（生物医学工程专业论文）基于小波技术的医学图像压缩与编码技术研究.pdf

菁莨垒太冬 多小波引入医学图像压缩领域的可能性，实验表明，在压缩比相同的条件下， 多小波压缩图像的峰值信噪比高于单小波的情况。但多小波也有其明显的缺 点，运算复杂，计算量大和不能实现无损的变换限制了其应用的范围。 编码阶段是决定变换系数的取舍和影响重构图像质量的阶段，是真正的 “压缩”阶段。本文提出了一种改进的定序s p i h t 编码算法，大大简化了标 准s p i h t 算法复杂的扫描和判别过程，而且可以实现图像质量渐进提高的编 码和对图像感兴趣区域的压缩编码( 即对用户指定的感兴趣区域中的内容可 获得比背景更高直至无损的重建质量) 。由于该编码方法对系数矩阵的扫描顺 序是固定的，没有复杂的判别过程，因此也很方便用硬件来实现。 实验表明，这些算法的实现提高了医学图像压缩的性能，在提高计算速 度和简化算法的同时获得了较现有d i c o m 压缩算法更好的图像重建质量。土卫， 关键词：医学图像芦小波压缩尹唾亟j 谪霸圣唠璁g q m ! 缝毋艘l 望曼兰查垂受要歪哆 一l t h e s t u d y o fw a v e l e tb a s e dm e d i c a li m a g e c o m p r e s s i o n a n d c o d i n g a b s t r a c t p r o g r e s s i nt h ea r to fc o m p u t e rs c i e n c e c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o n t h e o r yh a sp r o m p t e d t h em e d i c a li m a g ed e v e l o p m e n t ，r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n d i g i t a lm e d i c a li m a g eh a sp l a y e da s a s i g n i f i c a n tr o l e i nh o s p i t a li n f o r m a t i o n ， t e l e m e d i c i n ea n do t h e ra p p l i c a t i o n s a l lo ft h e s eb a s e do nt h er e a lt i m es a v i n g ， p r o c e s s i n ga n dt r a n s m i s s i o no fv a s to f n u m b e rm e d i c a li m a g e s a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t so fg e n e r a ld i g i t a l h e a l t h c a r ee n v i r o n m e n t ，t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e d o nw a v e l e t b a s e dm e d i c a li m a g ec o m p r e s s i o na n dc o d i n g ，i tc o m b i n e dt h et h e o r y a n da l g o r i t h m sd e s i g n ，a n dc o r r e s p o n d i n gi m p r o v e m e n t sw e r ep r e s e n t e d d i c o mi sa ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r df o r d i g i t a l m e d i c a l i m a g e c o m m u n i c a t i o n i ts h o u l db ec o m p l i e di nm e d i c a li m a g ec o m p r e s s i o ns t u d y i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，d i c o m2 0 0 0f r a m e w a si n t r o d u c e da n dt h e nal o c a lc o n t e n t s s e l f - a d a p t i n g m e t h o df o r t h ed i c o mw i n d o wl e v e la n dw i d t ha d j u s t i n gw a s p r e s e n t e d u s e r sc a ne a s i l ya d j u s tt h ep a r a m e t e r