（电路与系统专业论文）基于DICOM标准的图像通信及存储技术研究[电路与系统专业优秀论文].pdfVIP

摘要 摘要 本文系统分析了医学图像通信及归档系统( m e d i c a lp i c t u r ec o m m u n i c a t i o n a n da r c h i v i n g 。p a c s ) 中广泛应用的数字医学图像成像及通信协议( d i g i t a l i m a g i n ga n dc o m m u n i c a t i o n si nm e d i c i n e ，d i c o m ) ，深入研究了如何根据系统 的功能，采用分层方式实现该协议的网络模型。另外，提出了将图像和相关信息 独立管理以及数据分区存储的系统方案，从而实现了大容量图像数据的有效存储。 最后探讨了基于d i c o m 协议的医学图像j p e g 无损压缩方法及基于第二代小波的图 像无损压缩方法，仿真实验验证了相应的压缩效果。 本文的研究成果已成功地集成到某应用软件中。测试结果表明，该系统具有 良好的性能和可扩展性。 关键词：p a c s ，d i c o m ，存储系统，医学图像无损压缩 摘要 1 1 a b s t r a c t t h i st h e s i s m a i n l y d e a l sw i t ht h e 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 n s i n m e d i c i n e ( d i c o m ) s t a n d a r dw h i c hi sw i d e l yu s e di nc o n s t r u c t i n gm e d i c a lp i c t u r e c o m m u n i c a t i o na n da r c h i v i n gs y s t e m ( p a c s ) t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h en e t w o r k m o d e lb a s e do nl a y e r - d i v i d i n gi si n v e s t i g a t e da c c o r d i n gt ot h es y s t e m sf u n c t i o n s i n a d d i t i o n ，t h es c h e m eo fs e p a r a t em a n a g e m e n t so fi m a g ed a t aa n dr e l a t e di n f o r m a t i o n a sw e l la sd a t ab l o c k ss t o r a g ea r ep r o p o s e d ，h e n c er e a l i z i n gm a s s i v ed a t as t o r a g e s y s t e me f f e c t i v e l y f i n a l l y , t h el o s s l e s sm e d i c a li m a g e sc o m p r e s s i o nm e t h o d su s i n g b o t hj p e ga n dt h es e c o n dg e n e r a t i o nw a v e l e ta r ed i s c u s s e d ，a n ds o m es i m u l a t i o n sa r e p e r f o r m e d t os h o wt h e i rp e r f o r m a n c e s k e y w o r d ：p a c s ，d i c o m ，s t o r a g e s y s t e m ，m e d i c a li m a g el o s s l e s sc o m p r e s s i o n 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期2 1 ；：! ! ! 第一章绪论 第一章绪论 在现代化的医院罩，医学图像在疾病诊断中具有非常重要的意义。过去，这些 图像主要是各种x 线胶片。为了提高胶片的利用价值，放射科不得不建立各自的 片库管理这些数量庞大的胶片，这是所谓的“归档”和“存档”，即对胶片手工管 理。这种管理方式存在许多缺陷，首先从图像的检索速度看，它的效率低，检索 速度慢，胶片的传递需要大量时间，往往是人为地传递，获取速度比较慢，不能 满足临床需要。