VTK知识学习（27）- 图像基本操作（二）

1、图像类型转换

1）vtkImageCast

        图像数据类型转换在数字图像处理中会频繁用到。一些常用的图像算子(例如梯度算子)在计算时出于精度的考虑，会将结果存储为float或double类型，但在图像显示时，一般要求图像为 unsigned char 类型,这时就需要对数据类型进行转换。VTK 中最简单的类型转换 Filter就是 vtkmageCast，其使用方法如下:

vtkImageCast imageCast = vtkImageCast.New();
imageCast.SetInputConnection(reader.GetOutputPort());
imageCast.SetOutputScalarTypeToFloat();
imageCast.Update();

        只需要把 SetOutputScalarTypeToxxX()设置成相应的输出类型即可。另外，该类中还有一个变量 ClampOverflow，用来标识是否需要截断数据。默认情况下，该变量值为0。当设置其值为1时，输出的像素值不能超过输出类型的最大值，超过时自动截断至最大值。该类在进行类型转换时，只是将数据进行强制转换，而没有进行比例的缩放，因此使用比较受限制，VTK中也不推荐使用该类。例如一幅 double 类型的图像，其数值范围为[-1,1]，如果需要将图像转换为 unsigned char 类，则无法使用该 Filter 进行转换。这时就需要用到 vklmageShifScale。

2）vtkImageShiftScale

       指定偏移和比例参数来对输入图像数据进行操作，例如一幅double 类型的图像，其数值范围为[-1,1]，如果将其转换为 unsigned char 类型，需要设置 shif值为+1，比例系数设置为 127.5，那么输入数据-1映射为(-1+1)x127.5=0，而+1 则会映射为(+1+1)x127.5=255。对应代码如下:

vtkImageShiftScale imageShiftScale = vtkImageShiftScale.New();
imageShiftScale.SetInputConnection(reader.GetOutputPort());
 imageShiftScale.SetOutputScalarTypeToUnsignedChar();
imageShiftScale.SetShift(1);
imageShiftScale.SetScale(127.5);
imageShiftScale.Update();

         SetShift()函数，用于设置偏移量 Shift

        SetScale()函数，用于设置放缩值Scale，如果源图像的像素值为Val，那么输出值为(Val+shif)xScale。

        SetOutputScalarTypeToUnsignedChar()用于设置输出类型为 unsigned char，当然，该类也提供了其他输出类型的设置函数。

        该类中也有一个变量ClampOverfow，当其值为1时,如果输出值超过输出类型的最大值时,则自动截断。例如,输出类型为 unsigned char,数值范围为 0~255，当输出像素值为 257时，该类会自动截断取值为 255。默认情况下，变量 ClampOverflow 的值为 0，此时，当输出值为 257，输出类型为 unsigned char 时，该类不会将其截断，而是会产生溢出，最后取值为2。

2、图像颜色映射

1）图像灰度映射

        vtkImageLuminance 负责将一个RGB 彩色图像转换为一个单组分的灰度图像。映射公
式为：
        Luminance=0.3xR+0.59xG+0.11xB
         R为输入图像的第一组分(红色)，G为第二组分(绿色)，B为第三组分(蓝色)。

        这个公式用于计算一个RGB颜色的亮度。该类的使用也比较简单，用户无须设置参数。

private void TestColor2Gray()
{
    vtkBMPReader reader = vtkBMPReader.New();
    reader.SetFileName("F:\\code\\VTK\\TestActiViz\\bin\\Debug\\data\\lena.bmp");
    reader.Update();

    vtkImageLuminance luminance = vtkImageLuminance.New();
    luminance.SetInputData(reader.GetOutput());
    luminance.Update();

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

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

    vtkRenderer orgRenderer = vtkRenderer.New();
    orgRenderer.AddActor(orgActor);
    orgRenderer.SetViewport(0.0, 0.0, 0.5, 1.0);
    orgRenderer.ResetCamera();
    orgRenderer.SetBackground(1, 1, 1);

    vtkRenderer renderer = vtkRenderer.New();
    renderer.SetViewport(0.5, 0.0, 1.0, 1.0);
    renderer.AddActor(actor);

    renderer.ResetCamera();
    renderer.SetBackground(1, 1, 1);

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

2）提取颜色组分

        VTK 中利用 vtkImageExtractComponents 可以方便地提取彩色图像的各个颜色组分。使用该类时只需要设置要提取的组分序号即可。

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

   //提取红色对应灰度图像
   vtkImageExtractComponents extractRed = vtkImageExtractComponents.New();
   extractRed.SetInputData(reader.GetOutput());
   extractRed.SetComponents(0);
   extractRed.Update();

   //提取绿色对应灰度图像
   vtkImageExtractComponents extractGreen = vtkImageExtractComponents.New();
   extractGreen.SetInputData(reader.GetOutput());
   extractGreen.SetComponents(1);
   extractGreen.Update();

