opengl绘制刻度坐标系_分别用 VTK 体绘制和面绘制来实现医学图像三维重建

序言，VTK介绍：

VTK

全称为
The Visualization Toolkit
(可视化工具)，是一个开源、跨平台、自由获取、支持并行计算的图形应用函数；拥有3D 渲染的最新工具、提供3D交互模式以及2D绘图等。

VTK 包含一个C++类库，目前提供了众多语言接口，例如
Java、Python、TCL
；在三维函数库
OpenGL
的基础上采用面向对象设计方法发展起来

图形学基本概念和数据结构，是VTK的核心，VTK是通过
Pipline
的形式来输送数据，实现预览效果。

三维重建

在 VTK 中，提供了两种重建方式：体绘制和面绘制 (一般来说用VTK做重建，医学图像领域较多，如
Dicom、mha、mhd
；当然 VTK 也实现点云重建)

面绘制

利用面绘值用到VTK封装到的
Marching Cube
算法，简称
MC
算法，
MC
算法的实现主要分为三部分：

1,确定包含等值面的体元

首先介绍一下
体元
的概念，体元是三维图像中由相邻的八个体素点组成的正方体方格，英语也叫
Cube
，体元中角点函数值分为两种情况，一种是大于等于给定等值面的值
C0
,则将角点设为
1
称该角点在等值面内部，否则设为
0
，在等值面之外，

一般来说，会出现一个角点在内，一个角点在外，则角点之间的连线(也就是体元的边)必然与等值面相交，根据这个原理就能判断等值面与哪些体元相交。

体元内每个角点(顶点)有两种情况：0和1，一共8个角点即分为256种(

)，根据平面对称性、中心对称性，256种最终降到15种

2，确定等值面与体元边界的交点

找到含有等值面的体元之后，接下来就是确定等值面与体元边界的交点，体元间的数值都是呈线性变化，求交点时一般采用的是线性插值，如

Case0

中等值面的两个端点一个在外为( 标记
0
) ，一个在内 ( 标记为
1
) 则交点为0.5；

3，求等值面的法向量

以上步骤
1，2，3
为实现
MC
算法步骤流程，但利用 VTK ，不需要这么繁琐，主要算法步骤都已经封装到
vtkMarchingCube
类中，使用
vtkMarchingCube
时，需要设置三个参数：

SetValue(int i,double value)
设置第i 个等值面的值
b
，(提醒一下，医学图像中的灰度值范围不是
0-256
而是
0-65326
，但大部分取值范围都在
0-1000
）。
SetNumberofContours(int number)
，设置等值面的个数
ComputerNormalsOn()
设置计算等值面的法向量，提高渲染质量；

上面这张图显示的就是 vtk 呈像的基本流程，下面是仿照官网写的用面绘制来对图像重建的代码部分：

#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>
//需要进行初始化，否则会报错
#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 << "读取数据完毕" << 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());//获得读取的数据的点集；
    marchingcube->SetValue(0, 200);//Setting the threshold;
    marchingcube->ComputeNormalsOn();//计算表面法向量;

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

    vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> Mapper = vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();//将三角片映射为几何数据；
    Mapper->SetInputConnection(Stripper->GetOutputPort());
    Mapper->ScalarVisibilityOff();//


    vtkSmartPointer<vtkActor> actor = vtkSmartPointer<vtkActor>::New();//Created a actor;
    actor->SetMapper(Mapper);//获得皮肤几何数据
    actor->GetProperty()->SetDiffuseColor(1, .49, .25);//设置皮肤颜色；
    actor->GetProperty()->SetSpecular(0.3);//反射率；
    actor->GetProperty()->SetOpacity(1.0);//透明度；
    actor->GetProperty()->SetSpecularPower(20);//反射光强度；
    actor->GetProperty()->SetColor(1, 0, 0);//设置角的颜色；
    actor->GetProperty()->SetRepresentationToWireframe();//线框；

    //vtkSmartPointer<vtkCamera> camera = vtkSmartPointer<vtkCamera>::New();//Setting the Camera;
    //camera->SetViewUp(0, 0, -1);//设置相机向上方向；
    //camera->SetPosition(0, 1, 0);//位置：世界坐标系，相机位置；
    //camera->SetFocalPoint(0, 0, 0);//焦点，世界坐标系，控制相机方向；
    //camera->ComputeViewPlaneNormal();//重置视平面方向，基于当前的位置和焦点；