而且异地医生不可能同时观察一幅图像，图像资源无法共享。从 信息保存的角度而言，由于硬拷贝胶片显示的是固定的窗宽窗位的图像，其窗宽 和窗位不能随意调节，这样其它的窗宽窗位的信息就不能再显示，造成信息的丢 失。从管理成本而言，为了解决胶片变质和丢失的问题，医院必须花费大量的人 力、物力来维护这些胶片，再加上胶片本身的成本，一个中型医院每年需要投入 十几万元。并且随着胶片数量的增加，维护费用也会增加。由于胶片数量巨大 对于大型医院，这个问题将显得更为重要。自1 9 7 0 年以来，先后出现了c t 、磁共 振成像m r i 、正电子发射型c t 、单光子发射型c t ，数字减影血管造影d s a 等新的 医学影像设备，使医学图像的数量和种类剧增，用上述方式管理医院中的图像已 不能适应需求，为此先后出现了基于数字化的放射科信息系统和医学图像归档与 通讯系统( p i c t u r ea r c h i v ea n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，p a c s ) 。 1 1p a c s 系统结构及关键技术 p a c s 是近年来随着数字影像技术、计算机技术和网络技术的进步而迅速发展 起来的，旨在基于数字化与网络化的条件下解决医学图像的获取、显示、存储、 传送和管理的综合系统。 作为一种对图像的产生、通信和存储的总体解决方案，p a c s 系统早在1 9 8 2 年 就出现了。而且随着计算机网络技术和图形工作站的发展，p a c s 系统的价格不断 下降，预计到2 0 0 5 年，美国将普及无胶片医院。出于经费的限制，配套技术法规 制度不健全，以及若干关键技术没有得到解决，国内的p a c s 研究仍处于起步和摸 索阶段。尽管当前g 。西门子等国外大企业也开始在中国推广他们的p a c s 系统， 但往往价格昂贵，而且也不符合我国医院的管理需求和i 临床习惯。但是随着医疗 事业的发展，p a c s 的引入和建立将是医院向现代化、信息化、自动化方向发展的 必然选择。尽管在我国，真正可实现影像信息网络化的医院与地区尚不多见，而 基丁d i c o m 标准的通讯及存储技术研究 且医院对p a c s 系统的认识也只处于感性阶段。但是可以预计，未来几年p a c s 将 成为国内医学图象处理与传输领域的热点。因此开展p a c s 系统的研究，建造适合 我舀国情的p a c s 系统具有很强的现实意义。 p a c s 系统可分为医学图像获取、大容量数据存储、图像显示和处理、数据库 管理以及用于传输影像的局域网或广域网等五个单元构成。其中，计算机网络是 p a c s 的重要组成部分，是图像及相关数据传输的底层物理平台，是p a c s 的软硬件 基础。正是各种层次的网络才将p a c s 中的图像获取、通讯、存储、显示以及医疗 数据的管理等单元连为一体。使之形成医院信息系统( h o s p i t a li a f o r m a t i o n s y s t e m ，h i s ) 以及放射科信息管理系统( r a d i o l o g yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，r i s ) 。 图i 1 是一个典型的p a c s 系统的硬件结构图。 图i 1p a c s 系统整体硬件结构豳 p a c s 是医学影像数字化、数字图像处理技术、计算机技术和网络通讯技术相 结合的产物。尽管目前计算机的性能以及网络速度大幅度提高，当前的硬件条件 已经能够支撑p a c s 的运行，但是在实际操作过程中，仍然存在影响p a c s 系统性 能及功能的因素，能否解决这些问题，是p a c s 系统能否成功的关键。这些闯题可 总结为如下几点：( 1 ) 存储介质：包括存储容量以及p a c s 系统对影像的存储速度： ( 2 ) 数据获取方法：从各种影像设备，如c t ，m r i 等获取图像信息的方法。( 3 ) 高分辨力的图像显示；( 4 ) 系统集成：将p a c s 与r i s 及h i s 等其他系统相连，这 涉及到先进的系统集成技术：( 5 ) 医学图像的压缩：影像的传输速度和存储能力 都有赖于图像的压缩； 6 ) 入机界面和软件。 而目前，国内p a c s 系统最迫切需要解决的问题是存储介质，数据获取方法以 及医学图像的压缩1 4 5 】。实际上，这些问题可以归结为通信和存储两大问题。 