（生物医学工程专业论文）医学视频影像采集与传输系统的研制.pdf

第嚣军医大学硕士学位论文 缩略语 m v i c t p a c s d c o m a c r n e m a s o t c p i p h l 7 m p e g g o p s c 住b 矿 h b v q o s c a t v o p v o l n m f d m v s m v d m n c c 8 i m s d n s w i n s a d i i s d a s n a s s a n v o d 缩略语表 英文全称 m e d i c a lv i d e oi m a g ec o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o n p i c t u r ea r c h i v i n ga n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m d i g i t a li m a g i n ga n dc o m m u n i c a t i o no f m e d i c i n e a m e r i c a nc o l l e g eo f r a d i o l o g y n a t i o n a le l e c t r i c a lm a n u f a c t u l e r sa s s o c i a t i o n i n t e r - n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c o l h e a l t hl e v e l7 m o v i n gp i c t u r ee x p o r t sg r o u p g r o u po f p i c t u r e s t a r tc o d e v e r yl o wb i tr a t ev i d e o h i g hb i tr a t ev i d e o q u a l i t yo f s e r v i c e c h a n n e la s s o c i a t i o nt a g v i d e oo b j e c tp l a n e v i d e oo b j e c tl a y e r n e t w o r km a n a g e m e n tf r a m e w o r k d e v i c em a n a g e r v p ns e r v i c em o n i t o t v p ns e r v i c ed e p l o y m e n tm a n a g e r n e t w o r kc o n f i g u r a t i o nc e n t e r b r a n c hi n t e l l 塘e n tm a n a g e m e n ts y s t e m d o m a i nn a m es e r v i c e w i n d o w si n t e m e tn a m es e r v i c e a e t i v ed i r e c t o r y i n t e r f l e ti n f o r m a t i o ns e r v e r d i r e c ta t t a c h e ds t o r a g e n e t w o r k a t t a c h e ds t o r a g e s t o r a g ea r e an e t w o r k v i d e oo nd e m a n d 中文全称 医学视频影像采集与 传输 图像存储和传输系统 医学数字影像传输 美国放射学会 国家电器制造协会 国际标准组织 传输控n 互联网协议 医疗数据交换标准 活动图像专家组 图像组层 起始码 极低码率视频 高码率视频 晶质服务 信道联系标记 视频对象面 视频对象层 阏络管理框架 设备管理 v p n 业务监视 v p n 业务部署 网络配置中心 分支餐能管理系统 域名服务 网络名称服务 活动习录 网络信息服务 直接外挂存储 弼络驸柏存储 存储区域网络 视频点播 第四军医大学硕士学位论文 医学视频影像采集与传输系统的研制 硕士研究生：郭天泉 导师：邱力军副教授 第四军医大学生物医学工程系，西安7 1 0 0 3 2 捅晏 医学视频影像采集与传输系统是专门为医学视频影像管理而设计的 包括视频采集、压缩、检索、传送、显示、编辑、刻录的硬件和软件系 统，其目标是提供一个与p a c s 系统有效整合的，比现有手段更为快捷有 效的数字视频影像采集、存盘、检索和传输系统。 医学视频影像采集与传输系统总体设计：本课题采用了千兆以太网、 无线局域网、数据库、视频点播、视频广播、防火墙、安全检测和网络 防病毒等技术，升级了网络运行环境，建设了医学视频影像采集子系统、 存储子系统和视频点播子系统，重点开发了系统数据库管理软件，将各 个子系统有机整合建设为医学视频影像采集与传输系统，完成了初步的 临床教学科研应用。