   //提取蓝色对应灰度图像
   vtkImageExtractComponents extractBlue = vtkImageExtractComponents.New();
   extractBlue.SetInputData(reader.GetOutput());
   extractBlue.SetComponents(2);
   extractBlue.Update();

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

   vtkImageActor redActor = vtkImageActor.New();
   redActor.SetInputData(extractRed.GetOutput());

   vtkImageActor greenActor = vtkImageActor.New();
   greenActor.SetInputData(extractGreen.GetOutput());

   vtkImageActor blueActor = vtkImageActor.New();
   blueActor.SetInputData(extractBlue.GetOutput());

   vtkRenderer orgRenderer = vtkRenderer.New();
   orgRenderer.AddActor(orgActor);
   orgRenderer.SetViewport(0.0, 0.0, 0.25, 1.0);
   orgRenderer.ResetCamera();
   orgRenderer.SetBackground(1, 1, 1);

   vtkRenderer renderer = vtkRenderer.New();
   renderer.SetViewport(0.25, 0.0, 0.5, 1.0);
   renderer.AddActor(redActor);
   renderer.ResetCamera();
   renderer.SetBackground(1, 1, 1);

   vtkRenderer renderer2 = vtkRenderer.New();
   renderer2.SetViewport(0.5, 0.0, 0.75, 1.0);
   renderer2.AddActor(greenActor);
   renderer2.ResetCamera();
   renderer2.SetBackground(1, 1, 1);

   vtkRenderer renderer3 = vtkRenderer.New();
   renderer3.SetViewport(0.75, 0.0, 1, 1.0);
   renderer3.AddActor(blueActor);
   renderer3.ResetCamera();
   renderer3.SetBackground(1, 1, 1);

   vtkRenderWindow renderWindow = renderWindowControl.RenderWindow;
   renderWindow.AddRenderer(orgRenderer);
   renderWindow.AddRenderer(renderer);
   renderWindow.AddRenderer(renderer2);
   renderWindow.AddRenderer(renderer3);
   renderWindow.Render();
}

        代码中定义了三个 vtkImageExtractComponents 对象，分别用来提取红、绿和蓝色组分图像，函数 SetComponents()用来设置要提取的组分号，红、绿、蓝三色分别对应0、1和2。设置完毕，执行Update()即可得到各个组分的数据。其输出为vtkImageData，每一个颜色组分数据即是一个灰度图像。

3）图像彩色映射

        图像彩色映射的原理是:先生成一个颜色查找表，然后根据图像像素的一个标量值在颜色查找表中查找对应的颜色，并用新颜色值替代原来的像素值。VTK中以vkImageMapToColors 实现图像彩色映射，以 vkookUpTable 生成颜色查找表。

private void TestGray2Color()
        {
            vtkJPEGReader reader = vtkJPEGReader.New();
            reader.SetFileName("F:\\code\\VTK\\TestActiViz\\bin\\Debug\\data\\lena-gray.jpg");
            reader.Update();

            vtkLookupTable colorTable = vtkLookupTable.New();
            colorTable.SetRange(0, 255);
            colorTable.SetHueRange(0.1, 0.5);
            colorTable.SetValueRange(0.6, 1);
            colorTable.Build();

            vtkImageMapToColors colorMap = vtkImageMapToColors.New();
            colorMap.SetInputData(reader.GetOutput());
            colorMap.SetLookupTable(colorTable);
            colorMap.Update();

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

            vtkImageActor redActor = vtkImageActor.New();
            redActor.SetInputData(colorMap.GetOutput());

            vtkRenderer orgRenderer = vtkRenderer.New();
            orgRenderer.AddActor(orgActor);
            orgRenderer.SetViewport(0.0, 0.0, 0.5, 1.0);
            orgRenderer.ResetCamera();
            orgRenderer.SetBackground(1, 1, 1);

            vtkRenderer renderer = vtkRenderer.New();
            renderer.SetViewport(0.5, 0.0, 1, 1.0);
            renderer.AddActor(redActor);
            renderer.ResetCamera();
            renderer.SetBackground(1, 1, 0.8);

            vtkRenderWindow renderWindow = renderWindowControl.RenderWindow;
            renderWindow.AddRenderer(orgRenderer);
            renderWindow.AddRenderer(renderer);

            renderWindow.Render();
        }

        示例先读取了一幅灰度图像，然后生成 vtkLookUpTable 颜色查找表。

        构造颜色查找表有两种方法:一种是直接添加颜色;另一种是设置HSV颜色空间变化范围，然后自动生成颜色表。这里采用的是第二种方法，

SetRange()设置要映射的标量数据的范围：

SetHueRange()设置HSV 颜色空间的 Hue 值范围，最大范围为[0,1];