1 2 d j c o m 3 0 标准组成结构 d i c o 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 ni nm e d i c i n e ) 标准是出美国放 第一章绪论 射学会( a c r ) 和国家电器制造厂商协会( n e m a ) 于1 9 9 3 年联合制定的，该协议 主要对医学图像的传输和存储作了规定，是一个专门用于医学图像成像和通信的 标准。早在1 9 8 5 年a c r - n e m a 联合制定了a c r n e m a i 0 标准，经过修订后，并于 1 9 9 3 年标准正式更名为d i c o m ，几经改版修订，其最新版本为d i c o m 3 0 。虽然 d i c o m 3 0 标准目前还不是一个强制性的国际性标准，但是它的制定参考了现有的 医学影像领域的其他标准，接受其它相关的国际标准组织比如( j i r a 、h l 7 、i e e e 、 a n s i 等) 的审核，同时各大医疗设备厂商，像s i e m e n s 、k o d a k ，s o n y 、a g f a 、g e 等，纷纷表示将推出支持该标准的医疗设备，实际上它已是一个广为接受的事实 上的全球性医学数字成像和通信标准。可以说正是d i c o m 标准的推出，力极大地 促进了p a c s 的发展。 作为一个医学图像成像和通信标准，d i c o m 3 0 主要包含了九部分内容，各部分 的关系如图1 2 。 撼 筇阴部分般备类迎望 六 lt 韶 l 信誓菇嚣。卜 仆 数 据 i 第矗部分数l l 结构。 f f 义 _ 字 典 第七 i l ；分i i j 息蹙拯悱议 ： 第八部分 镣几 l l f 分 消息童换的血对血业 消息坐换的脚络直持 持 图1 2 ：d i c o m 3 0 协议主要部分的结构 上图中d i c o m 3 0 标准的各部分的内容描述如下： 第一部分：引言与概述，简要介绍了d i c o m 的概念及其组成。 第二部分：兼容性，要求制造商精确地描述其产品的d i c o m 兼容性，即构造 一个该产品的d i c o m 兼容性声明，它包括选择什么样的信息对象、服务类、数据 编码方法等，每一个用户都可以从制造商处得到这样一份声明。 第三部分：信息对象定义，利用面向对象的方法，定义了第四部分中所要的 信息对象的属性和结构，信息对象包括医学影像以及病人信息等。 第四部分：服务类定义，定义了多种服务类，这些服务类用于对第三部分定 义的信息对象实例进行操作。服务类包括存储、检索及打印等。 第五部分：数据结构及语义，描述了消息对象类和服务类的构造和编码。 第六部分：数据字典，定义了各种信息对象实例的信息属性。 一 第部分 一致性卢蜘 一 r_i_t_l_-tt【 4 基丁d i c o m 标准的通讯及存储技术研究 第七部分：消息交换，定义了消息交换通讯时应用实体所用到的服务和协议。 第八部分：消息交换的网络通讯支持，说明了在网络环境下的通讯服务和支持 d i c o m 应用消息交换所必要的上层协议，从砸支持第七部分的消息交换。 第九部分：消息交换的点对点支持。点对点部分目前已被淘汰。 目前，a c r 和n e m a 根据医疗设备厂家和放射学专家的建议及反馈信息对它f 进 行不断的修正和补充，每年都推出相应的修j 下和补充草案，使其适用于一些新型 医疗设备，并将其应用范围尽可能地扩充到一些新兴的医学领域。 1 3 本文的主要工作及内容安排 本文的研究工作主要是通过d i c o m 标准来解决p a c s 系统中的通信及存储等 关键技术。全文分四章，各章的主要内容安排如下： 第一章：简要介绍p a c s 系统的背景、体系结构和关键技术，以及d i c o m 标 准的基本组成结构，结构之间的关系以及在p a c s 系统中的应用。 第二章：首先介绍了d i c o m 的网络模型，并根据d i c o m 中的基本数据结构， 提出了一种d i c o m 数据集的编解码的实现方法。另外，借助d i c o m 标准的通信 机理，本章提出了采用分层的方式设计d i c o m 通信的方法，并具体介绍了其中各 层的结构，具体联系和详细的实现方法及流程。最后针对d i c o m 通信中最大的难 点胶片打印管理，本章还详细涉及打印过程的通信流程及具体实现方法。 第三章：首先d i c o m 医学存储技术的特点及所要解决的关键技术，并针对医 学数据的特征，提出了医学信息和医学图像数据单独管理以及数据分区的方法， 以解决了大容量数据的存储。另外，本章还详细介绍了该方法的实现机理，并具 体介绍了存储系统各模块的实现过程。 医学图像压缩是p a c s 系统的关键。第四章主要研究了j p e g 无损压缩编码方 法以及基于第二代小波用于图像压缩编码方法以及实现过程。 