以下是本文的主要内容： 1 ) 升级建设了千兆位以太网，搭建了无线局域网络，配备了网络硬件 防火墙、网络管理软件、网络应用响应时间检测系统和网络防病毒软件， 配置网络环境和服务器，实现了安全、稳定、高速的网络环境。 2 ) 设计了系统w e b 软件和数据库管理软件，实现了各个子系统的有 机整合。 3 ) 建设了医学视频影像采集子系统，实现了医学视频影像的高质量采 集压缩和网络实时广播功能。 4 ) 建设了医学视频影像存储子系统，实现了医学视频影像的海量存 储，并实现了无卡非线性编辑功能。 5 ) 建设了医学视频影像点播系统，实现了多路并发的高质量医学视频 影像的正常播放。 6 ) 完成了初步的临床教学科研应用。 第四军医大学硕士学位论文 通过以上工作，本文完成了医学视频影像采集与传输系统。应用结 果表明，该系统能很好的完成医学视频影像的数字化采集、网络化存储 和传输，是对p a c s 系统的重要补充，具有很好的临床教学科研应用前景。 最后，本文对医学视频影像采集与传输系统进行了讨论、分析，提 出了相应的改进意见。 关键词：医学影像、视频点播、视频广播、采集、存储、传输、数据库、 非线性编辑 第四军医大学硕= 匕学位论文 t h e d e s i g na n d c o n s t r u c t i o no f m e d i c a lv i d e o i m a g e c o l l e c t i o na n d t r a n s m i s s i o n ( m v i c t ) s y s t e m c a n d i d a t ef o rm a s t e r ：g u ot i a n q u a n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rq i ul i j u n d e p a r t m e n to f b i o m e d i c a le n g i n e e r i n gf o u r t hm i l i t a r ym e d i c a lu n i v e r s i t y , x i a n ) 7 1 0 0 3 2 ，c h i n a a b s t r a c t t h em e d i c a lv i d e oi m a g ec o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o n ( m v i c t ) s y s t e mi s e s p e c i a l l yd e s i g n e dah a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e mf o rm a n a g i n gm e d i c a l v i d e oi m a g e si no r d e rt oc o l l e c t ，c o m p r e s s ，s e a r c h ，t r a n s m i t ，d i s p l a y , e d i ta n d c o p yv i d e oi m a g e s i t sa i mi st oi n t e g r a t ei t s e l fi n t ot h ep a c ss y s t e ma n d s u p p l yam o r ee f f e c t i v es y s t e mt oc o l l e c t ，c o p y , e d i ta n dt r a n s m i td i g i t a lv i d e o i m a g e st h a ne v e r f o l l o w i n gt h ee n t i r ed e s i g nf o rt h em v i c ts y s t e m ，i nt h i ss u b j e c tw e u s e dk i l o - m e g an e t w o r k ，w i r e l e s sl o c a ln e t w o r k ，d a t a b a s e ，v i d e oo nd e m a n d ， v i d e ob r o a d c a s t ，f i r e w a l l ，s a f e t ym o n i t o ra n dn e t w o r ka n t i - v i r u st e c h n o l o g i e s ， u p g r a d e dt h en e t w o r ke n v i r o n m e n ta n db u i l ts u b - s y s t e m sf o rc o l l e c t i o n ， s t o r a g ea n dv o d w em a i n l yd e v e l o p e ds y s t e md a t a b a s em a n a g e rs o f t w a r e ， a n di n t e g r a t e da l ls u b 。