lib/fpa/Filters/Image/ExtractSkeleton.hxx

   1 // =========================================================================
   2 // @author Leonardo Florez Valencia
   3 // @email florez-l@javeriana.edu.co
   4 // =========================================================================
   5 #ifndef __fpa__Filters__Image__ExtractSkeleton__hxx__
   6 #define __fpa__Filters__Image__ExtractSkeleton__hxx__
   7
   8 #include <itkImage.h>
   9 #include <itkImageRegionIteratorWithIndex.h>
  10 #include <itkMinimumMaximumImageCalculator.h>
  11 #include <fpa/Functors/Dijkstra/Invert.h>
  12
  13 // -------------------------------------------------------------------------
  14 template< class _TInputImage, class _TDistanceMap >
  15 fpa::Filters::Image::ExtractSkeleton< _TInputImage, _TDistanceMap >::
  16 _TDijkstra::_TDijkstra( )
  17   : Superclass( )
  18 {
  19   // Prepare weight function
  20   typedef fpa::Functors::Dijkstra::Invert< TScalar > _TWeight;
  21   typename _TWeight::Pointer weight = _TWeight::New( );
  22   weight->SetAlpha( 1 );
  23   weight->SetBeta( 1 );
  24   this->SetWeightFunction( weight );
  25 }
  26
  27 // -------------------------------------------------------------------------
  28 template< class _TInputImage, class _TDistanceMap >
  29 fpa::Filters::Image::ExtractSkeleton< _TInputImage, _TDistanceMap >::
  30 _TDijkstra::~_TDijkstra( )
  31 {
  32 }
  33
  34 // -------------------------------------------------------------------------
  35 template< class _TInputImage, class _TDistanceMap >
  36 void fpa::Filters::Image::ExtractSkeleton< _TInputImage, _TDistanceMap >::
  37 _TDijkstra::_BeforeGenerateData( )
  38 {
  39   this->Superclass::_BeforeGenerateData( );
  40   this->m_SkeletonQueue.clear( );
  41 }
  42
  43 // -------------------------------------------------------------------------
  44 template< class _TInputImage, class _TDistanceMap >
  45 void fpa::Filters::Image::ExtractSkeleton< _TInputImage, _TDistanceMap >::
  46 _TDijkstra::_PostComputeOutputValue( TNode& n )
  47 {
  48   typedef typename _TSkeletonQueue::value_type _TSkeletonQueueValue;
  49
  50   this->Superclass::_PostComputeOutputValue( n );
  51   double d = double( this->GetInput( )->GetPixel( n.Vertex ) );
  52   if( d >= double( 0 ) )
  53   {
  54     // Update skeleton candidates
  55     d += double( 1e-5 );
  56     double v = double( n.Value ) / ( d * d );
  57     this->m_SkeletonQueue.insert( _TSkeletonQueueValue( v, n.Vertex ) );
  58
  59   } // fi
  60 }
  61
  62 // -------------------------------------------------------------------------
  63 template< class _TInputImage, class _TDistanceMap >
  64 itk::ModifiedTimeType
  65 fpa::Filters::Image::ExtractSkeleton< _TInputImage, _TDistanceMap >::
  66 GetMTime( ) const
  67 {
  68   itk::ModifiedTimeType t = this->Superclass::GetMTime( );
  69   itk::ModifiedTimeType q = this->m_DistanceMap->GetMTime( );
  70   return( ( q < t )? q: t );
  71 }
  72
  73 // -------------------------------------------------------------------------
  74 template< class _TInputImage, class _TDistanceMap >
  75 void fpa::Filters::Image::ExtractSkeleton< _TInputImage, _TDistanceMap >::
  76 SetInput( TInputImage* input )
  77 {
  78   this->Superclass::SetNthInput( 0, input );
  79 }
  80