第二章d i c o m 3 0 通讯系统实现技术 第二章d i c o m 3 0 通讯系统实现技术 2 1 d i c o m 3 0 通信模型 d i c o m 标准定义7 基于i s o o s t 协议，t c p i p 协议以及点对点协议的网络通 信协议和消息交换机制。图2 1 即为其网络模型。从图中可以看出，d i c o m 应用 实体属于网络协议分层模型中的应用层。鉴于目前t c p i p 协议在互联网以及医院 内部局域网中都获得了广泛的应用，所以下面我们讨论的所有应用都是基于 t c m p 协议。 圈2 1 ：d 1 c o m 的网络模型 d i c o m 3 0 采用面向对象的思想定义了信息对象定义( i o d ) ，服务对象对 ( s o p ) ，服务类等基本概念和结构，在d i c o m 3 0 协议中，应用实体的运行和交 互都是基于客户服务器模型的，在这里，d i c o m 通常称之为服务类使用者( s c u ： s e r v i c ec l a s su s e r ) 和服务类提供者( s c p ：s e r v i c ec l a s sp r o v i d e r ) ，s c u 与s c p 利 用d i c o m 中定义的消息机制完成各种医学图像及其它相关信息的交换。 2 2 d l c o m 数据集结构及编解码方法 d i c o m 通信标准主要的功能是在不同的医学影像设备之阅实现图像信息以及 其它的相关信息的交换。这些图像信息包括c t ，m r ，u s ，c r 等常见医学图像， 回国圈回田田口 曰曰 6基于d i c o m 标准的通讯及存储技术研究 也包括一i l , 电图等波形数据，而其它的相关的信息则包括了病人的基本信息，如姓 名，年龄，性别等个人信息，也包括产生图像的身体部位，医生对图像的评价等 医学信息，同样还包括医院信息，设备信息等。对于所有的这些信息，d i c o m 协 议都定义了一套完备的数据结构来表示它们。在图像传输以及归档过程中，数据 都必须按该数据结构进行组织。所以，要研究d i c o m 协议，首先就必须对协议中 定义的数据结构进行深入了解，并能对该数据结构正确地编码和解码。 2 2 1d i c o m 3 0 中的数据集结构 在d i c o m 3 0 协议中，数据集描述的是现实世界中信息对象的实例。数据集 由数据元素组成，数据元素是对对象属性的编码。具体到医学图像，则指病人姓 名，图像长宽等属性。数据元素由数据元素标签( d a m e l e m e n t t a g ) 唯一定义的， 数据元素在数据集中按标签值递增的次序存放，且除了嵌套数据集以外，所有的 数据元素在数据集中只出现一次i i 】。数据集及数据元素的结构如图2 2 。 数据集 圈2 2 ：数据集及数据元素结构 数据元素通常由标签( t a g ) ，值类型( v r v a l u e r e p r e s e n t a t i o n ) ，值长度，值数 据体四个单元组成。在d t c o m 3 0 中，一个数据元素必为三种结构之一：其中两 种结构都包括了数据元素的v r ，但是它们的值的长度的表达方式不一样；另一种 结构则不包括数据元素的v r 。d i c o m 医学图像中的每个属性都对应一个标签， 标签是一个1 6 b i t s 的无符号整数对，按顺序排列，包括组号和元素号。v r 是一个 两字节的字符串，表示该属性的值的类型，包括日期型，长整形，字符串型等， 在d i c o m 协议的数据字典中，每个标签对应的v r 值是固定的，但编码时，数据 元素中有可能会不包含该字段。值长度为1 6 或3 2 b i t s 的无符号整数，表明了数据 值体的准确长度，通常为偶数，但如果该值为f f f f f f f f h ，则表示后面的数据值 体的长度是未定义的，未定义长度一般用于v r 类型为项目序列( s e q u e n c e o f i t e m s q ) 类型的数据元素。而该属性的具体的数值则存放在值数据体单元中。实际情 况下，当数据值体中存放字符串时，其具体的长度可能会为奇数，这时必须在前 面或后面采用补零或空格，将长度补为偶数。在v r 为s q 的数据元素中，数据值 体中存放的数据为由数据元素组成的一个或多个数据集，这些数据集的结构也符 第_ 二章d i c o m 3 0 通讯系统实现技术 合上述情况。于是，在该数据元素中形成了一个嵌套的结构，该嵌套结构见图2 3 。 数据集 幽2 3 ：d i c o m 数据集的嵌套结构 2 2 2d i c o m 数据集编解码方法及实现 d i c o m 数据集的编码就是将d i c o m 信息从原始数据流形式，按照d i c o m 应用实体协商成功的传输语法，转换成数据集的形式。