s y s t e m si n t ot h em v l c ts y s t e m a n d a c c o m p l i s h e dt h e i n i t i a la p p l i c a t i o no ft h em v i c ts y s t e mi nc l i n i c a lt e a c h i n ga n ds c i e n t i f i c r e s e a r c h o f 血et h e s i si sa sf o l l o w s ： 1 ) as a f e ，s t a b l ea n dr a p i dn e t w o r ke n v i r o n m e n ti si m p l e m e n t e dt h r o u g h u p g r a d i n ga n de s t a b l i s h i n gt h ek i l o m e g an e t w o r k ，c o n s h u c t i n gt h ew i r e l e s s l o c a ln e t w o r k , o u t f i t t i n gf i r e w a l ln e t w o r kh a r d w a r e ，n e t w o r km a n a g e m e n t s o f t w a r e ，n e t w o r ka p p l i c a t i o nr e s p o n s et i m em o n i t o rs o f ta n da n t i v i r u s n e t w o r ks o f t w a r ea n dc o n f i g u r i n gn e t w o r ke n v i r o n m e n ta n ds e r v e r s 2 ) t h em v i c ts y s t e mi sa c c o m p l i s h e dt h r o u g hd e s i g n i n gt h es y s t e m s a 第四军医大学硕士学位论文 w e bs o f t w a r ea n dd a t a b a s em a n a g e rs o f t w a r ea n di n t e g r a t i n ga l lt h es u b s y s t e m s ， 3 ) ah i g hq u a l i t ym e d i c a lv i d e oc o l l e c t i o na n dv i d e ob r o a d c a s to n l i n ea r e i m p l e m e n t e dt h r o u g hb u i l d i n g as u b s y s t e mo fm e d i c a lv i d e o i m a g e c o l l e c t i o n 4 ) as u b s y s t e mo fm e d i c a lv i d e oi m a g es t o r a g ei si m p l e m e n t e d ，w h i c h h a sm e g as t o r a g ea n di sc a p a b l eo f n o n * c a r dn o n l i n e a re d i t 5 ) as u b s y s t e mo f v o d i sb u i l ta n dc a nb ep l a y e di nan o r m a lw a y 6 ) i n i t i a la p p l i c a t i o no ft h em v i c ts y s t e mi nc l i n i c a lt e a c l f i n ga n d s c i e n t i f i cr e s e a r c hi sa c c o m p l i s h e d i nt h i ss t u d y , w eh a v ea c c o m p l i s h e dt h em v i c ts y s t e m c l i n i c a l a p p l i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h i ss y s t e mc a nb e t t e ra c c o m p l i s had i g i t a lc o l l e c t i o n ， n e t w o r ks t o r a g ea n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o n ，i sa ni m p o r t a n tc o m p l e m e n tt o p a c ss y s t e m ，a n dh a v eag o o dp r o s p e c ti nc l i n i c a lt e a c h i n ga n ds c i e n t i f i c r e s e a r c h f i