使用VTK和Python进行体绘制Volume Rendering

使用VTK和Python进行体绘制

Introduction

科学可视化技术是运用计算机图形学、图像处理、计算机视觉等方法，将科学、工程学、医学等计算、测量过程中的符号、数字信息转换为直观的图形图像，并在屏幕上显示的理论、技术和方法。

体绘制是科学可视化领域中的一个技术方向。如前所述，体绘制的目标是在一副图片上展示空间体细节。举例而言，你面前有一间房子，房子中有家具、家电，站在房子外面只能看到外部形状，无法观察到房子的布局或者房子中的物体；假设房子和房子中的物体都是半透明的，这样你就可以同时查看到所有的细节。这就是体绘制所要达到的效果。

体绘制基本流程如下图
在这里插入图片描述
完成本文的体绘制工作，首先要下载大脑图像数据集，大脑图像数据集下载。使用jupyter notebook进行python代码编写和运行。

Volume Rendering

下面将从在数据集中加载和转换标签字段开始，以使其与将使用的 volume 映射类兼容。然后定义颜色和不透明度传递函数，这是整个 volume 渲染过程中最重要的部分，因为这些函数定义了最终渲染的外观。定义了这些之后，将演示使用 VTK 提供的一些不同 volume 映射类的体绘制，并展示它们的结果。

1. Imports

import os
import numpy
import vtk

其中 vtk 在 Jupyter Notebook 中使用 pip 安装即可

2. Helper-functions

下面定义几个帮助函数：

（1）vtk_show（）
这个函数允许传递一个 vtkRenderer 对象并获得该渲染的 PNG 图像输出，与 IPython Notebook 单元格输出兼容。

from IPython.display import Image
def vtk_show(renderer, width=400, height=300):
    """
    Takes vtkRenderer instance and returns an IPython Image with the rendering.
    """
    renderWindow = vtk.vtkRenderWindow()
    renderWindow.SetOffScreenRendering(1)
    renderWindow.AddRenderer(renderer)
    renderWindow.SetSize(width, height)
    renderWindow.Render()
     
    windowToImageFilter = vtk.vtkWindowToImageFilter()
    windowToImageFilter.SetInput(renderWindow)
    windowToImageFilter.Update()
     
    writer = vtk.vtkPNGWriter()
    writer.SetWriteToMemory(1)
    writer.SetInputConnection(windowToImageFilter.GetOutputPort())
    writer.Write()
    data = str(buffer(writer.GetResult()))
    
    return Image(data)

（2）createDummyRenderer（）
这个函数只是创建一个vtkRenderer对象，设置一些基本属性，并为本文的渲染目的配置相机。由于我们将渲染几个不同的场景，所以为每个案例创建一个新的渲染器和场景比一直移除或添加 actor 更简单，从而使每个渲染独立于其之前的渲染。

def createDummyRenderer():
    renderer = vtk.vtkRenderer()
    renderer.SetBackground(1.0, 1.0, 1.0)

    camera = renderer.MakeCamera()
    camera.SetPosition(-256, -256, 512)
    camera.SetFocalPoint(0.0, 0.0, 255.0)
    camera.SetViewAngle(30.0)
    camera.SetViewUp(0.46, -0.80, -0.38)
    renderer.SetActiveCamera(camera)
    
    return renderer

（3）两个lambda表达式
用于快速将一个 list 或者一个 tuple 转换为一个 numpy 的 n 维数组，反之亦然。

l2n = lambda l: numpy.array(l)
n2l = lambda n: list(n)

3.Options

在 Jupyter Notebook 开头定义一些变量：

# Path to the .mha file
filenameSegmentation = "./nac_brain_atlas/brain_segmentation.mha"

# Path to colorfile.txt 
filenameColorfile = "./nac_brain_atlas/colorfile.txt"

# Opacity of the different volumes (between 0.0 and 1.0)
volOpacityDef = 0.25

filenameSegmentation 用于保存 .mha 文件的位置；该文件在同一文件中同时包含标题和二进制图像数据
filenameColorfile 用于保存 .txt 文件的位置；该文件是附带的颜色文件，它本质上是一个CSV 文件，列出了标签字段中的每个索引以及代表的大脑结构的名称和推荐的 RGB 颜色。
volOpacityDef 稍后在我们为volume映射器定义不透明度传递函数时发挥作用，它是所有渲染大脑结构的基线不透明度。

4. Image-Data Input

根据提供的 .mha 文件加载标签字段
VTK 支持读取 .mha 格式的未压缩 MetaImage 文件，通过 vtkMetaImageReader 类进行读取

reader = vtk.vtkMetaImageReader()
reader.SetFileName(filenameSegmentation)

castFilter = vtk.vtkImageCast()
castFilter.SetInputConnection(reader.GetOutputPort())
castFilter.SetOutputScalarTypeToUnsignedShort()
castFilter.Update()

imdataBrainSeg = castFilter.GetOutput()

读取之后，vtkImageCast 在下方创建一个新对象 castFilter 并将其输入连接到 reader 输出，从而为其提供图像。然后，关键是调用适当的方法来设置输出图像的所需数据类型。在我们的例子中，我们希望输出图像是unsigned short类型的，因此我们调用该SetOutputScalarTypeToUnsignedShort方法。castFilter 随后调用 Update，reader 获取“原始”图像数据，并将其转换为的类型 unsigned short。最后通过检索该数据 GetOutput 并将其存储在 imdataBrainSeg 变量中.