传输语法是指d i c o m 中的 对等实体为了交换信息而在协商时确定的数据编码规则。d i c o m 中定义了十几种 传输语法，常用的有隐性v r 小端，显性v r 小端，显性v r 大端等，在d i c o m 3 0 中默认的传输语法为显性v r 大端川。 d i c o m 协议中存在大量的数据元素，每个数据元素包含一个标签和v r ，而 标签和v r 的对应关系是固定的，为了能对数据流f 确编码，我们制定了一个数据 元素表，该表中包含了所有数据元素的标签及v r 值，当接收到数据流时，不管传 输语法如何，我们都可根据接收的数据，从数据元素表中找到相应的标签及v r 。 由于数据集与数据元素之间结构的嵌套性，在具体实现时，我们分别定义了三个 类c l a s sd c m e l e m e n t , c l a s sd c m d a t a s e t 以及c l a s sd c m s e q u e n c e 。其中c l a s s d c m e l e m e n t 对应数据元素，该类的数据成员中包括了数掘元素的所有字段，包括 标签，v r ，长度，以及值域，其成员函数则主要实现数据元素的构造以及数据元 素的基本操作，包括获得数据元素的各个字段信息以及对这些信息进行修改等。 c l a s sd c m d a t a s e t 对应数据集，该类为c l a s s d c m e l e m e n t 类的容积【4 6 1 ，负责包含和 管理多个c l a s sd c m e l e m e n t 对象，完成对该对象的插入，删除，查找等操作。而 c l a s s d c m s e q u e n c e 则对应v r 为s q 的数据元素，它主要完成对多个c l a s s d c m d a t a s e t 对象的管理及操作。 d i c o m 数据集由数据元素组成，d i c o m 数据集编码的关键是对数据元素进 行编码，即将数据流转换成c l a s sd c m e l e m e n t 对象。在对数据元素的编码时，除了 考虑标签的多样性以外，还必须考虑传输语法对数据元素结构的影响。而且对于 某些v r 值，数据元素的格式还与图2 2 略有不同，即v r 后面不是直接跟值长度， 基于d i c o m 标准的通讯及存储技术研究 而是在v r 及值长度之间还存在2 个字节的保留位，而且不同的v r 对应不同的值 的类型，随v r 的不同，有的值为字符串，有的为数字。在d i c o m 协议中，字符 串与数字的存放方法是不同的，字符串总是按次序存放的，而数字的存放则与传 输语法有关，有的是低字节在前，有的是高字节在前，这样就给处理带来很大的 难度。为解决此类问题，我们通过归纳。将v r 分成两大类，即v r 后有保留位和 v r 后没有保留位两大类。然后根据值的类型再进一步将v r 细分为数字型和字符 串型，因为不管v r 后的值为有符号整形或无符号整形，1 6 位或3 2 位，它们在值 数据体的存储是统一的。如果v r 后面的值为长字符串型，短字符串型，日期型等， 这些值在值数据体中的存放次序也都是相同的，在操作时就可以采用相同的方法 进行处理。这样就减轻了处理的难度。对数据元素的编码的流程如图2 4 。 图2 4 ：数据元素编码流烈 数据集是建立在数据元素的基础之上的。一旦对数据元素编码成功，数据集 的编码也就很快能够实现了。由于需要对v r 为s q 的数据元素做单独处理，为此， 我们采用了递归的方法实现对整个数据集的编码，编码算法描述如下： 第二章d i c o m 3 0 通讯系统实现技术 e n c o d e d c m d a t a s e t0 ， 降兹沈( t r u e ) ，i n p u t d a t as t r e a m ； ， f i e n do f d a t a b r e a k ； g e tt a ga n d v r f r o m d a t as t r e a ma n de l e m e n t t a b l e ； c o n s t r u c ta n d c m e l e m e n t ； l j y r 。= s q t h e n e n c o d e d c m d a t a s e t ( ) e l s ee n c o d e d c m e l e m e n t ( ) ： p u s ht h ed c m e l e m e n tt od e m d a t a s e t ； ， r e t u r nd c m d a t a s e t ； ， 通过上述算法，我们就可以从原始数据流中提取出符合d i c o m 协议的自定义 数据集，并形成一个c l a s s d c m d a t a s e t 对象，其中函数e n c o d d c m e e l e m e n t 的流程 参考图2 4 。 