n a l l y , t h i s t h e s i sd i s c u s s e sa n da n a l y z e st h em v i c ts y s t e ma n d p r e s e n t ss o m es u g g e s t i o n sf o ri m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：m e d i c a li m a g e ；v i d e oo nd e m a n d ；v i d e ob r o a d c a s t ；c o l l e c t i o n ； s t o r a g e ；t r a n s m i s s i o n ；d a t a b a s e ；n o n l i n e a re d i t 5 第四军医大学硕士学位论文 前言和文献回顾 1 前言 解放军总医院是全举规模最大的综合性医院，集医疗、保健、教学、 科研于一体，是国家重要保健基地之一，负责中央、军委靼总部的医疗 保健工作，承担全军各零区、军兵茅中疑难瘸的诊治，鞭院同时也收治来 t t 全国的地方病人。全院共展开床位4 0 0 0 余张，其中院本部2 2 0 0 余张， 三0 四、三0 九临床部各9 0 0 余张。菇设临床、医技科室1 5 0 余个，1 0 个全军医学专科中心，7 个全军重点实验室和1 6 个全军医学研究所。医 院拥有先进的医疗、秘研仪器，毒正电子发射计算规断层成像仪( p e t ) 、 含3 0 t 在内的8 台不同类型的核磁共振、含6 4 摊在内的9 台螺旋c t 、3 台体夕 震波碎石机、舍3 1 0 0 在内的6 台数字减影血管造影机、1 5 台彩色 多普勒超声检查仪、治疗用嶷线期速器、x 刀、电镜、e c t 、激光聚焦显 微镜、流式细胞仪、准分子激光仪等星际一流的医疗设备，总价值1 2 亿 多元。雄厚的技水力量帮先进的诊疗手段，俚遴了医院技术水平和医疗 质量的不断提高，临床初诊与确诊符合率达9 9 3 6 ，危重病人抢救成功 率达9 0 4 8 ，治疗裔效率达9 7 9 3 。年f 1 诊量2 5 0 万人次，收容病人8 万多人次，开展各种手术近4 万侧。同时，医院每年开展2 5 0 多项新业 务、新技本，形成了明显的技术特色和优势，使许多疑难病得到有效诊 治，许多复杂手术和重大抢救获得成功，一些诊断治疗技术达虱国际先 遴水平。 1 医学图像存储与传输技术及英标准 图像存储和传输系统( p a c s ，p i c t u r ea r c h i v i n ga n dc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 是专门为图像管理丽设计的包括图像存盘、检索、传送、显示、 处理、打印的硬件和软件系统，其目标是提供一个更为快捷有效的图像 检查、存艋和检索工具。 p a c s 系统的建立对医学影像的管理和疾病诊断具有重要意义。它实 现了无胶片的电子化医学影像的管理，解决了迅速增加的医学影像的存 储、传送、检索和使用中提出的很多问题。采用大容量磁盘和光盘存储 第四军医大学硕士学位论文 技术，有效的克服了胶片存盘时闾长、存储空闻大的闻题；实现了高速 检索，避免了胶片丢失；可以实现固一瘸人的相关医学影像的整理归档， 简化了数据管理；充分利用多模式照示、图像增强和计算机辅助诊断等 技术来提高图像诊断能力，并可接入远程医疗系统来实现远樱会诊：分 布式医学图像数据库更便于实现医学数据共享，从而提高了医院的工作 效率和诊断水平。 p a c s 遥过各种数字网络，将图像采集、存储和显示集成在一起。它 既可以简单的出一叁胶片数字化仪、显示工作站和小型图像数据瘁来构 成，也可以复杂到成为整个医院的图像管理系统。 医学影像存储和传输系统相关标准： 1 ) d i c o m 3 0 标准 d i c o m 是d i g i t a li m a g i n ga n dc o m m u n i c a t i o no f m e d i c i n e 的缩写。随 着应用的不断发展，d i c o m 标准也在不断的更新，它所支持的医学影像 种类也在不断增力鞫，已经由原来a c r - n e m a 标准只支持放射影像扩展到 支持内镜、病理等其他影像。 d i c o m 3 ，0 版本采用了面向对象的分析方法，定义了医学图像在采 集、存储和遴信逑程中的各嵇实钵和关系，并虽提供了对1 s o o s i ( i n t e r - n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n o r l e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 和 t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 的支持，使得在医 学图像应用层上可以与其它通信协议直接通信而不需要重新编写程序。 考虑到技术的发展，标准采用了多部分的文档结构对可能变化或扩充的 部分以附录的形式提供这样标准在更新时涉及面可以尽量小。