so f d i c o mw a t c hw i n d o wt ot h e r i g h tv a l u e s i n c et h et r u n c a t e d - e r r o r ，t r a n s f o r mb a s e di m a g ec o m p r e s s i o nm e t h o dw i l l l o s es o m eu s e f u li n f o r m a t i o n t h el o s so f t e nw a st a k e nc a r eb ym e d i c a li m a g e u s e r s h o wt od e c r e a s eo ra v o i dt h ei n f o r m a t i o nl o s so f i m a g et r a n s f o r mi sav e r y i m p o r t a n ta n di n t r a c t a b l ep r o b l e m i nm e d i c a li m a g ec o m p r e s s i o n i nt h es t u d yo f w a v e l e t - b a s e di m a g e c o m p r e s s i o n ，t h em a l l a tf a s ta l g o r i t h mw a sc o m m o n l y u s e d b u tt h i sa l g o r i t h mw i l lb r i n g st r u n c a t e d e r r o ri n t ot h er e c o n s t r u c t e di m a g e s ，i tw a s u n f i tf o rt h em e d i c a li m a g ec o m p r e s s i o nt h a tw a se x i g e n t l yi nr e c o n s t r u c t i o n i m a g eq u a l i t y a i m e da tt h i sq u e s t i o n ，am e t h o dt h a t “e x t e n d s t h el e n g t ho fs i g n a l t o d e p r e s s t h ec o n v o l u t i o nt r u n c a t e d e r r o rw a s p r o p o s e d t h i s m e t h o dw i l l i n c r e a s et h er e c o n s t r u c t i o n q u a l i t y o fw a v e l e t - t r a n s f o r m e d i m a g e s a n dw i l l c o n d u c tt or e d u c et h ei n f o r m a t i o nl o s si ni m a g ec o m p r e s s i o n l i f t i n gs c h e m ei s av e r yn e ww a v e l e tt r a n s f o r ma l g o r i t h mt h a tw a sf i r s t p r e s e n t e d i n1 9 9 8 t h i sm e t h o d g r e a t l y r e d u c e dt h e c o m p l e x i t y o fw a v e l e t t r a n s f o r ma l g o r i t h mt h r o u g ht h er e p e t i t i o ns t e p so fp r e d i c t i o na n du p d a t e i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，d 9 7a n ds + pi n t e g e rw a v e l e tt r a n s f o r m a t i o nw e r ei m p l e m e n t e di n l i f t i n gs c h e m em e t h o d c o m p a r e dw i t hm a l l a ta l g o r i t h m ，o u rm e t h o ds h o w e d t h a ti tw a s o b v i o u s l yg o o di nt e r m so fs p e e da n dr e s u l t s c o m p a r e d w i t h s i n g l e w a v e l e t ，m u l t i w a v e l e t i s p e r f o r m s b e t t e