解码是编码的逆过程，d i c o m 数据集的解码就是将d i c o m 信息按照协商成 功的传输语法，从数据集的形式，转换成原始数据流形式。由于d i c o m 数据集中 已经包含了各个数据元素中的所有的字段的信息，整个的解码方法与编码方法很 类似，只是数据流的方向不同而已。解码算法如下： d e c o d e d a t a s e t0 g e t d c m d a t a s e tt ob ed e c o d e d ； w h i l e ( d c m d a t a s e t n o te m p t y ) ， g e to n ed c m e l e m e n t f r o md c m d a t a s e t ； o u t p u tt a g f r o md c m e l e m e n t ； o u t p u tv ra n d r e s e r v e d s e g m e n t f r o md c m e l e m e n t ( a c c o r d i n g t ot r a n s f e r s y n t a x ) ； 矿v r = = s q t h e nd e c o d e d c m d a t a s e t 0 e l s e ， g e t r a w d a t a f r o md c m e l e m e n t ； r e a r r a n g ed a t aa c c o r d i n g t ot r a n s f e ，s y n t a x ； o u t p u td a t a ；) m o v et on e x td c m e l e m e n ti nd c m d a t a s e t ； ， l o基于d i c o m 标准的通讯及存储技术研究 2 3d i c o m 网络模型的实现方法 结合d i c o m 的应用模型，d i c o m 应用实体的运行机制以及t c p h p 协议的网 络分层模型，我们提出了一种d i c o m 网络的实现模型，见图2 5 。该模型将d i c o m 的协议从低到高分为4 层：t c ps o c k e t 层。d i c o m 上层协议层，d i m s e ( d i c o m m e s s a g ee x c h a n g e ) 消息交换层，s c p s c u 层。其具体结构见图2 5 。所有的图像 应用都建立在这四层之上。这4 层分别完成不同的功能，其中s c p s c u 层主要实 现d r c o m 中服务器端与客户端的各种不同的功能及行为，以及二者之涮的各种数 据通信。s c p 与s c u 之间的数据通信主要包括图像数据的传输以及与图像相关的 病人信息的传输等。这些信息的传输主要是利用d i m s e 消息服务层中的各种服务 原语实现的，包括c s t o r e ，c f i n d ，c m o v e 等。d i m s e 消息服务层的主要 功能就是将s c p s c u 层的通信需求转换成d i c o m 中规定的各种消息服务原语， 然后将消息服务原语传给下一层。在收到该消息服务原语后，d l c o m 上层协议层 首先通过协议关联单元实现两个对等的应用实体的关联，商讨抽象句法以及传输 句法。完成关联后，d i c o m 上层协议层将消息服务原语以及附加的信息组织成协 议数据单元，并实现数据交换。上层协议层所有的关联以及数据交换都是基于t c p s o c k e t 层的，t c ps o c k e t 层的功能主要是在t c p i p 网络的基础上实现不同机 器之阔的二进制数据交换。下面将分别详细介绍上述各层的结构，流程以及实现 方法。 图像应用 t i ：盏u一黼 d i m s e 消息交换层 嘲叫肛燃羽 d i c o m f ：层济议 建立关联关联释放数据传输关联- h k ，”b a t h - t t c ps o c k e t 建立连接传输p d u断开连接 图2 5 ：d i c o m 网络的实现模型 第二章d i c o m 3 0 通讯系统实现技术 2 3 1t c ps o c k e t 层的实现 如上所述，d i c o m 所有的上层协议都属于应用层。