像素的例子，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> p_w_picpathViewer =

  28:    vtkSmartPointer<vtkImageViewer2>::New();

  29: p_w_picpathViewer->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());

  30: vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor=

  31:    vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();

  32: p_w_picpathViewer->SetupInteractor(renderWindowInteractor);

  33: p_w_picpathViewer->Render();

  34: p_w_picpathViewer->GetRenderer()->ResetCamera();

  35: p_w_picpathViewer->Render();

  36:  

  37: renderWindowInteractor->Start();

 

上面代碼實現了將圖像的100*100大小的區域設置爲黑色。首先定義一個reader讀取一副bmp圖像，經過vtkImageData函數GetDimensions()獲取圖像的大小。創建三次循環，經過GetScalarPointer(i, j,k)函數獲取訪問圖像像素值。須要注意的是，GetScalarPointer()函數返回的是void*類型，所以須要根據圖像的實際類型進行強制轉換。如上面代碼中將像素值數組的頭指針類型轉換爲unsigned char *。若是對於數據類型不肯定的話，還能夠先經過vtkImageCast將圖像數據類型強制轉換爲特定的數據類型，再進行遍歷。

另外還有一個須要注意地方，彩色以及向量圖像採用的是相似圖5.11這種像素存儲格式。

 

圖5.11 VTK彩色以及向量圖像像素存儲格式

 

所以在修改RGB圖像以及向量圖像像素時，須要根據像素的元組的組分數目來訪問。上例中，須要修改每一個像素的RGB值時，首先得到第(i, j, k)個像素的地址也就是R值的地址，而後將地址加1來訪問後續G值以及B值。若是對於像素的元組組分不肯定時，能夠經過函數GetNumberOfScalarComponents()來獲取。以下所示：

int nbOfComp = reader->GetOutput()->GetNumberOfScalarComponents();

 

 

圖5.12 修改圖像像素值

 

另外VTK中提供了vtkImageIterator類來利用迭代器方法訪問圖像像素。該類是一個模板類，使用時，須要提供迭代的圖像像素類型以及迭代的區域大小。下面給出示例代碼。

   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> p_w_picpathViewer =

  23:         vtkSmartPointer<vtkImageViewer2>::New();

  24:     p_w_picpathViewer->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());

  25:     vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor=

  26:         vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();

  27:     p_w_picpathViewer->SetupInteractor(renderWindowInteractor);

  28:     p_w_picpathViewer->Render();

  29:     p_w_picpathViewer->GetRenderer()->ResetCamera();

  30:     p_w_picpathViewer->Render();

  31:  

  32:     renderWindowInteractor->Start();

 

下面分析一下上面的代碼。若是對於ITK圖像區域迭代器熟悉的話，可能會對上面代碼存在疑問。上面代碼中首先讀取了一副bmp圖像，而後定義了一個子區域。注意在定義子區域的時候，不要超過圖像的大小範圍。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。因爲處理的圖像爲二維圖像，所以z的取值範圍爲[0,0]。而後根據圖像類型unsigned char定義實例化一個圖像迭代器it，定義it時有兩個參數：一個是要訪問的圖像，另一個是訪問的圖像區域。設置完畢後，迭代器開始工做。注意，上面代碼中有兩個while循環。

首先看第一個while循環，這裏判斷迭代器是否結束。進入循環後，對於每一個迭代器it，又存在第二個循環。這個循環判斷的是當前像素的組分是否迭代完畢。因爲vtk中全部類型的圖像格式都是vtkImageData，所以每一個像素多是標量，也多是向量。所以，每當訪問到一個像素時，須要迭代當前像素的組分。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，經過++inSI不斷迭代組分，並對像素的組分值進行處理，當inSI與inSIEnd相等時組分迭代完畢。而後繼續迭代像素it，直至迭代完畢全部像素。上面代碼中將指定區域的像素值取反，獲得如圖5.13所示結果。

 

圖5.13 利用VTK迭代器修改圖像像素值

 

 

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