ri n j 膏交互鼻警 c o m b i n i n gs m o o t h n e s s ，c o m p a c ts u p p o r t i n g ，o r t h o g o n a l i t y a n ds y m m e t r y i th a s h i g h - e n e r g y c o n c e n t r i c i t yp e r f o r m a n c e t h e f e a s i b i l i t y o fi n t r o d u c t i o nt h e m u l t i w a v e l e tm e t h o di nt h ef i e l do fm e d i c a li m a g ec o m p r e s s i o nw a sd i s c u s s e di n t h i sd i s s e r t a t i o n o u rr e s u l t si n d i c a t e dt h a to nt h ec o n d i t i o no fs a m ec o m p r e s s i o n r a t i o ，t h ep s n ro fm u l t i w a v e l e ti m a g ec o m p r e s s i o nw a sh i g h e rt h a nt h a to ft h e s i n g l ew a v e l e tc o m p r e s s i o n b u tm u l t i w a v e l e tc l e a rh a di t sd i s a d v a n t a g e ，n a m e l y c o m p l e x i t yo ft h ea l g o r i t h m ，l a r g e a m o u n td a t aa n dl o s so fd e t a i l sl i m i t e di t s a p p l i c a t i o nr a n g e q u a n t i z a t i o na n dc o d i n ga r et h ec r u xp h a s e so fc o m p r e s s i o n f i x e ds c a n o r d e rs p i h tc o d i n ga l g o r i t h mw a sf i r s ti n t r o d u c e d t h i sm e t h o dr e d u c e dt h e c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo fs t a n d a r ds p i h ta n d c a l li m p l e m e n tt h ep r o g r e s s i v e c o d i n ga n dr o ic o d i n g s i n c e t h i sm e t h o ds c a n st h ew a v e l e tc o e f f i c i e n tm a t r i xi n f i x e do r d e r , w h i c ho m i t st h ec o m p l i c a t e dj u d g m e n t ，i tc a n e a s i l yb ei m p l e m e n t e d j nh a r d w a r e o u re x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t e dt h a ta l lo ft h e s ea l g o r i t h m sc o u l di m p r o v e t h e p e r f o r m a n c e o fm e d i c a l i m a g ec o m p r e s s i o n i n o p e r a t i o ns p e e d a n d r e c o n s t r u c t i o nq u a l i t y k e yw o r d s ：m e d i c a li m a g e ，w a v e l e t ，c o m p r e s s i o n ，d i c o m ，c o d i n g ，s p i h t l i f t i n gs c h e m e 着戈毛走警 器爻赵太滢 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者( 签名) ： 名二氏 日期：2 0 0 2 年8 月1 日 孓蕾戈是表冬： 蓠爻垒太浮 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者( 签名) ： 生丛 日期：2 0 0 2 年8 月1 日 指导教师( 签名) ： 姜峻二 日期：2 