分別用 VTK 體繪製和麪繪製來實現醫學圖像三維重建

序言，VTK介紹：

VTK 全稱爲 The Visualization Toolkit (可視化工具)，是一個開源、跨平臺、自由獲取、支持並行計算的圖形應用函數；擁有3D 渲染的最新工具、提供3D交互模式以及2D繪圖等。

VTK 包含一個C++類庫，目前提供了衆多語言接口，例如 Java、Python、TCL；在三維函數庫OpenGL 的基礎上採用面向對象設計方法發展起來

圖形學基本概念和數據結構，是VTK的核心，VTK是通過 Pipline的形式來輸送數據，實現預覽效果。

三維重建

在 VTK 中，提供了兩種重建方式：體繪製和麪繪製 (一般來說用VTK做重建，醫學圖像領域較多，如 Dicom、mha、mhd；當然 VTK 也實現點雲重建)

面繪製

利用面繪值用到VTK封裝到的 Marching Cube 算法，簡稱 MC算法，MC 算法的實現主要分爲三部分：

1,確定包含等值面的體元

首先介紹一下 體元的概念，體元是三維圖像中由相鄰的八個體素點組成的正方體方格，英語也叫 Cube，體元中角點函數值分爲兩種情況，一種是大於等於給定等值面的值 C0 ,則將角點設爲 1 稱該角點在等值面內部，否則設爲0，在等值面之外，

一般來說，會出現一個角點在內，一個角點在外，則角點之間的連線(也就是體元的邊)必然與等值面相交，根據這個原理就能判斷等值面與哪些體元相交。

體元內每個角點(頂點)有兩種情況：0和1，一共8個角點即分爲256種( $2^8 = 256$ )，根據平面對稱性、中心對稱性，256種最終降到15種

2，確定等值面與體元邊界的交點

找到含有等值面的體元之後，接下來就是確定等值面與體元邊界的交點，體元間的數值都是呈線性變化，求交點時一般採用的是線性插值，如 Case0 中等值面的兩個端點一個在外爲( 標記0) ，一個在內 ( 標記爲1 ) 則交點爲0.5；

3，求等值面的法向量

以上步驟 1，2，3 爲實現 MC 算法步驟流程，但利用 VTK ，不需要這麼繁瑣，主要算法步驟都已經封裝到 vtkMarchingCube 類中，使用 vtkMarchingCube 時，需要設置三個參數：

SetValue(int i,double value) 設置第i 個等值面的值b，(提醒一下，醫學圖像中的灰度值範圍不是 0-256 而是0-65326，但大部分取值範圍都在0-1000）。
SetNumberofContours(int number)，設置等值面的個數
ComputerNormalsOn() 設置計算等值面的法向量，提高渲染質量；

上面這張圖顯示的就是 vtk 呈像的基本流程，下面是仿照官網寫的用面繪製來對圖像重建的代碼部分：

#include<vtkRenderWindow.h>
#include<vtkRenderWindowInteractor.h>
#include<vtkDICOMImageReader.h>
#include<vtkMarchingCubes.h>
#include<vtkPolyDataMapper.h>
#include<vtkStripper.h>
#include<vtkActor.h>
#include<vtkProperty.h>
#include<vtkCamera.h>
#include<vtkOutlineFilter.h>
#include<vtkOBJExporter.h>
#include<vtkRenderer.h>
#include<vtkMetaImageReader.h>
#include<vtkInteractorStyleTrackballCamera.h>


#include<iostream>
#include<string.h>
//需要進行初始化，否則會報錯
#include <vtkAutoInit.h> 
#include<vtkRenderingVolumeOpenGL2ObjectFactory.h>
#include<vtkRenderingOpenGL2ObjectFactory.h>

using namespace std;
int main()
{
	///Marching Cube; 

	vtkObjectFactory::RegisterFactory(vtkRenderingOpenGL2ObjectFactory::New());
	vtkObjectFactory::RegisterFactory(vtkRenderingVolumeOpenGL2ObjectFactory::New());

	vtkSmartPointer<vtkRenderer> ren = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
	vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renWin = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();//WINDOW；

	renWin->AddRenderer(ren);

	vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> iren = vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();//wininteratcor;
	iren->SetRenderWindow(renWin);

	vtkSmartPointer<vtkDICOMImageReader> reader = vtkSmartPointer<vtkDICOMImageReader>::New();
	reader->SetDirectoryName("E:/DIcom_Data/DICOM");
	reader->SetDataByteOrderToLittleEndian();
	reader->Update();


	/*vtkDICOMImageReader *reader = vtkDICOMImageReader::New();
	reader->SetDirectoryName("E:/Coding Pra/VTK/VTK_Examples_StandardFormats_Input_DicomTestImages/DICOM");
	reader->SetDataByteOrderToLittleEndian();
	reader->Update();*/

	cout << "讀取數據完畢" << endl;
	cout << "The width is" << reader->GetWidth() << endl;
	cout << "The height is" << reader->GetHeight() << endl;
	cout << "The depth is" << reader->GetPixelSpacing() << endl;
	cout << "The Output port is" << reader->GetOutputPort() << endl;