  81 // -------------------------------------------------------------------------
  82 template< class _TInputImage, class _TDistanceMap >
  83 typename fpa::Filters::Image::ExtractSkeleton< _TInputImage, _TDistanceMap >::
  84 TInputImage* fpa::Filters::Image::ExtractSkeleton< _TInputImage, _TDistanceMap >::
  85 GetInput( )
  86 {
  87   return( dynamic_cast< TInputImage* >( this->Superclass::GetInput( 0 ) ) );
  88 }
  89
  90 // -------------------------------------------------------------------------
  91 template< class _TInputImage, class _TDistanceMap >
  92 const typename fpa::Filters::Image::ExtractSkeleton< _TInputImage, _TDistanceMap >::
  93 TInputImage* fpa::Filters::Image::ExtractSkeleton< _TInputImage, _TDistanceMap >::
  94 GetInput( ) const
  95 {
  96   return(
  97     dynamic_cast< const TInputImage* >( this->Superclass::GetInput( 0 ) )
  98     );
  99 }
 100
 101 // -------------------------------------------------------------------------
 102 template< class _TInputImage, class _TDistanceMap >
 103 typename fpa::Filters::Image::ExtractSkeleton< _TInputImage, _TDistanceMap >::
 104 TSkeleton* fpa::Filters::Image::ExtractSkeleton< _TInputImage, _TDistanceMap >::
 105 GetOutput( )
 106 {
 107   return( dynamic_cast< TSkeleton* >( this->Superclass::GetOutput( 0 ) ) );
 108 }
 109
 110 // -------------------------------------------------------------------------
 111 template< class _TInputImage, class _TDistanceMap >
 112 const typename fpa::Filters::Image::ExtractSkeleton< _TInputImage, _TDistanceMap >::
 113 TSkeleton* fpa::Filters::Image::ExtractSkeleton< _TInputImage, _TDistanceMap >::
 114 GetOutput( ) const
 115 {
 116   return(
 117     dynamic_cast< const TSkeleton* >( this->Superclass::GetOutput( 0 ) )
 118     );
 119 }
 120
 121 // -------------------------------------------------------------------------
 122 template< class _TInputImage, class _TDistanceMap >
 123 fpa::Filters::Image::ExtractSkeleton< _TInputImage, _TDistanceMap >::
 124 ExtractSkeleton( )
 125   : Superclass( ),
 126     m_SeedFromMaximumDistance( false )
 127 {
 128   this->SetNumberOfRequiredInputs( 1 );
 129   this->SetNumberOfRequiredOutputs( 1 );
 130   this->SetNthOutput( 0, TSkeleton::New( ) );
 131
 132   this->m_DistanceMap = TDistanceMap::New( );
 133 }
 134
 135 // -------------------------------------------------------------------------
 136 template< class _TInputImage, class _TDistanceMap >
 137 fpa::Filters::Image::ExtractSkeleton< _TInputImage, _TDistanceMap >::
 138 ~ExtractSkeleton( )
 139 {
 140 }
 141
 142 // -------------------------------------------------------------------------
 143 template< class _TInputImage, class _TDistanceMap >
 144 void fpa::Filters::Image::ExtractSkeleton< _TInputImage, _TDistanceMap >::
 145 GenerateData( )
 146 {
 147   // Update distance map
 148   this->m_DistanceMap->SetInput( this->GetInput( ) );
 149   this->m_DistanceMap->Update( );
 150
 151   // Correct seed
 152   if( this->m_SeedFromMaximumDistance )
 153   {
 154     typedef itk::MinimumMaximumImageCalculator< TOutputImage > _TMinMax;
 155     typename _TMinMax::Pointer minmax = _TMinMax::New( );
 156     minmax->SetImage( this->m_DistanceMap->GetOutput( ) );
 157     minmax->Compute( );
 158     this->m_Seed = minmax->GetIndexOfMaximum( );
 159
 160   } // fi