0 0 2 年8 月1 日 蒂莨玺太冬 a c r ：a m e r i c a nc o l l e g eo f r a d i o l o g y 美国放射协会 b p p , b i tp e rp i x e l 每个像素占用的比特数 c r ：c o m p u t e d r a d i o l o g y f i l m 计算机放射摄影 c t ：c o m p u t e dt o m o g r a p h y 计算机断层扫描成像法 d c t ：d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m 离散余弦变换 d f t ：d i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r m 离散傅利叶变换 d i c o m ：d i g i t a li m a g i n g a n dc o m m u n i c a t i o ni nm e d i c a l 医学数字成像与通讯标准 d i m s e ：d i c o m m e s s a g e s e r v i c e e l e m e n td i c o m 服务元素 d p c m ：d i f f e r e n t i a l p u k ec o d em o d u l a t i o n 差分脉冲编码调制 d r f ：d 辔f t a lr a 讲o l o g yf i l m 数字放射投影 d w t ：d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m 离散小波变换 e z w ：e m b e d d e d z e r ot r e ew a v e l e t 嵌入式零树小波编码方法 f f t ：f a s t f o u r i e rt r a n s f o r m 快速傅利叶变换 h l 7 ：h e a l t h c a r e i n d u s t r y l e v e l7 i n t e r f a c e s t a n d a r d 保健行业七级界面标准 h v s ：h u m a nw z s u a l s y s t e m 人眼视觉系统 i d w t ：i n v e r t d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m 反向小波变换 i o d ：i n f o r m a t i o no b j e c t d e f i n e 信息对象定义 1 w t ：i n t e g e rw a v e l e tt r a n s f o r m 整型小波变换 j p e g ：j o m t p h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p 联合图像专家组标准 l s ：l i f t i n gs c h e m e 提升法 m d l ：m i n i m u md e s c r i b el e n g t h 最短描述长度准则 m p e g ：m o t i o np i c t u r e se x p e r tg r o u p 活动图片专家组 m r hm a g n e t i c r e s o n a n c e i m a g i n g 磁共振成像 m s e ：m e a n s q u a r ee r r o r 均方误差 n m s e ：n o r m a l m e a ns q u a r e e r r o r 归一化均方误差 n e m a ：n a t i o n a l e l e c t r i c a l m a n u f a c t u r e r s a s s o c i a t i o n 美国国家电器设备制造商协会 n m ：n u c 趾a r m e d i c i n e 核医学成像 p a c s ：p i c t u r e a c h i e v i n g a n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 图像归档与通讯系统 p e t ：p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y 正电子发射成像 p s n r ：p e a k s i g n a l - n o i s e r a t e 峰值信噪比 q m f ：q u a d r a t u r e m i r r o r f i l t e r 正交镜像滤波器 q m f b ：q u a d r a t u r em i r r o r f i l t e r b a n d 正交镜像滤波器组 r l e ：r u n l e n g t he n c o d i n g 行长编码 善趸盒鼻冬 r o hr e g i o no f i n t e r e s t 