	////////
	vtkSmartPointer<vtkMarchingCubes> marchingcube = vtkSmartPointer<vtkMarchingCubes>::New();
	marchingcube->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());//獲得讀取的數據的點集；
	marchingcube->SetValue(0, 200);//Setting the threshold;
	marchingcube->ComputeNormalsOn();//計算表面法向量;

	vtkSmartPointer<vtkStripper> Stripper = vtkSmartPointer<vtkStripper>::New();
	Stripper->SetInputConnection(marchingcube->GetOutputPort());//獲取三角片

	vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> Mapper = vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();//將三角片映射爲幾何數據；
	Mapper->SetInputConnection(Stripper->GetOutputPort());
	Mapper->ScalarVisibilityOff();//


	vtkSmartPointer<vtkActor> actor = vtkSmartPointer<vtkActor>::New();//Created a actor;
	actor->SetMapper(Mapper);//獲得皮膚幾何數據
	actor->GetProperty()->SetDiffuseColor(1, .49, .25);//設置皮膚顏色；
	actor->GetProperty()->SetSpecular(0.3);//反射率；
	actor->GetProperty()->SetOpacity(1.0);//透明度；
	actor->GetProperty()->SetSpecularPower(20);//反射光強度；
	actor->GetProperty()->SetColor(1, 0, 0);//設置角的顏色；
	actor->GetProperty()->SetRepresentationToWireframe();//線框；

	//vtkSmartPointer<vtkCamera> camera = vtkSmartPointer<vtkCamera>::New();//Setting the Camera;
	//camera->SetViewUp(0, 0, -1);//設置相機向上方向；
	//camera->SetPosition(0, 1, 0);//位置：世界座標系，相機位置；
	//camera->SetFocalPoint(0, 0, 0);//焦點，世界座標系，控制相機方向；
	//camera->ComputeViewPlaneNormal();//重置視平面方向，基於當前的位置和焦點；

	vtkSmartPointer<vtkOutlineFilter> outfilterline = vtkSmartPointer<vtkOutlineFilter>::New();
	outfilterline->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());
	vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> outmapper = vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
	outmapper->SetInputConnection(outfilterline->GetOutputPort());
	vtkSmartPointer<vtkActor> OutlineActor = vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
	OutlineActor->SetMapper(outmapper);
	OutlineActor->GetProperty()->SetColor(0, 0, 0);//線框顏色

	ren->AddActor(actor);
	ren->AddActor(OutlineActor);
	//ren->SetActiveCamera(camera);//設置渲染器的相機；
	ren->ResetCamera();
	ren->ResetCameraClippingRange();

	//camera->Dolly(1.5);//使用Dolly()方法延伸着視平面法向移動相機；
	ren->SetBackground(1, 1, 1);//設置背景顏色；
	renWin->SetSize(1000, 600);


	vtkInteractorStyleTrackballCamera *style = vtkInteractorStyleTrackballCamera::New();
	iren->SetInteractorStyle(style);

	renWin->Render();
	iren->Initialize();
	iren->Start();

	vtkSmartPointer<vtkOBJExporter> porter = vtkSmartPointer<vtkOBJExporter>::New();
	porter->SetFilePrefix("E:/ceshi/aaa/regist_after/polywrite.obj");//重建圖像輸出
	porter->SetInput(renWin);
	porter->Write();


	return EXIT_SUCCESS;
}

上面就是 VTK 基於 Marching Cube算法實現的重建效果：

體繪製重建

體繪製時分爲兩部分：

1，定義 vtkVoluemRayCastMapper 對象

體繪製中最常用的方法；vtkVolumeRayCastMapper() 光線投影，體繪製時，首先定義一個Mapper 然後接受兩個輸入：

SetInput(vtkImageDate *) 用於設置輸入圖像數據；
SetVolumeRayCastFunction(vtkVolumeRayCastFunction *) 用於設置光線投影函數類型；

2，利用 vtkVolumeProperty 定義體繪製屬性；

SetScalarOpacity() 設置灰度不透明函數；
SetColor() 顏色傳輸函數；

3，定義 vtkVolume 對象接收 Mapper對象和 Property 對象

SetMapper()接受 Mapper 對象；
SetProperty() 接受 Property 對象；

vtk 中體繪製核心就是改變 Mapper 和 vtkVolumeRayCastFunction() ，上面中vtkColumeRayCastMapper 只是 VolumeMapper 其中的一種，且投影函數類 vtkVolumeRayCastFunction 一共有三個子類：

vtkVolumeRayCastCompositeFunction
vtkVolumeRayCasMIPFunction、
vtkVolumeRayCastIsosurfaceFunction，
因此，其細分的話vtk中的體繪製也不止一種