 161
 162   // Compute MST
 163   typename _TDijkstra::Pointer dijkstra = _TDijkstra::New( );
 164   dijkstra->SetInput( this->m_DistanceMap->GetOutput( ) );
 165   dijkstra->AddSeed( this->m_Seed );
 166   dijkstra->Update( );
 167
 168   // Compute end-points
 169   const _TMST* mst = dijkstra->GetMinimumSpanningTree( );
 170   std::vector< TIndex > end_points;
 171   this->_EndPoints(
 172     end_points, this->m_DistanceMap->GetOutput( ),
 173     mst, dijkstra->GetSkeletonQueue( )
 174     );
 175   this->m_EndPoints = end_points;
 176
 177   // Compute symbolic branches
 178   typedef std::map< TIndex, TIndex, typename TIndex::LexicographicCompare > _TTags;
 179   _TTags tags, branches;
 180   typename std::vector< TIndex >::const_iterator eIt = end_points.begin( );
 181   for( ; eIt != end_points.end( ); ++eIt )
 182   {
 183     // Tag path
 184     TIndex it = *eIt;
 185     TIndex p = mst->GetParent( it );
 186     typename _TTags::iterator bIt = tags.end( );
 187     while( it != p && bIt == tags.end( ) )
 188     {
 189       typename _TTags::iterator tIt = tags.find( it );
 190       if( tIt != tags.end( ) )
 191       {
 192         // Ok, a bifurcation point has been found
 193         // branch1: tIt->second <-> it (ok)
 194         branches[ tIt->second ] = it;
 195
 196         // branch2: *eit <-> it (ok)
 197         branches[ *eIt ] = it;
 198
 199         // branch3: it <-> until next bifurcation
 200         bIt = tIt;
 201       }
 202       else
 203         tags[ it ] = *eIt;
 204       it = p;
 205       p = mst->GetParent( it );
 206
 207     } // elihw
 208     if( bIt != tags.end( ) )
 209     {
 210       TIndex pTag = bIt->second;
 211       TIndex nTag = bIt->first;
 212       it = bIt->first;
 213       p = it;
 214       while( tags[ it ] == pTag )
 215       {
 216         tags[ it ] = nTag;
 217         p = it;
 218         it = mst->GetParent( it );
 219
 220       } // elihw
 221       tags[ it ] = nTag;
 222       branches[ bIt->first ] = p;
 223     }
 224     else
 225     {
 226       tags[ it ] = *eIt;
 227       branches[ *eIt ] = it;
 228
 229     } // fi
 230
 231   } // rof
 232
 233   // Fill full branches
 234   typedef typename _TMST::TVertices _TVertices;
 235   typedef typename TSkeleton::TPath _TPath;
 236
 237   TSkeleton* sk = this->GetOutput( );
 238   typename _TTags::const_iterator bIt = branches.begin( );
 239   for( ; bIt != branches.end( ); ++bIt )
 240   {
 241     _TVertices v = mst->GetAxis( bIt->first, bIt->second );
 242     typename _TPath::Pointer path = _TPath::New( );
 243     path->SetReferenceImage( this->GetInput( ) );
 244     typename _TVertices::const_reverse_iterator vIt = v.rbegin( );
 245     for( ; vIt != v.rend( ); ++vIt )
 246       path->AddVertex( *vIt );
 247     sk->AddBranch( path );
 248
 249   } // rof
 250 }
 251
 252 // -------------------------------------------------------------------------
 253 template< class _TInputImage, class _TDistanceMap >
 254 template< class _TMarksPointer >
 255 void fpa::Filters::Image::ExtractSkeleton< _TInputImage, _TDistanceMap >::
 256 _MarkSphere(
 257   _TMarksPointer& marks, const TOutputImage* dmap, const TIndex& center
 258   )
 259 {
 260   typedef typename _TMarksPointer::ObjectType          _TMarks;