感兴趣区域，目标区域 s c p ：s e r v i c ec l a s sp r o v i d e r 服务提供者 s c u ：s e r v i c ec l a s su s e r 服务使用者 s o p ：s e r v i c e o b j e c tp a i r 服务对象对 s p i h t ：s e t p a r t i t i o n i n g i n h i e r a r c h i c a lt r e e s 基于层次树的集划分编码 t c p i p ：t r a n s m i s s i o nc o n t r o l p r o t o c o l i n t e r n e t p r o t o c o l 传输控制协议，互联网协议 u i d ：u n i q u pi d e n t i f i e r 唯一识别符 u l ：u p p e rl a y e r 上层服务 u s ：u l t r a s o u n d 超声( 成像) v r ：v a l u e r e p r e s e n t a t i o n 值的语义 w l ：w i n d o wl e v e l 窗位 w w ：w i n d o ww i d t h 窗宽 藏奄缝论 一一 第一章绪论 1 8 9 5 年德国物理学家伦琴( w i l h e l m c o n r a d r 6 n t g e n1 8 4 5 1 9 2 3 ) 阿次观测到x 射线并因此获得了1 9 0 1 年颁发的第+ 个 诺贝尔物理学奖。从那时起，医生手中就有了一种神奇的武器 一一x 光投影检查，它可以帮助医生直观地看到患者体内的情 况从而有助于医生做f b 正确的诊断。百年来t 这项技术不 仅帮助医生拯救了无数的生命，更带动了医疗技术的突b 猛进 的发展使全人类受益良多。一百年来，这项技术不仅由医疗 领域走向了工业领域更由于受它的启发和科学技术的进步- 发展出声、光、电、磁、多种射线和粒子等一系列成像技术。 1 1 数字化医学图像简介 1 1 1 医学图像数字化 百多年后的今天医疗服务更加依赖于成像技术。近年来随着信息科学和相关技 术的发展，传统的基于胶片的成像方式已经越来越不适应当前的需求，数字图像正在逐 步取代传统的胶片和视频模拟信号录像等方法而成为医学图像的信息载体。数字化是医 学图像发展的趋势，其基本目标是把图像表示为数字格式以使其能支持图像的归档、传 输以及其它针对诊断信息的操作如图像增强、分割、配准以及三维体视化重建等。随着 医学例像数字化进程的发展，新的数字化医学图像成像模式也在不断的涌现，并逐步取 代的那些传统的基于胶片的医学成像方法( 1 】。医学图像数字化带来的好处不仅仅在 于信息载体媒介的变化，更重要的是，它还带来了如下的好处： 医学图像数字化拓宽了医学图像的使用领域。除了传统医学图像所具有的诊断 和回顾的功能外，数字化的图像使得实时远程医学诊断和监护成为可能。 医学图像数字化为诊断信息的深度加工和利用提供了基础。在数字化图像的基 础上，计算机辅助的各种信息处理和挖掘方法，图像的三维实时重构以及计算 机辅助手术成为研究和应用的新热点。 医学图像数字化为这些图像的存储、浏览、传送以及各种处理等方面都带来了 革命性的变化。 医学图像数字化程度的不断加深，范围的不断拓宽，导致医院的数字化进程也逐步 出现在地平线上。虽然到目前为止，世界上还没有一个完全意义上的全科数字化医院 但完成局部数字化改造的医院却正不断涌现，医院数字化的程度也在不断地加深。 1 1 2 数字医学圈像的分类及d i c 叫标准的出现 今天的医学图像大致可分为五种模式 2 ) ，包括c t ，磁共振成像m r j ，数字化射 ，震歪z 警搏：e 掌使论文 线检奁成像d r f ( 包括各种数字化x 光片c r ，数字化钼靶乳房造影等) ，各种核医学检 盘成像n m ( 如，单光子发射计算机断层扫描s p e c t 正电子发射断层扫描p c t 等) 以 及超声成像u s 等。 医学图像有自己的特点和数据格式，它往往并不能简单的转换为其它通用格式的数 字图像而采用。些通用的算法进行处理，因为这种转换可能会丢失掉其中有用的信息。 另外由于医学图像可能来自与不同制造商生产的不同类型的成像设备，因此在图像的 采集、处理、存储与通讯过程中遵循一定的协议、规范和标准显得至关重要。为了支持 这目标，在1 9 9 2 年的r s n a 年会上，正式颁布了d i c o m3 0 标准( 3 ，4 ) 。目前正式 发行的d i c o m 3 0 标准的最新版本为2 0 0 0 年版( p s3 x 一2 0 0 0 ) ( 5 ) 。d i c o m 标准的全 称是医学数字成像与通讯( d i g i t a l i m a g i n ga n d c o m m u n i c a t i o n i n m e d i c i n e ) 标准。