lib/fpa/Image/SkeletonFilter.hxx

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