5.10 图像运算

5.10.1 数学运算

vtkImageMathematics提供了基本的一元和二元数学操作。根据不同的操作，需要一个或者两个输入图像。二元数字操作要求两个输入图像具有相同的像素数据类型，颜色分量。当两个图像大小不同时，输出图像的范围为两个输入图像范围的并集，并且原点和像素间隔与第一个输入图像保持一致。

1: vtkSmartPointer<vtkImageCanvasSource2D>imageSource =

2: vtkSmartPointer<vtkImageCanvasSource2D>::New();

3: imageSource->SetNumberOfScalarComponents(3);

4: imageSource->SetScalarTypeToUnsignedChar();

5: imageSource->SetExtent(0,4, 0, 4, 0, 0);

6: imageSource->SetDrawColor(100.0, 0, 0);

7: imageSource->FillBox(0, 4,0, 4);

8: imageSource->Update();

10: vtkSmartPointer<vtkImageMathematics>imageMath =

11: vtkSmartPointer<vtkImageMathematics>::New();

12: imageMath->SetOperationToMultiplyByK();

13: imageMath->SetConstantK(2.0);

14: imageMath->SetInputConnection(imageSource->GetOutputPort());

15: imageMath->Update();

上例中生成了一副图像，图像中绘制了一个暗红色矩形；然后定义vtkImageMathematics对象，并调用SetOperationToMultiplyByK()函数来将图像中所有的像素值乘以一个常数K，这里常数值为2.0，下图为输出结果。

图5.23 图像数学运算

vtkImageMathematics中支持的二元数学操作有:

SetOperationToAdd:两个图像对应像素加法运算

SetOperationToSubtract：两个图像对应像素减法运算

SetOperationToMultiply：两个图像对应像素相乘运算

SetOperationToDivide：两个图像对应像素相除运算

SetOperationToConjugate：将两个标量图像对应像素组合为共轭复数

SetOperationToComplexMultiply：两个图像对应像素复数乘法运算

SetOperationToMin：取两个图像中对应像素较小值

SetOperationToMax：取两个图像中对应像素较大值

一元操作有：

SetOperationToInvert：图像像素值取倒数运算

SetOperationToSin：图像像素值正弦运算

SetOperationToCos：图像像素值余弦运算

SetOperationToExp：图像像素值自然指数运算

SetOperationToLog：图像像素值自然对数运算

SetOperationToAbsoluteValue：图像像素值取绝对值

SetOperationToSquare：图像像素值平方运算

SetOperationToSquareRoot：图像像素值平凡根运算

SetOperationToATAN：图像像素值正切运算

SetOperationToATAN2：图像像素值反正切运算

SetOperationToMultiplyByK：图像像素值乘以常数K，需要先调用SetConstantK()设置K值

SetOperationToAddConstant：图像像素值加上常数K，需要先调用SetConstantK()设置K值

SetOperationToReplaceCByK：将图像中像素为C的像素值替换为K，需要先调用SetConstantK()和SetConstantC设置K和C值

5.10.2 逻辑运算

vtkImageLogic接收一个或者两个图像进行布尔逻辑运算，该类主要支持与（AND），或（OR），异或（XOR），与非（NAND），或非（NOR）和非（NOT）。当选择一元操作符时，只对第一个输入图像有效。当选择二元操作符时，两个输入图像的类型必须一致。下面看一个实例。

1: vtkSmartPointer<vtkImageCanvasSource2D>imageSource1 =

2: vtkSmartPointer<vtkImageCanvasSource2D>::New();

3: imageSource1->SetScalarTypeToUnsignedChar();

4: imageSource1->SetNumberOfScalarComponents(1);

5: imageSource1->SetExtent(0,100, 0, 100, 0, 0);

6: imageSource1->SetDrawColor(0.0);

7: imageSource1->FillBox(0,100,0,100);

8: imageSource1->SetDrawColor(255);

9: imageSource1->FillBox(20,60,20,60);

10: imageSource1->Update();

11:

12: vtkSmartPointer<vtkImageCanvasSource2D> imageSource2 =

13: vtkSmartPointer<vtkImageCanvasSource2D>::New();