同时按照 影像学检查信息流的e _ r 模型藿新修改了图像格式中部分信息的定义， 制定了d i c o m 3 0 标准。 2 ) 医疗信息交换标准( h l 7 ) h l 7 是h e a l t l ll e v e l7 的简称，它是医疗信息系统之间进行数据交换 的一个标准，其中包括i 临床、保险、管理、行政、检验及转诊等备项电 子数据的交换标准，是不同信息系统之间信息交换的种标准，它可用 于医院内部不同医疗信息系统之间的信息交换，如：病历数据、临床检 验结果、财务信息等，同时也可用于医院之间、医院与保险公司、医院 第四军医大学硕士学位论文 与上级主管部门之间大量的信息交换。 h l 7 通讯协议汇集了不同厂商用来设计应用软件接口的标准格式。 它允许各个医疗机构的不同应用系统间进行一些重要数据的沟通。通讯 协议的设计同时保留相当的弹性，使得一些特定需求数据得到处理，维 持兼容性。 随着应用的不断发展，p a c s 系统所支持的医学影像种类也在不断增 加，已经由原来只支持放射影像扩展到支持内镜、病理等其他影像，但 是关于医学视、音频影像等方面的研究还很少，适合这方题的研究成果 还不成熟。鉴于临床教学器 研工作的霈要，一嵇新的数字视频影像采集、 存储与传输技术被引入到p a c s 系统的研究中。 1 。2 医学视频数字影像及其采集、存储和传输技术 医学视频影像采集与健输( m e e l i c a lv i d e oi m a g ec o l l e c t i o na n d t r a n s m i s s i o n ，m v i c t ) 技术是利用摄影摄像、多媒钵处理、计簿桃采集 靼网终存健与健翰等技术，专门为医学视频影像管理蔼开发设计的，在 数字视频影像信息之闯进行数据采集、压缩、存储、检索、编辑与佟输 的现代数字影像技术。 按照技术用途区分，用到的m v i c t 技术主要有三释：褫频影像数字 采集技术、数字视频影像存储技术秘数字视频影像传输技术。 视频影像数字采集技术是指稠胥数字摄影摄像和数字采集转换等技 术，对视频影像进行采集压缩的一种现代数字影像技术。它可以高质量 的采集与瑟缩医学视频影像，使其可以在计算梳屏幕上清楚的显示。 数字视频影像存储技术是指利用计算机、数据库和网络等技术，对 采集压缩好的数字视频影像遴行数据库管理和网络存储的一种计算机技 术。它可以实现医学数字视频影像的网络管理、分布式存储和安全备份 等功能，构筑丰富的数字亿、网络亿的蹉学视频影像资源霹。 数字视频影像传输技术是指稍_ 鬲网络、计算机多媒体和流媒体传输 技术，对实时采集的或从医学视频影像资源库中存储的数字视频影像以 网络流媒体的形式，进行网络传输的一种计算机网络技术。它可以实现 医学视频影像资源库中影像资源的上传、下载及视频点播服务，还可以 实现医学视频影像系统中的网络实时广播服务。 第四军医大学硕士学位论文 医学丰冤颓影像采集与传输( m v i c t ) 技术的优势是： 1 ) 实时采集技术：与其媳传统的模拟视频影像录像和编辑录像极编 辑输出等功能相比，实时采集是m v i c t 技术的最大优势。 2 ) 连续采集，实时广播：研究表明，m v i c t 技术可靠性高，安全 牲强，便于网络统一管理和存储，能确保医学褫频影像连续采集和网络 实时广播。 3 ) 交互式数据库管理技术：m v i c t 技术围绕着数据库技术对医学 视频数字影像进行交互式管理，便于网络分布式存储和远程调用，能确 保篱理受顺利地进行安全可靠的网络资溺远程管理。 4 ) 网络传输技术：基于千兆以太网和网络流媒体技术开发的m v i c t 技术使网络传输的医学视频影像具有清晰度离、质量好等优点，能保证 用户清晰流畅的访问医学影像资源。 由于这些特点，m v i c t 技术在医学搋频影像的采集、存储与传输中 具有广阔的应用前景。 第四军医大学烦士学位论文 2 课题背景 本论文研究是以解放军总医院信息化工作中临床教学科研的实际需 求为研究目的，针对医学视频影像的高清晰度和强实时性的要求，采用 了于兆阻太网、无线届城躅、数据霹、褫频点播、铙频j 。播、蒴火墙、 安全检测和网络防瘸毒等技术，升级了网络运行环境，建设了医学视频 影像采集予系统、存储子系统和视频点播子系统，熏点开发了系统数据 库管理软件，将各个子系统有机整合建设为医学视频影像采集与传输系 统，完成了初步的旗床教学科研应蠲，以满足日益增长的蝎床教学科磅 需求。 解放军总医院医学信息情报所教育技术中心在医学教育技术、虚拟 仿真和医学影像示教技术上已经有了多年的研究工作。1 9 9 6 年以来先后 完成了“手术示教系统”，“医学影像示教系统”，“医学网络教学信息资 源应用系统”、“分布式网络非线性编辑系统”、“虚拟手术仿真中的实时 力反馈交互技术的研究”和“虚拟关节镜手术仿真训练系统”等项目或 漾题的建设研究工作，在国内夕 发表论文多篇，获军孰科技进步二等奖 一项。从2 0 0 3 年起至今，我们查阅了视频影像数字采集、网络存蝼与传 输技术的相关文献数十篇，掌握了这一领域的研究进展，建立了基于千 兆以太网的医学影像系统网络环境。 