d i c o m 标准的提出旨在规范不同的生产商和成像设备的图像存储和通讯，促进医学成像仪器之 间的互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ，生产的仪器之间可以相互通讯的能力) ，它阐明了声称 符合d i c o m 标准的仪器所必须遵循的协议的集合；能够利用上述协议在仪器设备间交 换的命令和相关联信息的语法( s y n t a x ) 和语义( s e m a n t i c ) ；还说明了一个声称符合该 标准的设备必须提供的信息( 一致性说明的内容) ( 6 ，7 ) 。在医学图像的处理与利用中 遵循d i c o m 标准可以带来以下好处： 促进数字图像信息的通讯，而不考虑设备生产商或图像信息的源格式； 方便那些与医院其它信息系统接口的p a c s 系统的发展和扩展； 允许建立能被分布在各地的大量设备所共享的诊断信息数据库 1 2 医学图像压缩概述 1 2 1 为什么妥压缩 随着相关医学设备的普及各种成像手段被越来越多的运用到医学检查中，因而所 获得的数据量也呈现爆炸性的增长。据调查，一家5 0 0 床位的中塑医院中，一年运转产 生的各类检查图像超过2 0 0 万幅，其中一台c t 年生成图像2 0 万幅。以每幅c t 图像占 用5 0 0 k b y t e s 存储空间记，一年产生的c t 图像要占用1 0 0 g b y t e s 以上的存储空间。( 1 ) 如果该医院的全部医学图像都数字化，则占用的存储空间超过2 , 0 0 0 g b y e t s ( 2 0 0 0 0 0 0 0 m b y e t s ) ( 2 】。随着医院数字化程度的加深，这个数字还在迅速增加。表1 1 是各类医学图像及其大小的统计，表1 2 是医院中使用的典型医学图像及产生的数据量。 尤其医学诊断数据作为一种重要的信息档案，需要被保存和使用多年，逐年累积的 庞大数据库无论对所有者、管理者、使用者和处理工具来说都是一个负担。因此，以一 种更经济，更有效率的方法保存这些医学图像，是医学图像压缩的首要目的。 医学图像压缩的第二个目的在于使图像在网络环境下更快的传递和显示。现代化的 数字医院是以网络为工作平台的，如果失去了网络这个信息的交换和传输的平台，医学 图像数字化也失去了意义。从通讯的角度看，由于受到技术及通讯介质本身物理特性的 限制通讯信道带宽永远是不足的资源。如何将信息量巨大的医学图像数据挤进有限的 2 纂一章缡谶 带宽，同时保证一定的实效性和质量以及在医疗诊断中的可信性是医学图像压缩要解决 的重要问题。 裹1 1医学圈像的类型及其大小 图像形式圈像尺寸灰度级 每次检蠢产生数据量 ( 像素)的平均大小( 髓) 正电子发射断层扫描( p e t ) 1 2 8 1 2 81 2l 2 单光子发射计算机断层扫描( s p e c t ) 1 2 8 1 2 81 21 2 磁共振( m r ) 2 5 6 2 5 61 28 2 0 超声( u s ) 5 1 2 5 1 285 1 0 计算机断层扫描成像术( c t ) 5 1 2 5 1 21 2 一1 62 0 4 0 螺旋c t ( s p i r a l o rh e l i c a lc t )5 1 2 5 1 21 2 1 68 0 1 6 0 彩色数字显微图像( d c m ) 5 1 2 5 1 28不定 数字减影血管造影( d s a ) ( 单幅)5 1 2 5 1 2 或 81 0 0 5 0 0 1 0 2 4 j 0 2 4 数字乳房放射造影或x 光数字胸片 2 0 4 8 2 0 4 8 或1 2 1 68 1 2 8 ( 4 幅) 4 0 9 6 4 0 9 6 裹1 2 医院中使用的典型医学圈像及其数据量 2 m o d 劢c醣咿 t 藉爆赫出口 。溯 锄嘲t 辫缸艟*，r e a ls i z e 81 2蜷。6 4 i1 2 妒2 掰s l 妒码螨蟪l 矗4 耐i 蠹雠f 翩暾雒，e 毋嚼神) c r 儿科胸部 443 5 9 5 8 8 5 62 6 9 6 9 0 8 8 c t 腹部 1 72 3 71 2 6 1 3 4 7 4 01 0 0 3 6 5 3 4 6 c t 头部 1 41 1 3 85 4 8 0 7 3 1 6 94 1 1 7 6 2 1 1 6 m r 腹部 1 82 43 1 4 6 1 1 22 3 5 9 2 9 6 m r 脊柱1 41 5 24 4 3 0 4 8 8 84 3 1 5 5 4 5 6 n m 脑部44 8 07 8 7 1 5 2 07 8 6 4 3 2 0 n m 心脏和1 54 8 03 9 3 9 3 6 03 9 3 2 1 6 0 躯干 n m 心脏1 75 1 04 1 8 5 5 7 04 1 7 7 9 2 0 n m 全身1 48 48 2 5 8 8 1 08 2 5 7 5 3 6 u s 腹部83 81 1 4 0 5 9 1 4 11 4 0 5 3 4 4 注：相应圈像类型的分辨率用”标记，i 啊妒c o u n t 是指s t u d l o s 的圈像总数， f il e s i z e 包括头信息和其它扩展位空间，r e a i s i z e 便相露锥采素敷疆的大小 由于医学图像本身及其应用的特殊性，在压缩的时候还有必要考虑一些特殊的要求。 