而所有的与d i c o m 相关 的信息都被封装成协议数据单元( p r o t o c o ld a t au n i t ，p d u ) 通过t c ps o c k e t 层 传送。该层负责t c p 的连接，建立，释放。以及数据的传送接收等，为上层的协 议提供t c p 服务。当d i c o m 上层需要建立网络连接时，它会向t c p 发送c o n n e c t 请求原语，当收到此原语后，t c p 层负责建立网络连接，一旦连接成功，t c p 将 向上层发送c o p d l e c t 确认原语，表示连接成功。 这里，我们利用了t c p f l p 协议的通信机制，通过调用w i n d o w s 操作系统提供 的s o c k e t a p i 函数，实现t c p 的连接，数据传输等各种功能。具体实现时，我 们定义了一个s o c k e t 类。该类定义了建立，关闭，释放t c p 以及交换数据的各种 方法及基本操作。 2 3 2d i c o m 上层协议层的实现 2 3 2 1d i c o m 上层协议 上层协议( u p p e r l a y e r p r o t o c 0 1 ) 是d i c o m 为了实现自身功能而对t c p f l p 协议 进行扩充性定义静应用层协议。d i c o m 标准的第八豁分中给出了u l p 状态机以 及u l pp d u 的格式【i 】。u l p 的上层服务主要包括关联建立服务a a s s o c i a t e ， 关联释放服务a r e l e a s e ，关联异常中止服务a a b o r t 以及数据传输服务 p - d a t a 。 通常，应用实体都通过使用u l p ，完成关联管理和数据传输。针对不同类型 的关联服务，应碍实体向u l p 实体发送原语和接收来自u l p 实体的原语。举例说 明使用关联建立服务时，双方应用实体需要交换的原语及过程，如下： 一a s h e l t i ： l 一掌琢凰 一 i ：；0 c a l t e 确认原语 d i c o w ：屈服务 j 堇j2 6 ；d i c o m 关联流矬 在协议级，d i c o m 对应上述的请求、指示原语定义了请求p d u ，对结果不同的响 应、确认原语，定义了接受、拒绝p d u 。比如，a a s s o c i a t e 请求指示原语对 应a a s s o c i a t e r qp d u 。a - a s s o c i a t e 确认响应原语对应 基丁d i c o m 标准的通讯及存储技术研究 a a s s o c i a t e a c a jp d u 。另外，在关联结束时还包括关联释放请求 a r e l e a s e r q ，关联释放响应a r e l e a s e - r p 以及数据传输时的p - d a t a - t f 等。 t c p 连接与关联通常是一一对应的。关联的建立，释放，中止，数据传输等 都要依靠t c p 的连接服务来完成。当d i c o m 上层协议实体要建立一条关联时， 上层实体向t c p 服务发送c o n n e c t 请求原语，一旦收到t c p 的确认原语( 表示连 接成功) ，协议实体将向对等的d i c o m 上层协议实体发送a - a s s o c i a t e - r q p d u ，即建立基于d i c o m 的关联连接，如果对等实体处于激活状态且同意建立连 接，它将回送一个a a s s o c i a t e a cp d u ，否则它将回送一个a a s s o c i a t e - a j p d u 。 2 3 2 2协议单元的数据结构 在d i c o m 3 0 协议中，协议单元中的所有流程，包括建立连接，数据传输， 断开连接等过程中的所有数据流都遵循一定的数据结构。整个协议单元的数据结 构主要包括两大单元：其一为协议关联单元，另一个为协议数据单元( p d a t a ) 。 这两个单元的数据结构分别如图2 7 和图2 8 。在下面两图中，每个表格分别对应 了协议单元中的不同信息字段，阴影部分为协议中的保留字段，每个字段下面的 数字表示该字段的长度，以字节为单位。 图2 7 对应了d i c o m 协议单元关联过程中的a a s s o c i a t e - r q a c 的数结 构。该结构中的各个项的含义如下：其中p d u 类型分别对应了a a s s o c i a t e r q 以及a a s s o c i a t e - a c ，p d u 长度代表整个数据结构所占的字节数。