VTK知识学习（26）- 图像基本操作（一）

1、前言

        图像处理离不开一些基本的图像数据操作，例如获取和修改图像的基本信息、访问和修改图像像素值、图像显示、图像类型转换等。熟练掌握这些基本操作有助于使用 VTK进行图像处理应用程序的快速开发。

2、图像信息的访问与修改

1）利用vtkIamgeData方法

        vtkImageData中提供了多个函数用于访问或者获取图像的基本信息,这些函数通常以 Set或者 Get加上相应的信息名的形式进行命名，例如获取图像维数的方法定义为 GetDimensions（)。

private void TestGetImageInfo()
{
    vtkBMPReader reader = vtkBMPReader.New();
    reader.SetFileName("F:\\code\\VTK\\TestActiViz\\bin\\Debug\\data\\lena.bmp");
    reader.Update();

    int[] dims = reader.GetOutput().GetDimensions();
    Console.WriteLine($"图像维数：{dims[0]} {dims[1]} {dims[2]}");

    double[] orgin = reader.GetOutput().GetOrigin();
    Console.WriteLine($"图像原点：{orgin[0]} {orgin[1]} {orgin[2]}");

    double[] spaceing = reader.GetOutput().GetSpacing();
    Console.WriteLine($"像素间隔：{spaceing[0]} {spaceing[1]} {spaceing[2]}");

    vtkImageActor actor = vtkImageActor.New();
    actor.SetInputData(reader.GetOutput());

    vtkRenderer renderer = vtkRenderer.New();
    renderer.AddActor(actor);
    renderer.ResetCamera();
    renderer.SetBackground(1, 1, 1);

    vtkRenderWindow renderWindow = renderWindowControl.RenderWindow;
    renderWindow.AddRenderer(renderer);
    renderWindow.Render();
}

        示例主要获取了图像的三个信息，即图像维数、图像原点和像素间隔。

        VTK 中无论是二维图像还是三维图像，都用 vtkImageData表示，因此程序中定义图像维数为 dims[3]，然后利用 GetDimensions（)函数获取图像的维数;图像的原点和像素间隔都是物理空间数值，其数值类型为 double。从显示结果中可以看到，图像维数为512x512x1，其中Z方向的维数为1，说明该图像为二维图像:而图像的原点为(0,0,0)点，像素间隔为(1,1,1)。

2）利用类vtkChangeImageInformation

        vtkImageData 中提供了多个 Set 函数用于设置图像的基本信息。在对一个图像 Filter的输出图像信息进行修改后，如果 Filter 重新 Update，图像信息又会恢复回原来的值。而vtkChangeImageInformation 类可以作为管线中的一个 Filter 来修改图像信息。利用这个Filter 可以修改图像的原点、像素间隔以及范围，另外还可以实现图像平移缩放等操作。

private void TestChangeImageInfo()
{
    vtkBMPReader reader = vtkBMPReader.New();
    reader.SetFileName("F:\\code\\VTK\\TestActiViz\\bin\\Debug\\data\\lena.bmp");
    reader.Update();

    int[] dims = reader.GetOutput().GetDimensions();
    Console.WriteLine($"原图像维数：{dims[0]} {dims[1]} {dims[2]}");

    double[] orgin = reader.GetOutput().GetOrigin();
    Console.WriteLine($"原图像原点：{orgin[0]} {orgin[1]} {orgin[2]}");

    double[] spaceing = reader.GetOutput().GetSpacing();
    Console.WriteLine($"原像素间隔：{spaceing[0]} {spaceing[1]} {spaceing[2]}");

    vtkImageChangeInformation changer = vtkImageChangeInformation.New();
    changer.SetInputData(reader.GetOutput());
    changer.SetOutputOrigin(100, 100, 0);
    changer.SetOutputSpacing(5, 5, 1);
    changer.SetCenterImage(1);
    changer.Update();

    dims = changer.GetOutput().GetDimensions();
    Console.WriteLine($"修改后图像维数：{dims[0]} {dims[1]} {dims[2]}");

    orgin = changer.GetOutput().GetOrigin();
    Console.WriteLine($"修改后图像原点：{orgin[0]} {orgin[1]} {orgin[2]}");

    spaceing = changer.GetOutput().GetSpacing();
    Console.WriteLine($"修改后像素间隔：{spaceing[0]} {spaceing[1]} {spaceing[2]}");

    vtkImageActor actor = vtkImageActor.New();
    actor.SetInputData(changer.GetOutput());

    vtkRenderer renderer = vtkRenderer.New();
    renderer.AddActor(actor);
    renderer.ResetCamera();
    renderer.SetBackground(1, 1, 1);

    vtkRenderWindow renderWindow = renderWindowControl.RenderWindow;
    renderWindow.AddRenderer(renderer);
    renderWindow.Render();
}

        示例先读入图像，由 vtklmageData提供的函数接口获取图像的维数、图像原点和像素间隔。然后定义 vtkImageChangeInformation 对象，并设置输出图像原点为(100,100,0)，输出图像像素间隔为(5,5,1)，然后调用 CenterImage()函数将图像的原点置于图像的中心。
        操作后的结果使得图像的原点位于(-1277.5，-1275.5，0)。

        SetOutputOrigin(100,100,0)并没有起作用。查看 CenterImage()函数的注释，可以发现该函数的作用是将(0,0,0)点置于图像的中心。当Centerlmage（)函数执行时会重新调用 SetOutputOrigin()，所以开始的 SetOutputOrigin()函数设置的原点将会被覆盖。

        (-1277.5,-1275.5,0)是如何计算出来的呢?