14: imageSource2->SetNumberOfScalarComponents(1);

15: imageSource2->SetScalarTypeToUnsignedChar();

16: imageSource2->SetExtent(0, 100, 0, 100, 0, 0);

17: imageSource2->SetDrawColor(0.0);

18: imageSource2->FillBox(0,100,0,100);

19: imageSource2->SetDrawColor(255.0);

20: imageSource2->FillBox(40,80,40,80);

21: imageSource2->Update();

22:

23: vtkSmartPointer<vtkImageLogic> imageLogic =

24: vtkSmartPointer<vtkImageLogic>::New();

25: imageLogic->SetInput1(imageSource1->GetOutput());

26: imageLogic->SetInput2(imageSource2->GetOutput());

27: imageLogic->SetOperationToXor();

28: imageLogic->SetOutputTrueValue(128);

29: imageLogic->Update();

上例中首先生成了两个二值图像，两个图像中前景为两个部分重叠矩形。然后定义vtkImageLogic对象，并设置两个图像为输入，SetOperationToXor()设置逻辑操作算子为异或操作，并且SetOutputTrueValue()设置当两个图像对应像素值异或结果为真时的输出像素值，其执行结果如下，可以看成两个矩形的重叠部分像素值相同，因此输出为0；矩形的不重叠部分像素值一个为0，一个为255，因此异或结果为真，那么输出值为128。

图5.24 图像逻辑运算

vtkImageLogic设置逻辑运算的函数有：

SetOperationToAnd():逻辑与操作

SetOperationToOr():逻辑或操作

SetOperationToXor()：逻辑异或

SetOperationToNand()：逻辑与非

SetOperationToNor()：逻辑或非

SetOperationToNot()：逻辑非

5.11 图像二值化

二值图像和label图像是图像分割中经常用到的两种图像。二值图像的每个像素只有两种可能的取值，例如0或者255。通常0代表图像的背景，而255代码图像前景。图像二值化是最简单的图像分割模型。设置一个灰度阈值，将图像中阈值以下的像素值设置为背景，阈值以上的像素值设置为前景，即可得当一副二值图像。在VTK中可以通过vtkImageThreshold类实现图像二值化。

1: vtkSmartPointer<vtkJPEGReader>reader =

2: vtkSmartPointer<vtkJPEGReader>::New();

3: reader->SetFileName("lena2.jpg" );

4: reader->Update();

6: vtkSmartPointer<vtkImageThreshold> thresholdFilter =

7: vtkSmartPointer<vtkImageThreshold>::New();

8: thresholdFilter->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());

9: thresholdFilter->ThresholdByUpper(100);

10: thresholdFilter->SetInValue(255);

11: thresholdFilter->SetOutValue(0);

11: thresholdFilter->Update();

vtkImageThreshold类实现图像的阈值化处理，其功能不仅仅是生成二值图像。在本例中，我们以图像二值化操作为例来介绍该类。vtkImageThreshold类中定义了两个阈值，UpperThreshold和LowerThreshold，这两个值将图像的值域划分为三部分：大于UpperThreshold，小于LowerThreshold，以及位于LowerThreshold和UpperThreshold之间的三段。函数ThresholdByUpper()设置为取大于UpperThreshold的灰度范围为有效范围，并通过函数SetInValue()来设置该范围内的输出值，SetOutValue()设置范围外的输出值，本例中取大于100所有像素输出值为255，而小于100的像素值为0。该例的结果执行如下。

图5.25 图像二值化

另外还有其他两种方式，ThresholdByLower()取小于LowerThreshold的范围为有效范围；ThresholdBetween()取LowerThreshold和UpperThreshold之间的部分为有效范围。另外SetInValue()和SetOutValue()如果不设置的话，图像会按原图输出。可以通过该类来实现图像数据范围的截断操作。

对于二值图像前景由多个对象组成，而每个对象是一个连通分量，对象之间不存在连通关系。在处理图像时，需要将不同的对象分别提取出来或者将不同对象赋一个label值，这样得到的图像成为label图像。目前VTK中没有提取二值图像连通分量的filter以及相应的对二值图像label化的filter。如果要实现该功能，可以考虑与ITK相结合。