 261   typedef itk::ImageRegionIteratorWithIndex< _TMarks > _TMarksIt;
 262
 263   static const double _eps = std::sqrt( double( Self::Dimension + 1 ) );
 264   typename _TMarks::SpacingType spac = dmap->GetSpacing( );
 265   typename _TMarks::RegionType region = dmap->GetRequestedRegion( );
 266
 267   typename _TMarks::PointType cnt;
 268   dmap->TransformIndexToPhysicalPoint( center, cnt );
 269   double r = double( dmap->GetPixel( center ) ) * _eps;
 270
 271   TIndex i0, i1;
 272   for( unsigned int d = 0; d < Self::Dimension; ++d )
 273   {
 274     long off = long( std::ceil( r / double( spac[ d ] ) ) );
 275     if( off < 3 )
 276       off = 3;
 277     i0[ d ] = center[ d ] - off;
 278     i1[ d ] = center[ d ] + off;
 279
 280     if( i0[ d ] < region.GetIndex( )[ d ] )
 281       i0[ d ] = region.GetIndex( )[ d ];
 282
 283     if( i1[ d ] >= region.GetIndex( )[ d ] + region.GetSize( )[ d ] )
 284       i1[ d ] = region.GetIndex( )[ d ] + region.GetSize( )[ d ] - 1;
 285
 286   } // rof
 287
 288   typename _TMarks::SizeType size;
 289   for( unsigned int d = 0; d < Self::Dimension; ++d )
 290     size[ d ] = i1[ d ] - i0[ d ] + 1;
 291
 292   typename _TMarks::RegionType neighRegion;
 293   neighRegion.SetIndex( i0 );
 294   neighRegion.SetSize( size );
 295
 296   _TMarksIt mIt( marks, neighRegion );
 297   for( mIt.GoToBegin( ); !mIt.IsAtEnd( ); ++mIt )
 298     mIt.Set( true );
 299 }
 300
 301 // -------------------------------------------------------------------------
 302 template< class _TInputImage, class _TDistanceMap >
 303 void fpa::Filters::Image::ExtractSkeleton< _TInputImage, _TDistanceMap >::
 304 _EndPoints(
 305   std::vector< TIndex >& end_points,
 306   const TOutputImage* dmap,
 307   const _TMST* mst,
 308   const _TSkeletonQueue& queue
 309   )
 310 {
 311   typedef typename _TSkeletonQueue::value_type _TSkeletonQueueValue;
 312
 313   // Some values
 314   typedef itk::Image< bool, Self::Dimension > _TMarks;
 315   typename _TMarks::Pointer marks = _TMarks::New( );
 316   marks->SetLargestPossibleRegion( mst->GetLargestPossibleRegion( ) );
 317   marks->SetRequestedRegion( mst->GetRequestedRegion( ) );
 318   marks->SetBufferedRegion( mst->GetBufferedRegion( ) );
 319   marks->SetSpacing( mst->GetSpacing( ) );
 320   marks->SetOrigin( mst->GetOrigin( ) );
 321   marks->SetDirection( mst->GetDirection( ) );
 322   marks->Allocate( );
 323   marks->FillBuffer( false );
 324
 325   // Get candidates in maximum to minimum iteration
 326   typename _TSkeletonQueue::const_reverse_iterator nIt = queue.rbegin( );
 327   for( ; nIt != queue.rend( ); ++nIt )
 328   {
 329     // Mark it and update end-points
 330     if( !( marks->GetPixel( nIt->second ) ) )
 331     {
 332       marks->SetPixel( nIt->second, true );
 333       end_points.push_back( nIt->second );
 334
 335       // Mark path
 336       TIndex it = nIt->second;
 337       TIndex p = mst->GetParent( it );
 338       while( it != p )
 339       {
 340         this->_MarkSphere( marks, dmap, it );
 341         it = p;
 342         p = mst->GetParent( it );
 343
 344       } // elihw
 345       this->_MarkSphere( marks, dmap, it );
 346
 347     } // fi
 348
 349   } // rof
 350 }
 351
 352 #endif // __fpa__Filters__Image__ExtractSkeleton__hxx__
 353
 354 // eof - $RCSfile$