        根据图像的维数和像素间隔计算得到新的图像的宽度和高度为(512-1)x5，初始图像的原点位于(0,0,0)，现在将图像的中心平移至原点，平移量为(-(512-1)x5/2,(512-1)x5/2,0)=(-1277.5,-1275.5,0)。

3、图像像素值的访问与修改

        图像像素值的访问与修改是最常用的一种操作。VTK 中提供了两种访问图像像素值的方法第一种方法是直接访问 vtkImageData 的数据数组，这种方法最直接。前面创建图像赋值时也是采用这种方法。vtkImageData中提供了GetScalarPointer()函数获取数据数组指针，该函数有三种形式:

virtual void *GetScalarPointer(int coordinates[3]);
virtual void *GetScalarPointer(int x, int y, int z);
virtual void *GetScalarPointer();

        前两种形式根据给定的像素索引得到指定的像素值,注意返回的是第(x,y,z)个像素值的地址。而第三种形式是返回图像数据数组的头指针，然后根据头指针可以依次访问索引像素。

1）数据数组

一个遍历图像像素的示例：

private void TestVisitPixel()
{
    vtkBMPReader reader = vtkBMPReader.New();
    reader.SetFileName("F:\\code\\VTK\\TestActiViz\\bin\\Debug\\data\\lena.bmp");
    reader.Update();

    //获取图像的大小
    int[] dims = reader.GetOutput().GetDimensions();
    //将图像的100*100大小的区域设置为黑色
    for (int k = 0; k < dims[2]; k++)
    {
        for (int j = 0; j < dims[1]; j++)
        {
            for (int i = 0; i < dims[0]; i++)
            {
                if (i < 100 && j < 100)
                {
                    //VTK彩色及矢量图像的像素存储格式示意： …R G B R G B…
                    byte[] infos = new byte[] { 0, 0, 0 };
                    var pixel = reader.GetOutput().GetScalarPointer(i, j, k);
                    Marshal.Copy(infos, 0, pixel, 3);
                }
            }
        }
    }

    vtkImageActor actor = vtkImageActor.New();
    actor.SetInputData(reader.GetOutput());

    vtkRenderer renderer = vtkRenderer.New();
    renderer.AddActor(actor);
    renderer.ResetCamera();
    renderer.SetBackground(1, 1, 1);

    vtkRenderWindow renderWindow = renderWindowControl.RenderWindow;
    renderWindow.AddRenderer(renderer);
    renderWindow.Render();
}

        实现了将图像的 100x100大小的区域设置为黑色。先定义一个 reader 读取一幅 BMP 图像，通过 vtkImageData的 GetDimensionsO)函数获取图像的大小。然后建立三重循环，通过 GetScalarPointer(i,j,k)函数获取访问图像像素值。

        需要注意的是，GetScalarPointer0函数返回的是 void*类型，因此需要根据图像的实际类型进行强制转换。如上面代码中将像素值数组的头指针类型转换为unsignedchar*。如果对数据类型不确定，还可以将图像数据类型强制转换为特定的数据类型，再进行遍历。

当然这个使用是指在c++中，在我们c#中你也看到是使用Marshal对指针进行复制操作了。

VTK 彩色以及矢量图像采用的是类似图 所示的像素存储格式。

        因此在修改 RGB 图像以及矢量图像像素时，需要根据像素的元组的组分数目来访问。例中，需要修改每个像素的 RGB 值时，先获得第(i,i,k)个像素的地址也就是R值的地址，然后将地址加1来访问后续G值以及B值。如果对于像素的元组组分不确定，可以通过函数GetNumberOfScalarComponents()来获取，代码如下所示:

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

2）迭代器方法访问图像像素

        用 vtkImagelterator 类实现迭代器方法访问图像像素。该类是一个模板类使用时，需要提供迭代的图像像素类型以及迭代的区域大小。

        这个是c++的方式，c#没有找到对应的实现。

void TestVisitImagePixelIteratively()
 {
	 vtkSmartPointer<vtkBMPReader> reader =
		 vtkSmartPointer<vtkBMPReader>::New();
	 reader->SetFileName("F:\\code\\VTK\\TestActiViz\\bin\\Debug\\data\\lena.bmp");
	 reader->Update();

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

	 int subRegion[6] = { 0,300, 0, 300, 0, 0 };
	 vtkImageIterator<unsigned char> it(reader->GetOutput(), subRegion);

	 while (!it.IsAtEnd())
	 {
		 unsigned char* inSI = it.BeginSpan();
		 unsigned char* inSIEnd = it.EndSpan();
		 while (inSI!=inSIEnd)
		 {
			 *inSI = 255 - *inSI;
			 ++inSI;
		 }
		 it.NextSpan();
	 }

	 vtkSmartPointer<vtkImageViewer2> imageViewer =
		 vtkSmartPointer<vtkImageViewer2>::New();
	 imageViewer->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());

	 vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor =
		 vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
	 imageViewer->SetupInteractor(renderWindowInteractor);
	 imageViewer->Render();
	 imageViewer->GetRenderer()->ResetCamera();
	 imageViewer->Render();

	 imageViewer->GetRenderer()->SetBackground(1.0, 1.0, 1.0);
	 imageViewer->SetSize(640, 480);
	 imageViewer->GetRenderWindow()->SetWindowName("VisitImagePixelIterativelyExample");

	 renderWindowInteractor->Start();

 }