在此基础土，参考潮内外相关文献，我销升级了羽络运行环境，建 设了医学视频影像采集子系统、存储子系统和视频点播子系统，重点开 发了系统数据库管理软件，将各个子系统有机整合建设为医学视频影像 采集与传输系统，完成了初步的临床教学科研应用，为以后与医院p a c s 系统融和奠定了基础。 第酉军嚣大学磺士学位论文 3 文献回顾及国内外研究现状 文献从数字图像处理、数字视频采集技术、网络存储技术和数字视 频网络传输技术四个方面来阐述： 3 。1 数寥圈像处理技零 视觉是人类从大自然中取得信息的主要手段。据统计，在人类取得 的信息中，视觉信息约占6 0 ，听觉信息约占2 0 ，其他的如味觉信患、 触觉信息等加起来约占2 0 。由此可知视觉信息对人类的重要性，而图 像和视频正是人类取得视觉信息的主要途径。所谓图像处理，就是对图 像信息进行加工以满足人的褫觉心理或应用需求的行为。从2 0 世纪6 0 年代起，随着电子技术和计算机技术的不断提高和普及，数字图像处理 进入高速发展时期。酝谬数字圈像处理就是利用数字计算机或者其他数 字硬件，对从图像信息转换而得的电信号进行某些数值运算，以提高图 像的实用性，捌如从卫星图片中提取曩标物的参数，三维立体颐层圈豫 的重建等等。数字图像处理技术精度比较商，而且还可以通过改进处理 软件来优化处理效果。但是，由于数字图像处理的数据量非常庞大，医 此处理速度相对较慢，这就限制了数字图像处理的发展。随着计算机技 术的飞速发展，计算机的运算速度大大提高，这将大大促进数字图像处 理技术的发展。 数字图像处理的英文名称是“d i g i t a li m a g ep r o c e s s ”。通常所说的数 字图像处理是指羯计算机进行豹处理，因此也称为诗算机图像处理 ( c o m p u t e r i m a g e p r o c e s s ) 。总的来说，数字图像处理包括以下几项内容： 1 ) 点运算 点运算主要是针对图像豹像素进行加、减、乘、除等运算。图像的 点运算可以有效地改变图像的直方图分布，这对提商图像的分辨率以及 图像均衡都是非常有益的。 2 ) 几何处理 几何处理主要包括潮豫的坐标转换，图像的移动、缩小、放大、旋 转个图像的配准以及图像扭曲校饭等。几何处理是最常见的图像处理手 段多。凡乎任何图像处理款传都提供了最基本豹图像缩放功能。图像豹 扭曲校正功能可以将变形的图像进行几何校正，从而得出准确的图像。 第四军医大学硕士学位论文 3 ) 图像增强 髫像增强的作用主要是突出图像中重要的信息，同时减弱或者去除 不需要的信息。常用方法有直方图增强和伪彩色增强等。 4 ) 圈豫复孤 图像复原的主要目的是去处干扰和模糊，从而恢复图像的本来面目。 列如去噪声复原处理。 5 ) 图像形态学处理 图像形态学是数学形态的延伸，是一门独立的研究学科。利用图像 形态学处理技术，可以实现鹜像的腐蚀、细化和分割等效栗。 6 ) 图像编码 图像编码研究属于信患论中信源编码艴范畴，其主要宗旨是利用图 像信号的统计特性及人类视觉特性对图像进行高效编码，从而达到压缩 强像的目的。图像编码楚数字图像处理中一个典型的磋究范畴，有6 0 多 年的研究历史，目前已经制定t 多种编码标准，如t t 2 6 1 ，j e p g 和m e p g 等等。 7 ) 图像重建 图像的重建起源于c t 技术的发展，是一门新兴的数字图像处理技 术，主要是嗣潮采集的数据来重建出图像。图像重建的主要算法有代数 法、迭代法、傅立叶反投影法和使用最广泛的卷积反投影法等。 8 ) 模式识羽 模式识别也是数字图像处理的一个新兴的研究方向，当今的模式识 别方法逶常有3 耱：统计识别法、句法结构模式谈别法和模糊识别法。 目前应用广泛的文字识别( 0 c r ) 技术就是应用模式识别技术开发出来的。 目前数字图像处理的应用越来越广泛，己经渗透到工业、医疗保健、 航空航天、军事等各个镁域，在国民经济中发挥越来越大的作用。 3 2 数字视频采集技术 除了较离猛能豹计算机设备以外，数字视频采集技术的核心就是视 频采集卡。视频采集卡是将模拟摄像机、泶像机、l d 视盘机、电视机输 崮豹视频信号等输出的模拟视频数据或袭视频音频髓混合数据输入电 脑，并转换成电脑可辨别的数字数据，存储在电脑中，成为可编辑处理 第嘲军医丈学硕士学位论文 的视频数据文件。 搅频数字采集我工作滚程为：计算机通过视频采集卡可以接l 芟来自 视频输入端的模拟视频信号，对该信号进行采集、量化成数字信号，然 赢压缩编码成数字视频。大多数视频卡都具备硬件压缩的功能，在采集 视频信号时首先在卡上对视频信号进行滕缩，然后再避过p c i 接懿把压 缩的视频数据传送到主机上。一般的计算机视频采集卡采用帧内滕缩的 算法把数字化豹视频存储成a v i 文件，商挡一些的鞔频采集卡还齄直接 把采集到的数字视频数据实时压缩成m p e g - 1 、m p e g 2 和m p e g ，4 格式 的文 孛。 由于模拟视频输入端可以提供不问断的信息源，视频采集卡要采集 模拟视频序列中的每帧图像，并襁采集下一帧图像之前把这些数据传入 计算机系统。鼹此，实现实时采集的关键是每一帧所需的处理时糍。熟 果每帧视频图像的处理时间超过相邻两帧之间的相隔时间，则要出现数 据的丢失，逛印丢幞现象。采集卡都是把获取的季鼙频痔列先进行压缩处 理，然后再存入硬盘，也就是说视频序列的获取和压缩是在一起完成的， 免除了蒋次进行压缩处理的不便。