5. Prep-work

（1）Transfer functions： Read colorfile into a dictionary
VTK任何体绘制的外观都归结为定义传递函数。这些传递函数告诉volume映射器要为输出中的每个像素赋予什么颜色和不透明度。

import csv
fid = open(filenameColorfile, "r")
reader = csv.reader(fid)

dictRGB = {
    
    }
for line in reader:
    dictRGB[int(line[0])] = [float(line[2])/255.0,
                             float(line[3])/255.0,
                             float(line[4])/255.0]
fid.close()

循环遍历从颜色文件中读取的每个条目，并创建一个字典dictRGB，其中索引标签充当key，value是一个列表，其中包含分配给该组织的 RGB 颜色。
在这里插入图片描述

（2）Transfer functions ： Define color transfer function
定义一个颜色传递函数。这是 vtkColorTransferFunction 类的一个实例，并充当标量像素值到给定 RBG 颜色的映射。

funcColor = vtk.vtkColorTransferFunction()

for idx in dictRGB.keys():
    funcColor.AddRGBPoint(idx, 
                          dictRGB[idx][0],
                          dictRGB[idx][1],
                          dictRGB[idx][2])

首先创建一个新 vtkColorTransferFunction 的 funcColor，它允许我们创建我们之前讨论过的标签索引颜色映射。然后我们简单地遍历dictRGB之前创建的字典中的所有键，即所有标签索引，并使用 AddRGBPoint 方法添加具有该标签索引和匹配 RGB 颜色的点。

（3）Transfer functions ： Define scalar opacity transfer function
下面需要定义一个标量不透明度函数。我们将使用它来简单地将每个标签与不透明度值匹配。由于我们没有针对不同组织预定义不透明度值，将所有不透明度设置为变量 volOpacityDef 中定义的单个值：

funcOpacityScalar = vtk.vtkPiecewiseFunction()

for idx in dictRGB.keys():
    funcOpacityScalar.AddPoint(idx, volOpacityDef if idx<>0 else 0.0)

请注意，不透明度函数是通过 vtkPiecewiseFunction 定义的，因为它只是定义了一个 1-1 映射。还要注意 AddPoint 添加新点的方法的用法。注意到 0 标签的透明度设置为了 0.0。这意味着我们正在制作background，即分割周围的黑色空白空间，完全不可见（否则我们只会在渲染周围看到一个巨大的黑色块）。

（4）Transfer functions ： Define gradient opacity transfer function
标量不透明度函数简单地为每个像素强度分配一个不透明度值。然而，这通常会导致外观相当均匀的渲染，其中外部组织在图像中占主导地位。这就是渐变不透明度函数发挥作用的地方。通过这样的函数，我们将标量空间梯度（即标量在空间中变化的程度）映射到不透明度乘数。这些梯度在“行进”通过同质区域时趋向于变小，而在穿过不同组织时变大。因此，通过这样的功能，我们可以使组织的“内部”变得相当透明，同时使组织之间的边界更加突出，从而使整个volume的图像更加清晰。

funcOpacityGradient = vtk.vtkPiecewiseFunction()

funcOpacityGradient.AddPoint(1,   0.0)
funcOpacityGradient.AddPoint(5,   0.1)
funcOpacityGradient.AddPoint(100,   1.0)

这个函数也是通过一个vtkPiecewiseFunction对象来定义的。通过这个函数，高于1.0的低梯度的像素，将其不透明度乘以0.0，梯度在1和5之间的像素，其不透明度乘以0.0~0.1，梯度高于5的像素，其透明度将乘以一个大于1的数。

（5）Volume Properties
下面定义 volume 的基本属性，创建和配置一个 vtkVolumeProperty 对象，该对象“代表渲染 volume 的通用属性”：

propVolume = vtk.vtkVolumeProperty()
propVolume.ShadeOff()
propVolume.SetColor(funcColor)
propVolume.SetScalarOpacity(funcOpacityScalar)
propVolume.SetGradientOpacity(funcOpacityGradient)
propVolume.SetInterpolationTypeToLinear()

通过 SetColor ，SetScalarOpacity 和 SetGradientOpacity 方法，把我们之前定义的 funcColor、funcOpacityScalar 和funcOpacityGradient三个传递函数分配给体积属性。最后，对 volume 进行插值。这里选择最近邻插值，通过SetInterpolationTypeToNearest 方法设置，线性插值通过SetInterpolationTypeToLinear方法设置。通常，在处理离散数据时，就像案例中的标签字段一样，我们会选择最近邻插值，因为这样我们就不会引入与任何组织都不匹配的“新”值。