例如必须确保文件携带信息的安全性；对用于诊断的图像，不能损害其信息的完整性； 对某些用于监控的图像则保证其实时性至关重要；另外，同一组医学图像可能会用于十 分不同的目的，因此，对于不同的用户和应用，提供相应的功能或信息内容也是图像压 缩存储时应解决的问题。 由以上分析可以看出，医学图像因其本身及应用目的的特殊性，如果直接将其它通 用图像的压缩方法移植过来使用是十分不妥的。必须针对医学图像及其应用的特点，建 j 膏震童声謦褥： t 学垃论灾 立种实_ 【 j 有效的，符合d i c o m 标准的医学图像压缩方法。这也是目前国际上图像压 缩领域研究的热点。 1 2 2 圈像压缩在医学应用中的问题 图像数据压缩技术所取得的巨大成就正引起医学成像技术使用者越来越大的兴趣 并且这种兴趣正随着在放射和核医学领域里数字格式图像使用比例的不断提高而增大。 近年来，医学图像的压缩迅速成为图像压缩研究领域的热点。 如前所述，图像数据压缩的目的是以一种更高效的方法如采用较少的比特率，束 再现图像信息。这种方法使用户可以以相对较低的代价存储数据，以相对较快的速度传 输数据。这二者对p a c s 系统至关重要。另一个额外的好处是可以在有限空间内存储更 多的患者信息而不必将其转到备份工作站从而增加了在线信息量。进一步说，在某些 应用中，特别是涉及临时图像序列，如数字血管造影中，图像数据流非常大，这时可以 使用压缩技术来减少对磁盘的访问次数。 与一般的图像压缩一样，医学图像压缩也可分为有损压缩和无损压缩两类。无损压 缩不会引起任何失真因此没有任何是否适用于诊断的问题。但无损压缩只能得到较低 的压缩比大约不超过4 ：i 。但基于以下原因，在很多情况下不得不选用无损的图像压 缩方法( 8 1 0 】： a )安全性：放射图片专家对于在初诊中使用有损压缩方法持怀疑态度他们担心 这一压缩将导致一些细节信息，即细微的、具体部分的丢失，从而导致诊断结 果或解释的错误，并因此导致错误的行动。 b )法律：由于存在前述安全性方面的问题，因此许多国家严格限制对医学图像的 有损压缩。无论法律是否有要求，将患者的原始数据和记录保留若干年是明智 的。将那些即使在任何情况下看来无用的信息从原始图像中去除也是不明智的。 c )成本：由于医学图像获取不易且成本高昂相对而言信息存储的成本是比较低 的，因此，如果单纯为节省存储空间而损失相对昂贵的图像信息在经济上是否 合算也是经常被提起的问题。 d )后处理需要：有损压缩可显著减少图像的存储代价，但也降低了图像的可察觉 性。其丢失的信息可能在今后的图像处理操作中( 如边缘提取) 有重要意义。 e )压缩率与效果的相关程度：相对有损压缩而言，无损压缩的压缩效率与其性能 是独立的，即无论压缩效率的高低无损压缩图像恢复后是无差别的。而有损 压缩则需要对压缩编码的效果做出客观和主观的评估t 看其是否可接受。 然而在某些情况下，如用于回顾、教学或面对安全级别不足够高的用户浏览需求时， 采用经过有损压缩的医学图像是可以接受的。必须注意的是，图像无损压缩率的理论上 限是接近4 ：1 但在视觉无损压缩技术中，即人眼不可察觉图像信息的压缩损失医学 图像的压缩比常规可达到2 0 ：1 或更高( 8 】。如前所述，由于医学成像中的数据流量常常 十分巨大为了满足实时重建的需要，有时不得不采取有损的有损方法。例如在某些对 实时性要求极强的同步显示数字诊断技术中，如动态配准三维实时重构与动态显示、 多模式图像融合等技术中，为了保证实时性要求以及收到计算机可用内存容量的限制， 蘸鼙缝论 不得不采川或部分采用有损的图像压缩技术。 近年来，随着新理论地提出，一种在图像中混合使用有损和无损压缩算法的方案被 提出来了，并得到了一些很好的结果( 1 0 一1 4 ) 。该方法兼顾了压缩率以及诊断中对信息 无损的要求即对图像中对医学诊断有意义的区域采用无损的压缩算法，而对其它区域 采用有损的方法以保证较大的压缩比。这是目前比较有前途的一种压缩方法。 目前，d i c o m3 0 标准已经被普遍接受为冲# 较好的医学图像存储与交换的标准。 现在，几乎所有制造商提供的医学设备、软件和服务都遵从这一标准。因此任何新开发 的医学图像压缩算法都应与该标准兼容。 1 3 图像压缩方法综述 1 3 1图像压缩缩码的必要性和可行性 图像压缩编码是研究如何利用图像固有的统计特性( 信源特性) 以及生理视觉、心 理学特性( 信宿特性) 或者记录设备和显示设备的特性，从矩始图像中经过压缩编码提 取有效的信息尽量去除无用的冗余信息，图像压缩编码的目的是以尽量少的比特数表 征图像同时保持复原图像的质量，使它符合预定应用场合的要求。通常把图像压缩编 码简称为图像编码。图像编码是一种信源编码，其信源是各种类型的图像信息。 图像数据可以进行压缩有几方面原因。首先，原始图像是高度相关的，存在很大的 冗余度。数据冗余造成比特数浪费消除这些冗余可以节约码字，也就达到了数据压缩 的目的。大多数图像内相邻像素之间有较大的相关性，这称为空间冗余度。序列图像前 后帧之间有较大相关性，这称为时间冗余度。多光谱遥感图像各谱间有相关性，这称为 频率域冗余度。