Python使用VTK对容积超声图像进行体绘制(三维重建)

2023-10-13 09:20

本文主要是介绍Python使用VTK对容积超声图像进行体绘制(三维重建),希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

目录

    • VTK简介
    • 什么是体绘制?
    • 体绘制效果图
    • 流程
    • 安装VTK
    • Code
    • Q&A
    • Reference
    • 更新记录

VTK简介

VTK(Visualization Toolkit)是一个用于3D计算机图形学、图像处理和可视化的开源软件包。它包括一组C++类和工具,可以让用户创建和处理复杂的3D图形和数据可视化。VTK提供了多种算法,如体绘制、剪切、切片、等值面、等值线、流线、轮廓线、纹理映射等,可以处理各种类型的数据,包括体数据、网格数据、点云数据等。VTK也提供了Python、Java等多种编程语言的接口,方便用户在不同的环境中使用。
VTK的应用十分广泛,包括医学图像处理、工程和科学可视化、计算流体动力学、地球科学、物理模拟等领域。由于其开源和免费的特点,VTK被广泛应用于学术界和工业界,并得到了许多用户和贡献者的支持和发展。

什么是体绘制?

体绘制(Voxel-Based Volume Rendering),也称为三维重建(区别于投影图像的三维重建),直接利用体数据来生成二维图像的绘制技术。与面绘制(Surface Rendering)不同的是体绘制技术不需要提取体数据内部的等值面,它是一个对三维体数据进行采样和合成的过程。体绘制能够通过设置不透明度值来显示体数据内部的不同成分和细节。常用于人体CT图像通过设置不透明度来显示各种器官与组织。总的来说体绘制是包含体数据,而面绘制则是让整个模型由多种多边形构成模型表面,但内部是空的,想要看到模型各个切面的数据还是需要使用体绘制。

体绘制效果图

超声图像大小尺寸为 208 x 240,切面一共176张,往z轴延伸。
体绘制

流程

VTK体绘制渲染管线

1. 将多张图像转化为vtkImageData
2. 使用体绘制算法,本文用的是vtkGPUVolumeRayCastMapper
3. vtkVolume
4. vtkRenderer
5. vtkRenderWindow
vtkVolumeProperty设置颜色与不透明度
SetColor
SetScalarOpacity

安装VTK

本文测试时VTK版本为9.2.5。若提示函数不存在的情况请检查本地版本对应函数是否废弃。

pip install vtk

Code

import vtk
import vtkmodules# 定义图片读取接口
# 读取PNG图片就换成PNG_Reader = vtk.vtkPNGReader()
Jpg_Reader = vtk.vtkJPEGReader()
Jpg_Reader.SetNumberOfScalarComponents(1)
Jpg_Reader.SetFileDimensionality(3)  # 说明图像是三维的
# 定义3D模型大小,图像大小尺寸为 208 x 240, 一共176张
# 定义范围从0开始
Jpg_Reader.SetDataExtent(0, 207, 0, 239, 0, 175)
# 设置图像的存放位置
Jpg_Reader.SetFilePrefix("./imgs/")
# 迭代文件中所有图像, 图像命名格式为: 000.jpg开始到175.jpg, 03d代表三位字符串, 不够三位则左侧补0
Jpg_Reader.SetFilePattern("%s%03d.jpg")
Jpg_Reader.Update()
# 二进制数据排序按小端(LittleEndian)规则
Jpg_Reader.SetDataByteOrderToLittleEndian()
# 图像处理结束# 创建一个vtkRenderer对象,用于显示渲染结果
renderer = vtk.vtkRenderer()# 创建一个vtkRenderWindow对象,用于显示vtkRenderer对象中的内容
render_window = vtk.vtkRenderWindow()
render_window.AddRenderer(renderer)# 创建一个vtkRenderWindowInteractor对象,用于处理交互事件
interactor = vtk.vtkRenderWindowInteractor()
interactor.SetRenderWindow(render_window)# 3D高斯平滑 2023/03/24新增
smoother = vtkmodules.vtkImagingGeneral.vtkImageGaussianSmooth()
smoother.SetDimensionality(3)
smoother.SetStandardDeviation(2, 2, 2)
smoother.SetInputData(Jpg_Reader.GetOutput())
smoother.Update()# 应用体绘制算法,生成三维模型
volume_mapper = vtk.vtkGPUVolumeRayCastMapper()
# Jpg_Reader.GetOutput()的输出为vtkImageData
volume_mapper.SetInputData(smoother.GetOutput())# 定义颜色映射
color_transfer_function = vtk.vtkColorTransferFunction()
# 越接近黑色0越暗, 越接近白色255越亮
color_transfer_function.AddRGBPoint(0, 0.0, 0.0, 0.0)
color_transfer_function.AddRGBPoint(255, 1.0, 1.0, 1.0)# 设置不透明度函数
opacity_transfer_function = vtk.vtkPiecewiseFunction()
# 把像素值低于15的设置为透明, 去除黑色0, 白色255则不透明
threshold = 15
opacity_transfer_function.AddPoint(threshold , 0.0)
opacity_transfer_function.AddPoint(255, 1.0)# 设置vtkVolume参数
volume_property = vtk.vtkVolumeProperty()
volume_property.SetColor(color_transfer_function)
volume_property.SetScalarOpacity(opacity_transfer_function)
# 是否开启阴影
# volume_property.ShadeOn()
# 设置线性插值方式
volume_property.SetInterpolationTypeToLinear()# 将vtkVolumeMapper、vtkVolumeProperty和vtkVolume组合在一起
volume = vtk.vtkVolume()
volume.SetMapper(volume_mapper)
volume.SetProperty(volume_property)renderer.AddVolume(volume)
# 设置背景为白色
renderer.SetBackground(1.0, 1.0, 1.0)# 显示渲染结果
render_window.Render()
interactor.Start()