6. Volume Rendering

(1）vtkVolumeRayCastMapper
vtkVolumeRayCastMapper 是 VTK 中的“经典”体绘制类，其将自己宣传为“用于体绘制的缓慢但准确的映射器”。顾名思义，vtkVolumeRayCastMapper该类通过类型为 vtkVolumeRayCastFunction 的合适的光线投射函数进行光线投射的方式来执行体绘制。

vtkVolumeRayCastMapper 包含下面三种：

vtkVolumeRayCastCompositeFunction：根据存储在 volume 的 vtkVolumeProperty 中的属性沿着光线进行合成。
vtkVolumeRayCastMIPFunction：计算沿射线遇到的最大值。
vtkVolumeRayCastIsosurfaceFunction：将射线与标量场中的解析等值面相交。

在本例中，选择 vtkVolumeRayCastCompositeFunction ：

首先通过 vtkVolumeRayCastCompositeFunction 类创建一个名为funcRayCasttype的新对象。然后我们通过SetCompositeMethodToClassifyFirst 方法将函数设置为在插值之前进行的首次像素分类。这使标签保持相对均匀，但如果我们决定采用该方法的另一种SetCompositeMethodToInterpolateFirst 方法，不同的标签会被破坏并且会得到混乱的渲染。

funcRayCast = vtk.vtkVolumeRayCastCompositeFunction()
funcRayCast.SetCompositeMethodToClassifyFirst()

接下来，我们需要创建一个 volume 映射器。先通过 vtkVolumeRayCastMapper 类创建了一个名为 mapperVolume 的新对象，并通过 SetVolumeRayCastFunction 方法将新创建的光线投射函数 funcRayCast 提供给 mapperVolume 。最后，我们将正在渲染的实际图像数据提供给 mapperVolume ，这些数据存储在对象 imdataBrainSeg 中。

mapperVolume = vtk.vtkVolumeRayCastMapper()
mapperVolume.SetVolumeRayCastFunction(funcRayCast)
mapperVolume.SetInput(imdataBrainSeg)

第三步，我们创建一个 vtkVolume 对象，命名为 actorVolume ，这相当于一个 vtkActor 但是用于 volume 数据。我们把映射器映射到 mapperVolume ，把属性设置为我们在准备过程中创建的 vtkVolumeProperty 对象 propVolume。

actorVolume = vtk.vtkVolume()
actorVolume.SetMapper(mapperVolume)
actorVolume.SetProperty(propVolume)

最后，我们只是完成预渲染动作。我们通过在开始时定义的辅助函数 createDummyRenderer 创建一个新的渲染器，并加入actorVolume。

renderer = createDummyRenderer()
renderer.AddActor(actorVolume)

执行

vtk_show(renderer, 800, 800)

输出效果如下图：
在这里插入图片描述
（2）Clipping Plane
由于数据集的组织太多，脑回彼此混合，上图展示出来的不是特别清晰。下面通过裁剪的方式进行优化。
vtkVolumeRayCastMapper 类以及在 VTK 中的volume映射器都支持裁剪，为了使用裁剪，首先需要创建一个具有适当位置和方向的平面：

_origin = l2n(imdataBrainSeg.GetOrigin())
_spacing = l2n(imdataBrainSeg.GetSpacing())
_dims = l2n(imdataBrainSeg.GetDimensions())
_center = n2l(_origin+_spacing*(_dims/2.0))

使用 vtkImageData 的适当方法来检索图像数据的原点坐标、间距和尺寸，并使用 l2n 辅助函数快速将这些列表转换为numpy.ndarray对象，以允许我们和这些数做一些数学运算。然后，计算图像数据的中心坐标并将其存储在 _center 下。

然后我们需要做的就是创建一个新的 vtkPlane，将其原点设置为图像数据的中心，并将其法线设置为负 Z 轴。

planeClip = vtk.vtkPlane()
planeClip.SetOrigin(_center)
planeClip.SetNormal(0.0, 0.0, -1.0)

接下来重复vtkVolumeRayCastMapper过程的代码，唯一区别是将新创建的裁剪平面添加到 volume 映射器：

mapperVolume.AddClippingPlane(planeClip)

执行

vtk_show(renderer, 800, 800)

输出效果如下图：
在这里插入图片描述
（3）vtkVolumeTextureMapper2D
vtkVolumeTextureMapper2D 是另一个 volume 渲染器，它使用完全在 GPU 端发生的基于纹理的体绘制，并在很短的时间内生成更漂亮的渲染。
下面的代码和我们之前的唯一区别是，mapperVolume现在是 vtkVolumeTextureMapper2D，而不是vtkVolumeRayCastMapper。此外，我们没有定义任何光线投射函数，因为这不是此类的操作方式。除了这些差异之外，代码的其余部分与之前相同。

mapperVolume = vtk.vtkVolumeTextureMapper2D()
mapperVolume.SetInput(imdataBrainSeg)
mapperVolume.AddClippingPlane(planeClip)

actorVolume = vtk.vtkVolume()
actorVolume.SetMapper(mapperVolume)
actorVolume.SetProperty(propVolume)

renderer = createDummyRenderer()
renderer.AddActor(actorVolume)

执行

vtk_show(renderer, 800, 800)

输出效果如下图：
在这里插入图片描述