其次若用相同码长表示不同出现概率的符号也会造成比特数的浪费t 这种浪费称为符号冗余度。如果采用可变长编码技术，对出现概率高的符号用短码字表 示，对出现概率低的符号用长码字，就可减少符号冗余度，从而节约码字。 允许图像编码有一定的失真也是图像可以压缩的一个重要原因在许多应用场合， 并不要求经压缩及复原以后的图像和原图像完全相同，而允许有少量失真，只要这些失 真并不为人眼所察觉。这就给压缩比的提高提供了十分有利的条件。图像允许的失真越 多，可以实现的压缩比就越大这种有失真的编码称为有限失真编码。在许多应用中， 人眼往往是图像信息的最终接收者( 信宿) 。如果能充分利用人眼的视觉特性，就可以在 保证所要求的图像主观质量的前提下实现较高的压缩比这就是利用了视觉冗余度。其 实人眼的视觉系统( h v s ) 是有缺陷的，对某些失真不敏感，难以觉察( 1 5 j 。一个图像 编码方法如果能充分利用这些特性，就可以取得较好的效果即在复原图像主观质量较 好的前提下得到较高的压缩比。 此外，还可以利用先验知识实现图像编码。在某些特定的应用场合，编码对象的某 些特性可预先知道。例如，在可视电话中，编码对象为人的头肩像。这时，可以利用对 编码对象的先验知识为编码对象建立模型。通过提取模型参数，对参数进行编码而不对 图像直接进行编码，可以达到非常高的压缩比。这是模型编码的基本思想。在这里，利 j ，支磊z 事博生拳搜论。乏 川了知识冗余度。 1 3 2 图像压缩编码的一般框架 1 5 复原图像厂i复原的厂 复原的广_ 彳鬲i ：广_ 1 垦唑塾茎丝族爵百i 面l 星量竺筐石i 磊刊堕堡塑墨b 流c ， 图1 2 图像编码的一般框架 f i g 1 2 f r a m e w o r ko fi m a g ee n c o d i n g 图像编码的过程可以概括成图1 2 所示的三个步骤，原始图像经映射变换后的数据 再经量化器和熵编码器成为码流输出三个步骤之间是相互联系相互制约的。 映射变换 其目的是通过映射改变图像数据的特性，使之更有利于压缩编码。例如以左邻像素 狄度值作为当前像素灰度值的预测值，以预测差作为映射后数据并对其进行量化编码。 这样做一般优于直接对原图进行量化编码。因为图像数据在相邻像素间有较大相关 性不管原图明暗度如何，相邻像素灰度差总是分布在零附近。进一步的统计表明差 值信号的分布接近拉普拉斯分布，其标准差比原始图像的标准差要小得多，因而对它进 行量化所需的比特数就较少。实际上求差的过程减少了相邻像素间的相关性t 从而减 少了冗余度，因此可以实现压缩。 如果采用更好的预测方法，如由空间相邻四像素点预测当前像素值( 帧内d p c m ) ， 或用前一帧的像素值预测当前像素值【帧问d p c m ) ，可望得到更好的预测值，从而进 步提高压缩比。在实际应用中映射变换的方法种类繁多，还可能更复杂。如：在变 换编码中，先将图像分成若干个n x n 大小的子块，然后进行映射变换，在这种情况下的 映射变换是对各子块进行某种正交变换，而量化和编码是对变换后所得到的系数进行的。 事实上映射变换是图像变换的一个核心部分，它决定了量化和编码的对象类型。所以 可以据此对编码方法进行分类。一个好的映射变换通过与合适的量化器相配合，应能充 分消除图像信源的各种冗余度。 量化器 在限失真编码中要对映射后的数据进行量化。若量化是对映射后的数据逐个进行的， 则称标量量化。若量化是成组进行的，则称矢量量化。量化总会造成某些信息丢失，形 成失真，即量化失真或量化噪声。为了使失真小，应量化得精细，但压缩比就高不了。 这是对矛盾。应选用恰当的量化级数和量化曲线形状来缓解这对矛盾。量化器的引入 是图像编码产生失真的根源。在要求复原图像与原图像完全一致的无失真编码器中必须 不用量化器。但这样一来压缩比就难以提高。在许多应用中，存在多少失真并不可怕t 6 第一案缡潦 一_ 一 只要把失真的程度和性质控制在允许的范同内，也就是把复原图像的主观质最控制在允 许的程度内，就可以在满足应用要求的前提f 提高压缩比。 熵编码器 这步是用来消除符号编码冗余度。它一般不产生失真。理想的情况是使编出的码 流的平均码长等于量化后数据的信息熵。常用的编码方法有许多种，例如分组码：行程 码( r l c ) 和变长码( v l c ) ；不分组码：算术码( a r i t h m e t i cc o d i n g ) 。 1 3 3 图像压缩编码的分类 图像编码应用广泛有许多编码方法。对它们进行分类有助于对问题的理解和解决。 基于不同的角度有许多种分类方法。如：按待压缩图像的性质分类；按复原图像是否 与原图像。致分类 按所用方法原理分类等等。f 面分别对它们进行说明： 按复原图像是否与原图像一致分类 可将编码方法分为两大类：无失真编码和限失真编码。无失真编码又称为信息保持 编码( l o s s l e s s 编码) 或可逆编码。限失真编码义称为非信息保持编码( l o s s y 编码) 或 不可逆编码。编码会造成失真不过这些失真可以被控制在定的限度内不致影响使 用效果。在无失真编码中不可使用量化器，因为量化器总会带来不可恢复的失真。无失 真编码的压缩比低，可达到的最高压缩比取决于信源熵。在限失真