不同档次的采集卡具有不同质量的采 集压缩性能。 按照其用途可分为广播级视频采集卡、专业级视频采集卡和民用级 视频采集卡，它们档次的离低主要是采集图像的质量不圄。专业级视频 聚集卡的档次比广播级的性能稍微低一些，分辨率两者是相同的，但压 缩院稍微大一些，其最小的压缩比一般在6 ：l 以内，输入输出接口为a v 复合端子与s 端子。民用级视频采集卡的动态分辨率一般较低，绝大多 数不具有视频输出功能。 由予m v i c t 技术对于医学携频影像的质量要求很高，霹且系统还要 能提供高清晰度的网络实时视频广播，所以，在m v i c t 系统中，我们选 取了阻熟列o p t i b a s e 公司生产m p e g 。2c o m p o s e r 和m p e g - 4c o m p o s e r 这两款专业级视频采集卡，安装配置于医学视频影像采集子系统中的采 集工作站。其中，m p e g - 4c o m p o s e r 视频采集卡支持m p e g 4 格式，可 同时采集压缩4 路模拟视频，用于监控摄像机视频影像的采集、压缩翻 网络实时广播；m p e g ，2c o m p o s e r 视频采集卡支持m p e g - 2 格式，可同 第四军医大学硕士学位论：盘 时采集繇缩4 路模拟视频，用于医学影像设备视颓输出信号和手术视野 摄像机视频输出信号的采集、压缩郛网络实嚏侉镰。 3 ，3 网络存储技术 当前主流的网络数据存储方式包括d a s 、n a s 和s a n 。 1 ) d a s 数据存储方式 d a s ( d i r e c ta t t a c h e ds t o r a g e ，壹接外挂存储1 ，它的服务器结构如同 p c 机架构，外部数据存储设备( 磁盘阵列、光盘机和磁带库等) 都直接 挂接在服务器内部总线上的一种存储方式解决方案。自然，数据存储设 备是整个服务器结毒勾的一部分，同样服务器也拯受羞整个网络的数据存 储职责。 2 ) n a s 数据存储方式 n a s ( n e t w o r ka t t a c h e ds t o r a g e ，网络附期存储) 方式全面改遗了较低 效的d a s 存储方式，最关键躲是采用独立于p c 服务器，单独爻网终数 据存储而开发的种文件服务器。它安装了一个简化的操作系统，配备 了需要的一些组件，直接通过i p 以太双绞线网线连接在系统网络上，作 为蠲络的一个节点丽存在，撇务器嗣工作站潮户都暹过网络访闫n a s 服 务器。 3 ) s a n 数据存储方式 s a n ( s t o r a g ea r e an e t w o r k ，存储域网络) 与n a s 截然不同，而是将 所肖的存储设各单独逢过光纤交换机连接起来，形成一个光纾逶邀的存 储网络，然后再与我院医学影像存储与传输系统网络进行连接。 3 4 数学视频网络传输技术 近年来，数字视频领域里发生了一系列巨大的变化，会议电视、v c d 、 d v d 、数字电视、数字嚷影以及蔫清晰发电视( 疆) t v ) 等新技术和薪系 统藏迅速走进我们的生活。与传统的模拟电视相比，这些新系统的突出 特点是采用了全数字的髑像和声音处理技术。随着这些数字电视系统的 蟊荔成熟帮不断发展，针对不同的应用领域，一系列相应的数字褫频音 频编码标准也迅速地被青l 定并不蛭褥到完善，其中包括：应用于会议电 视及可视电话h 2 6 1 ，用于静止图像压缩的j p e g ，用于v c d 的m p e g 一1 ， 用于流媒体传输的m p e g 4 ，用于广播电视、d v d 以及h d t v 的m p e g 一2 。 第匪军医大学硕士学靛论文 与此同时，数字演播室标准及数字电视的质量评价标准也被制定出柬。 与其它几种标准相纪，m p e g 2 制定的时间鞘晚，徽却具有以下几个突出 特点：它所支持的图像的分辨率最高，这里面包括符合i t u r r e c ，6 0 1 ( c c i r 6 0 1 ) 格式的标准分辨率的数字电视和更高分辨率的h d t v ，支持包 括高速体育运动在内的活动图像，支持的应用最为广泛，既包括存储媒 体中的d v d ，广播电视中的数字广援电视秘h d t v ，还可应用于交互式 的点播视频( v o d ) 和准点播视频( n v o d ) ，此外，还能够适配于a 1 m 、 以太网等宽带邋信网。 通常视频鼹示为2 4 3 0 帧彩，当要求稍低一些时，1 5 2 0 帧秒也可 接受。如果每帧由3 5 2 x 2 8 8 的点阵所组成，其中每一点为了能逼真地表 示彩色及罄次，需要2 4 比特，所以未经压缩的般质量的医学影像最少 需要3 5 2 x 2 8 8x 3 0 x 2 4 = 7 3 m b s 的带宽。显然数据量j 过大，一般的网络是无 法接纳的。事实上这些数据有很多冗余信惠是可隘压缩煞。当前有锻多 种压缩算法，如m p e g 1 ，m p e g 2 ，m p e g 。4 ，j p e g ，h 2 6 1 ，h 2 6 3 ， h 3 2 3 等。 