而下面這個是最常用到的（``vtkVolumeRayCastMapper+vtkVolumeRayCastCompositeFunction`）

//體繪製

#include<vtkRenderWindowInteractor.h>
#include<vtkDICOMImageReader.h>
#include<vtkCamera.h>
#include<vtkActor.h>
#include<vtkRenderer.h>
#include<vtkVolumeProperty.h>
#include<vtkProperty.h>
#include<vtkPolyDataNormals.h>
#include<vtkImageShiftScale.h>
#include "vtkVolumeRayCastMapper.h"
#include<vtkPiecewiseFunction.h>
#include<vtkColorTransferFunction.h>
#include<vtkVolumeRayCastCompositeFunction.h>
#include<vtkRenderWindow.h>
#include<vtkImageCast.h>
#include<vtkVolumeRayCastCompositeFunction.h>
#include<vtkOBJExporter.h>
#include<vtkOutlineFilter.h>
#include<vtkPolyDataMapper.h>



#include<vtkInteractorStyleTrackballCamera.h>
#include<vtkRenderingVolumeOpenGL2ObjectFactory.h>
#include<vtkRenderingOpenGL2ObjectFactory.h>
#include<vtkMetaImageReader.h>

#include<vtkLODProp3D.h>


//體繪製加速

//Gpu光照映射
#include<vtkGPUVolumeRayCastMapper.h>

#include<iostream>

int main()
{

	vtkObjectFactory::RegisterFactory(vtkRenderingOpenGL2ObjectFactory::New());
	vtkObjectFactory::RegisterFactory(vtkRenderingVolumeOpenGL2ObjectFactory::New());

	
	//定義繪製器；
	vtkRenderer *aRenderer = vtkRenderer::New();//指向指針；
	vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renWin = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
	renWin->AddRenderer(aRenderer);
	
	vtkRenderWindowInteractor *iren = vtkRenderWindowInteractor::New();
	iren->SetRenderWindow(renWin);
	
	//讀取數據；
	/*vtkDICOMImageReader *reader = vtkDICOMImageReader::New();
	reader->SetDirectoryName("E:/Coding Pra/VTK/VTK_Examples_StandardFormats_Input_DicomTestImages/DICOM");
	reader->SetDataByteOrderToLittleEndian();*/


	vtkSmartPointer<vtkDICOMImageReader> reader = vtkSmartPointer<vtkDICOMImageReader>::New();
	reader->SetDirectoryName("E:/DIcom_Data/DICOM");
	reader->SetDataByteOrderToLittleEndian();




	//圖像數據預處理，類型轉換:通過 vtkimageCast 將不同類型數據集轉化爲 vtk 可以處理的數據集；
	vtkImageCast *cast_file = vtkImageCast::New();
	cast_file->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());
	cast_file->SetOutputScalarTypeToUnsignedShort();
	cast_file->Update();

	
	//透明度映射函數定義；
	vtkPiecewiseFunction *opacityTransform = vtkPiecewiseFunction::New();
	opacityTransform->AddPoint(0, 0.0);
	opacityTransform->AddPoint(20, 0.0);
	opacityTransform->AddPoint(200, 1.0);
	opacityTransform->AddPoint(300, 1.0);

	//顏色映射函數定義,梯度上升的
	vtkColorTransferFunction *colorTransformFunction = vtkColorTransferFunction::New();
	colorTransformFunction->AddRGBPoint(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);
	colorTransformFunction->AddRGBPoint(64.0, 0.0, 0.0, 0.0);
	colorTransformFunction->AddRGBPoint(128.0, 1.0, 0.0, 0.0);
	colorTransformFunction->AddRGBPoint(192.0, 1.0, 0.0, 0.0);
	colorTransformFunction->AddRGBPoint(255.0, 1.0, 0.0, 0.0);

	vtkPiecewiseFunction *gradientTransform = vtkPiecewiseFunction::New();
	gradientTransform->AddPoint(0, 0.0);

	gradientTransform->AddPoint(20, 2.0);
	gradientTransform->AddPoint(200, 0.1);
	gradientTransform->AddPoint(300, 0.1);


	
	//體數據屬性；
	vtkVolumeProperty *volumeProperty = vtkVolumeProperty::New();
	volumeProperty->SetColor(colorTransformFunction);
	volumeProperty->SetScalarOpacity(opacityTransform);
	volumeProperty->SetGradientOpacity(gradientTransform);
	volumeProperty->ShadeOn();//應用
	volumeProperty->SetInterpolationTypeToLinear();//直線間樣條插值；
	volumeProperty->SetAmbient(0.4);//環境光係數；
	volumeProperty->SetDiffuse(0.6);//漫反射；
	volumeProperty->SetSpecular(0.2);
	volumeProperty->SetSpecularPower(10);//高光強度；