SetValueRange()设置 HSV 颜色空间的 Value 范围，最大范围为[0,1]:

设置完后，调用 Build()来生成颜色査找表。接着定义 vkImageMapToColors 对象，vtkImageMapToColors::SetLookupTable()设置相应的颜色查找表，执行 Update（)后，其输出为一幅彩色图像。 

4）颜色合成

        VTK也支持将多个灰度图像合并成一个彩色图像。VTK 中的 vtkImageAppendComponents 类可用来合成彩色图像，其输入需要提供三个灰度图像。

private void TestColorAppend()
        {
            vtkImageCanvasSource2D red = vtkImageCanvasSource2D.New();
            red.SetScalarTypeToUnsignedChar();
            red.SetNumberOfScalarComponents(1);
            red.SetExtent(0, 100, 0, 100, 0, 0);
            red.SetDrawColor(0, 0, 0, 0);
            red.FillBox(0, 100, 0, 100);
            red.SetDrawColor(255, 0, 0, 0);
            red.FillBox(20, 40, 20, 40);
            red.Update();

            vtkImageCanvasSource2D green = vtkImageCanvasSource2D.New();
            green.SetScalarTypeToUnsignedChar();
            green.SetNumberOfScalarComponents(1);
            green.SetExtent(0, 100, 0, 100, 0, 0);
            green.SetDrawColor(0, 0, 0, 0);
            green.FillBox(0, 100, 0, 100);
            green.SetDrawColor(255, 0, 0, 0);
            green.FillBox(30, 50, 30, 50);
            green.Update();

            vtkImageCanvasSource2D blue = vtkImageCanvasSource2D.New();
            blue.SetScalarTypeToUnsignedChar();
            blue.SetNumberOfScalarComponents(1);
            blue.SetExtent(0, 100, 0, 100, 0, 0);
            blue.SetDrawColor(0, 0, 0, 0);
            blue.FillBox(0, 100, 0, 100);
            blue.SetDrawColor(255, 0, 0, 0);
            blue.FillBox(40, 60, 40, 60);
            blue.Update();

            vtkImageAppendComponents components = vtkImageAppendComponents.New();
            components.SetInputData(0, red.GetOutput());
            components.AddInputData(0, green.GetOutput());
            components.AddInputData(0, blue.GetOutput());
            components.Update();

            vtkImageActor redActor = vtkImageActor.New();
            redActor.SetInputData(red.GetOutput());

            vtkImageActor greenActor = vtkImageActor.New();
            greenActor.SetInputData(green.GetOutput());

            vtkImageActor blueActor = vtkImageActor.New();
            blueActor.SetInputData(blue.GetOutput());

            vtkImageActor combinedActor = vtkImageActor.New();
            combinedActor.SetInputData(components.GetOutput());

            vtkRenderer redRenderer = vtkRenderer.New();
            redRenderer.AddActor(redActor);
            redRenderer.SetViewport(0.0, 0.0, 0.25, 1.0);
            redRenderer.ResetCamera();
            redRenderer.SetBackground(1, 1, 1);

            vtkRenderer greenRenderer = vtkRenderer.New();
            greenRenderer.AddActor(greenActor);
            greenRenderer.SetViewport(0.25, 0.0, 0.5, 1.0);
            greenRenderer.ResetCamera();
            greenRenderer.SetBackground(1, 1, 1);

            vtkRenderer blueRenderer = vtkRenderer.New();
            blueRenderer.AddActor(blueActor);
            blueRenderer.SetViewport(0.5, 0.0, 0.75, 1.0);
            blueRenderer.ResetCamera();
            blueRenderer.SetBackground(1, 1, 1);

            vtkRenderer CombinedRenderer = vtkRenderer.New();
            CombinedRenderer.SetViewport(0.75, 0.0, 1, 1.0);
            CombinedRenderer.AddActor(combinedActor);
            CombinedRenderer.ResetCamera();
            CombinedRenderer.SetBackground(1, 1, 0.8);

            vtkRenderWindow renderWindow = renderWindowControl.RenderWindow;
            renderWindow.AddRenderer(redRenderer);
            renderWindow.AddRenderer(greenRenderer);
            renderWindow.AddRenderer(blueRenderer);
            renderWindow.AddRenderer(CombinedRenderer);

            renderWindow.Render();
        }

        先利用 vtkImageCanvasSource2D定义了三个二值图像，每个图像中绘制了一个白色矩形，并且三个矩形有部分重叠;然后定义vkImageAppendComponents对象，并将三个图像设置为 vtkImageAppendComponents 对象的输入来合成图像。合成的效果为三个图像中对应的三个像素点的像素值合成一个RGB 像素值，如三个图像中第100个像素的像素值分别为255、0和 0，那么该点在输出图像中的像素值为(255.0.0)，显示为红色。