1 ) h 2 6 1 建议 为了适应在i s d n 的6 4 k b s 及n x 6 4 k b s ( 1 , 2 ，3 ，3 0 ) 信道上发 展视频会议系统并保证不同厂商生产的设备能互通，i t u t 予1 9 9 0 年1 1 月发布了h 2 6 1 建议，它是关于支持c i f 和q c i f 在“n x 6 4 k b s ”信逆上 麴低级的视频编码鼹玛器方匿豹建议。 i s d n 可提供2 b + d 的基本速率业务与3 0 b + d 的基群速率业务。其 中b 为6 4 k b s ，在基本速率中d 为1 6 k b s ，在基群速率中d 为6 4 k b s 。 由于i s d n 是在p s d n 基础上发展起来的，所以其数字用户信道的基础速 率为6 4 k b s 。可以把2 b + d 中的2 b 合并成1 2 8 k b s 的速率，也可以采用 适当措施，如弼反向复蹋器把多个2 b + d 捆绑起来，如3 个2 b + d 组成 6 b = 3 8 4 k b s 的数字用户信道，所以h 2 6 1 所建议的编译码器速率的覆盖 范围为n x 6 4 k b s ，其中n = i 3 0 。 为了保证不同t v 系统之间的互操作和减轻比特率，h 2 6 1 只支持两 群影像格式，裙逶用孛润格式( c i f ) 和区分之一c i f ( q c i f ) ，两q c i f 是主要的。例如，c i f 图像的亮度信号y 是2 8 8 线帧，3 5 2 像素线；色 第四军医大学硕士学位论文 度信号u 和v 都是1 4 4 线帧，1 7 6 像素，线。c i f 是3 5 2 x 2 8 8 帧格式，并 晟典烈桉速率为每秒3 0 帧。它用于大屏幕懿电视会议系统，需较盔的分 辨率。c i f 图像近似n t s c 电视标准的一半。c i f 是所有编译硝器都选用 的帧格式，t t 2 6 t 选用c i f 的传输速率为3 8 4 k b s 或受高。 q c i f 是1 7 6x 1 4 4 帧格式，其帧速率是每秒3 0 帧、1 5 帧或7 5 帧。 典型帧速率为每秒7 5 1 5 帧。它提供近似c i f 的四分之一的尺寸，所以 比c i f 所需豹带宽要少。h 。2 6 1 选用q c i f 的始输速率为6 4 k b s 或 1 2 8 k b s 。它主要适用于案西电视会议系统的应用场合，一般其显示人的 头帮肩头，其移动篷较小，所以每秒传送7 5 一1 5 帧，画霞也较小，基零 能满足远程会议使用要求。 h 。2 6 1 大体分为两种编码格式：帧内模式裙帧间模式。对于缓和运动 的人头、寝像，帧溯编码模式将占主导，丽蕊强切换频繁或运动屠l 烈的 图像，剐帧阈编碣模式要频繁的象帧内编码模式切换，其所需的传输比 特率也高。 2 ) h 2 6 3 建议 为了适成p s t n ( 采用v 3 4 调制解调器可在两线上的传输速率为 2 8 8 k b s ) 开放视频会议的需要，i t u t 予1 9 9 6 年春发毒了h 2 6 3 建议， 它是有关支持s q c i f 、q c i f 、c i f 、4 c i f 和1 6 c i f 的低级视频编解玛器 方面豹建议。其所需的传竣比特率为t 5 - 2 0 k b s 。h 2 6 3 可支持五种帧格 式，即s u b q c i f ( 1 2 8 x 9 6 ) 、4 c i f ( 4 x c i f ) 以及h 2 6 1 所支持的c i f 和 q c i f 。它使用某些m p e g 压缩技术，有较高的压缩率。另外，在h 2 6 3 的第二版中改进了对信道误码、影像质量的敏感性，所以尽管其所传输 的比特率较h 2 6 1 低，但影像质量与h 。2 6 1 相差不多，特别是信道误码率 较蓬，知移动通信方丽较多的应用。 3 ) m p e g 标准 m p e g 蹩活动图像专家组( m o v i n gp i c t u r ee x p o r t sg r o u p ) 的缩霹， 于1 9 8 8 年成立。露莉m p e g 己颁布了三个活动图像及声音编码的芷式国 裕标准，分别称为m _ p e g 。l 、m p e g 2 和m p e g 一4 。 ( 1 ) 沁e g - l 标凇 m p e g - 1 标准是在数字存储介质中实现对活动图像和声音的压缩编 第匪军医大学硕士学位论文 码，编码码率最高为每秒1 5 兆比特，标准的正式规范在i s o i e c1 1 1 7 2 中。m p e g 1 所支持的输入图像格式是s i f 格式。s i f 有5 2 5 6 2 5 两种格 式：3 5 2 x 2 4 0 x 3 0 和3 5 2 x 2 8 8 x 2 5 。m p e g 1 是一个开放的，统一的标准， 在齑业上获缮了巨大的成功。尽管其图像质薰仅相邕于v h s 褫频的质量， 还不能满足广播级的要求，但己广泛应用于v c d 等家庭视像产品中。 ( 2 ) m p e g 2 标准 m p e g 一2 标准是针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的 压缩方案和系统层的详细规定，编码码率从每秒3 兆比特1 0 0 兆比特， 标准韵正式规范在i s o i e c l 3 8 1 8 中。m p e g 2 不是m p e g 1 的简单升级，