	////計算光照效應；利用 vtkBolumeRayCaseMapper進行計算；
	//vtkVolumeRayCastMapper *volunemapper = vtkVolumeRayCastMapper::New();
	//vtkVolumeRayCastCompositeFunction *compositeFunction = vtkVolumeRayCastCompositeFunction::New();


	//光纖映射類型定義：
	vtkSmartPointer<vtkVolumeRayCastCompositeFunction> compositecast =
		vtkSmartPointer<vtkVolumeRayCastCompositeFunction>::New();

	//Mapper定義,
	vtkSmartPointer<vtkVolumeRayCastMapper> hiresMapper = 
		vtkSmartPointer<vtkVolumeRayCastMapper>::New();
	hiresMapper->SetInputData(cast_file->GetOutput());
	hiresMapper->SetVolumeRayCastFunction(compositecast);
	
	
	vtkSmartPointer<vtkLODProp3D> prop = vtkSmartPointer<vtkLODProp3D>::New();
	prop->AddLOD(hiresMapper,volumeProperty,0.0);

	//
	//volunemapper->SetVolumeRayCastFunction(compositeFunction);//載入體繪製方法；
	//volunemapper->SetInputConnection(cast_file->GetOutputPort());

	//vtkFixedPointVolumeRayCastMapper *fixedPointVolumeMapper = vtkFixedPointVolumeRayCastMapper::New()
	//fixedPointVolumeMapper->SetInput()

	
	
	vtkVolume *volume = vtkVolume::New();
	volume->SetMapper(hiresMapper);
	volume->SetProperty(volumeProperty);//設置體屬性；
	
	double volumeView[4] = { 0,0,0.5,1 };

	vtkOutlineFilter *outlineData = vtkOutlineFilter::New();//線框；
	outlineData->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());
	vtkPolyDataMapper *mapOutline = vtkPolyDataMapper::New();
	mapOutline->SetInputConnection(outlineData->GetOutputPort());
	vtkActor *outline = vtkActor::New();
	outline->SetMapper(mapOutline);
	outline->GetProperty()->SetColor(0, 0, 0);//背景純黑色；

	aRenderer->AddVolume(volume);
	aRenderer->AddActor(outline);
	aRenderer->SetBackground(1, 1, 1);
	aRenderer->ResetCamera();


	//重設相機的剪切範圍；
	aRenderer->ResetCameraClippingRange();
	renWin->SetSize(800, 800);
	renWin->SetWindowName("測試");
	
	vtkRenderWindowInteractor *iren2 = vtkRenderWindowInteractor::New();
	iren2->SetRenderWindow(renWin);

	//設置相機跟蹤模式
	vtkInteractorStyleTrackballCamera *style = vtkInteractorStyleTrackballCamera::New();
	iren2->SetInteractorStyle(style);
	
	renWin->Render();
	iren2->Initialize();
	
	iren2->Start();

	vtkOBJExporter *porter = vtkOBJExporter::New();
	porter->SetFilePrefix("E:/ceshi/aaa/regist_after/esho.obj");
	porter->SetInput(renWin);
	porter->Write();
	porter->Update();

	
	return EXIT_SUCCESS;

}

上面是體繪製的結果，相對來說體繪製需要計算資源更大些， vtk 在這方面有所考慮，提供了vtKGPUVolumeRayCastMapper GUP 加速的光線投射算法。

以上就是本篇文章的全部內容，最後感謝閱讀！

歡迎交流與聯繫，文章首發於公衆號 (Z先生點記)

Reference:

https://blog.csdn.net/wp_veil/article/details/7047537;

https://blog.csdn.net/www_doling_net/article/details/44960713

分別用 VTK 體繪製和麪繪製來實現醫學圖像三維重建

序言，VTK介紹：

三維重建

面繪製

1,確定包含等值面的體元

2，確定等值面與體元邊界的交點

3，求等值面的法向量

體繪製重建

1，定義 vtkVoluemRayCastMapper 對象

2，利用 vtkVolumeProperty 定義體繪製屬性；

3，定義 vtkVolume 對象接收 Mapper對象和 Property 對象

Reference:

SQL優化-20231016

to_csv()中文亂碼，Matplotlib繪製圖表中文亂碼解決方案

Java 中關鍵詞 this 的用法

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1,確定包含等值面的體元

2，確定等值面與體元邊界的交點

3，求等值面的法向量

體繪製重建

1，定義 vtkVoluemRayCastMapper 對象

2，利用 vtkVolumeProperty 定義體繪製屬性；

3， 定義 vtkVolume 對象接收 Mapper對象和 Property 對象

Reference:

3，定義 vtkVolume 對象接收 Mapper對象和 Property 對象