Q&A

  1. Q: 如何过滤VTK模型中的背景/黑色部分/空气部分?
    A: 给vtkVolume的Property通过SetScalarOpacity函数设置opacity_transfer_function,给不需要显示的组织的对应像素设置透明度为0即可过滤对应组织。

体绘制数据使用vtkImageData储存,不过滤黑色像素就会像下图一样显示为一个长方体。
不过滤就是一个黑色长方体

Reference

  1. 《VTK图形图像开发进阶》- 张晓东 罗火灵编著

更新记录

  • 2023/03/24 新增3D高斯平滑处理,让模型边缘更为平滑

这篇关于Python使用VTK对容积超声图像进行体绘制(三维重建)的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/202247

相关文章

Python函数作用域示例详解

《Python函数作用域示例详解》本文介绍了Python中的LEGB作用域规则,详细解析了变量查找的四个层级,通过具体代码示例,展示了各层级的变量访问规则和特性,对python函数作用域相关知识感兴趣... 目录一、LEGB 规则二、作用域实例2.1 局部作用域(Local)2.2 闭包作用域(Enclos

Linux中压缩、网络传输与系统监控工具的使用完整指南

《Linux中压缩、网络传输与系统监控工具的使用完整指南》在Linux系统管理中,压缩与传输工具是数据备份和远程协作的桥梁,而系统监控工具则是保障服务器稳定运行的眼睛,下面小编就来和大家详细介绍一下它... 目录引言一、压缩与解压:数据存储与传输的优化核心1. zip/unzip:通用压缩格式的便捷操作2.

Python实现对阿里云OSS对象存储的操作详解

《Python实现对阿里云OSS对象存储的操作详解》这篇文章主要为大家详细介绍了Python实现对阿里云OSS对象存储的操作相关知识,包括连接,上传,下载,列举等功能,感兴趣的小伙伴可以了解下... 目录一、直接使用代码二、详细使用1. 环境准备2. 初始化配置3. bucket配置创建4. 文件上传到os

使用Python实现可恢复式多线程下载器

《使用Python实现可恢复式多线程下载器》在数字时代,大文件下载已成为日常操作,本文将手把手教你用Python打造专业级下载器,实现断点续传,多线程加速,速度限制等功能,感兴趣的小伙伴可以了解下... 目录一、智能续传:从崩溃边缘抢救进度二、多线程加速:榨干网络带宽三、速度控制:做网络的好邻居四、终端交互

Python中注释使用方法举例详解

《Python中注释使用方法举例详解》在Python编程语言中注释是必不可少的一部分,它有助于提高代码的可读性和维护性,:本文主要介绍Python中注释使用方法的相关资料,需要的朋友可以参考下... 目录一、前言二、什么是注释?示例:三、单行注释语法:以 China编程# 开头,后面的内容为注释内容示例:示例:四

Python中win32包的安装及常见用途介绍

《Python中win32包的安装及常见用途介绍》在Windows环境下,PythonWin32模块通常随Python安装包一起安装,:本文主要介绍Python中win32包的安装及常见用途的相关... 目录前言主要组件安装方法常见用途1. 操作Windows注册表2. 操作Windows服务3. 窗口操作

Python中re模块结合正则表达式的实际应用案例

《Python中re模块结合正则表达式的实际应用案例》Python中的re模块是用于处理正则表达式的强大工具,正则表达式是一种用来匹配字符串的模式,它可以在文本中搜索和匹配特定的字符串模式,这篇文章主... 目录前言re模块常用函数一、查看文本中是否包含 A 或 B 字符串二、替换多个关键词为统一格式三、提

python常用的正则表达式及作用

《python常用的正则表达式及作用》正则表达式是处理字符串的强大工具,Python通过re模块提供正则表达式支持,本文给大家介绍python常用的正则表达式及作用详解,感兴趣的朋友跟随小编一起看看吧... 目录python常用正则表达式及作用基本匹配模式常用正则表达式示例常用量词边界匹配分组和捕获常用re

Go语言数据库编程GORM 的基本使用详解

《Go语言数据库编程GORM的基本使用详解》GORM是Go语言流行的ORM框架,封装database/sql,支持自动迁移、关联、事务等,提供CRUD、条件查询、钩子函数、日志等功能,简化数据库操作... 目录一、安装与初始化1. 安装 GORM 及数据库驱动2. 建立数据库连接二、定义模型结构体三、自动迁

python实现对数据公钥加密与私钥解密

《python实现对数据公钥加密与私钥解密》这篇文章主要为大家详细介绍了如何使用python实现对数据公钥加密与私钥解密,文中的示例代码讲解详细,感兴趣的小伙伴可以跟随小编一起学习一下... 目录公钥私钥的生成使用公钥加密使用私钥解密公钥私钥的生成这一部分,使用python生成公钥与私钥,然后保存在两个文