    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);//线框颜色

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

    //camera->Dolly(1.5);//使用Dolly()方法延伸着视平面法向移动相机；
    ren->SetBackground(1, 1, 1);//设置背景颜色；
    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");//重建图像输出
    porter->SetInput(renWin);
    porter->Write();


    return EXIT_SUCCESS;
}

上面就是 VTK 基于
Marching Cube算法
实现的重建效果：

体绘制重建

体绘制时分为两部分：

1，定义 vtkVoluemRayCastMapper 对象

体绘制中最常用的方法；
vtkVolumeRayCastMapper()
光线投影，体绘制时，首先定义一个
Mapper
然后接受两个输入：

SetInput(vtkImageDate *)
用于设置输入图像数据；
SetVolumeRayCastFunction(vtkVolumeRayCastFunction *)
用于设置光线投影函数类型；

2，利用 vtkVolumeProperty 定义体绘制属性；

SetScalarOpacity()
设置灰度不透明函数；
SetColor()
颜色传输函数；

3，定义 vtkVolume 对象接收 Mapper对象和 Property 对象

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

vtk 中体绘制核心就是改变
Mapper
和
vtkVolumeRayCastFunction()
，上面中
vtkColumeRayCastMapper
只是
VolumeMapper
其中的一种，且投影函数类
vtkVolumeRayCastFunction
一共有三个子类：

vtkVolumeRayCastCompositeFunction
vtkVolumeRayCasMIPFunction、
vtkVolumeRayCastIsosurfaceFunction
，
因此，其细分的话vtk中的体绘制也不止一种

而下面这个是最常用到的（
`vtkVolumeRayCastMapper
+
vtkVolumeRayCastCompositeFunction
）

//体绘制

#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>


//体绘制加速

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

#include<iostream>

int main()
{

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


    //定义绘制器；
    vtkRenderer *aRenderer = vtkRenderer::New();//指向指针；
    vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renWin = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
    renWin->AddRenderer(aRenderer);

    vtkRenderWindowInteractor *iren = vtkRenderWindowInteractor::New();
    iren->SetRenderWindow(renWin);

    //读取数据；
    /*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();




    //图像数据预处理，类型转换:通过 vtkimageCast 将不同类型数据集转化为 vtk 可以处理的数据集；
    vtkImageCast *cast_file = vtkImageCast::New();
    cast_file->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());
    cast_file->SetOutputScalarTypeToUnsignedShort();
    cast_file->Update();


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

    //颜色映射函数定义,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);



    //体数据属性；
    vtkVolumeProperty *volumeProperty = vtkVolumeProperty::New();
    volumeProperty->SetColor(colorTransformFunction);
    volumeProperty->SetScalarOpacity(opacityTransform);
    volumeProperty->SetGradientOpacity(gradientTransform);
    volumeProperty->ShadeOn();//应用
    volumeProperty->SetInterpolationTypeToLinear();//直线间样条插值；
    volumeProperty->SetAmbient(0.4);//环境光系数；
    volumeProperty->SetDiffuse(0.6);//漫反射；
    volumeProperty->SetSpecular(0.2);
    volumeProperty->SetSpecularPower(10);//高光强度；


    计算光照效应；利用 vtkBolumeRayCaseMapper进行计算；
    //vtkVolumeRayCastMapper *volunemapper = vtkVolumeRayCastMapper::New();
    //vtkVolumeRayCastCompositeFunction *compositeFunction = vtkVolumeRayCastCompositeFunction::New();


    //光纤映射类型定义：
    vtkSmartPointer<vtkVolumeRayCastCompositeFunction> compositecast =
        vtkSmartPointer<vtkVolumeRayCastCompositeFunction>::New();

    //Mapper定义,
    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);//载入体绘制方法；
    //volunemapper->SetInputConnection(cast_file->GetOutputPort());

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



    vtkVolume *volume = vtkVolume::New();
    volume->SetMapper(hiresMapper);
    volume->SetProperty(volumeProperty);//设置体属性；

    double volumeView[4] = { 0,0,0.5,1 };

    vtkOutlineFilter *outlineData = vtkOutlineFilter::New();//线框；
    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);//背景纯黑色；

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


    //重设相机的剪切范围；
    aRenderer->ResetCameraClippingRange();
    renWin->SetSize(800, 800);
    renWin->SetWindowName("测试");

    vtkRenderWindowInteractor *iren2 = vtkRenderWindowInteractor::New();
    iren2->SetRenderWindow(renWin);

    //设置相机跟踪模式
    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;

}

上面是体绘制的结果，相对来说体绘制需要计算资源更大些， vtk 在这方面有所考虑，提供了
vtKGPUVolumeRayCastMapper
GUP 加速的光线投射算法。

以上就是本篇文章的全部内容，最后感谢阅读！

Reference:

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

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