在d i c o m 3 0 中默认的协议版本为l ，而c a l l e de n t i t yt i t l e 以及c a l l i n ge n t i t yt i t l e 分别指被请求 方以及请求方的d i c o m 实体名称。每个关联的数据单元都包括了一个应用层句法 项，一个或多个表示层句法项以及一个用户信息单元项，每个项由具体的项目类 型的值来区分。在d i c o m 3 0 中，应用层句法项的内容是不变的。而每个表示层 句法中都代表d i c o m 协议中各种操作类型，如c t 图像存储，m r 图像存储，图 像信息查找等，而表示层句法中的抽象句法则代表了各种操作的具体名称，传输 句法则代表了应用实体所支持的该操作的传输句法，传输句法是指完成该操作时 的数据结构。 图2 8 为p d a t a 的结构。该结构由p d u 类型，保留字段，p d u 长度以及长 度可变的信息字段构成，其中信息字段分为d i c o m 命令信息和d i c o m 数据信息 构成，d i c o m 命令信息和数据的结构由d i c o m 最基本的数据集t a g 组成。 第二章d i c o m 3 0 通讯系统实现技术 p d i j 类掣 _ 麻用层 匕下文l 项| 表示层j t 下文l 项 l 揣隐 p d u l 协议 长虚l 版本 42 c a l l e d h t i t y t i t l e 1 6 嚣! 删层r 下文i 2 i ( ：6 4 l 节i 警 斟群1 纠 铡蠹矧 纠叫螫下面的卜 度怛 - 叮变字段 ( 包含下面的项) ( 包暮睾豁g i 圳( 包含下面项) 竺句鼍一肛0 n l y o n e i n r q “ ，6 4 一 传输句法( h l y m o r r 。j b i c 加e 坩n 阳 6 4 魏睫奁。 24 图2 7 ；协议关联单元( a a s s o c i a t e r q a c ) f 磊 1 p d u l1 4 _ 变宁段 长度l( 包含个或多个表示层数据) 4 二一 圳攀l 瓣 图2 8 ：协议数据单元( p - d a t a t f ) 2 3 2 3上层协议层的实现方法 实现上层协议层，主要是在t c p s o c k e t 的基础上。接收来自t c p 网络的数 据流，并按照图2 7 中的关联结构分析数据流，然后根据分析的结果，返回相应结 构的数据。其核心就是动态接收数据，并实时对数据进行分析，解析出 a a s s o c i a t e r q 中的各种参数，并做出a a s s o c i a t e a c 回应，完成关联过程。 关联过程一旦完成，s c u 与s c p 之间就可以实现d i c o m 中规定的其它的服务类 的操作。 从图2 7 可以看出，整个协议关联单元的数据结构基本是从上至下的嵌套结 构，所以要解析关联过程中的数据流，必须将数据流依次输入结构中对应的数据 单元。为了更好的解析数掘，我们为每个关联结构中的每一项都定义了一个相应 鬻掩 _ 黔 项类。咐要!j。 1 4基于d i c o m 标准的通讯及存储技术研究 的类，每个类除了包含该结构项的数据结构外，还包含了对该结构的所有操作， 包括输入输出等。对于p d u 类的定义，下面我们将以关联建立请求 a a s s o c i a t e r qp d u 为例，讨论关联p d u 类的接口定义，包括类的成员变量 以及成员函数等。同时我们通过继承所有的关联p d u 类，定义一个p d u s e r v i c e 子类，该子类可以为上层的d i m s e 消息层提供d i c o m 服务，包括连接建立，数 据传输等。 为了与s c p 建立关联，s c u 必须向s c p 发送关联建立请求数据单元，即 a - a s s o c i a t er q p d u ，为实现此功能，我们定义了a a s o c i a t e r q 类。 a a s o c i a t e r q 即为a a s s o c i a t er qp d u 的抽象，类的成员变量分别对应 a a s s o c i a t e r q 中的各个字段。对于下面嵌套的字段，我们分别定义了 a p p l i c a t i o n c o n t e x t ，p r e s c o n t e x t 以及u s e r l n f o r m a t i o n - - - 个类分别对应应用上下文法 项，表示层上下文项和用户信息项。这三个类的定义方法与a a s s o c i a t e r q 相 同。a - a s s o c i a t e - r q 类的定义如下： c l a s s a a s o c i a t e r q ， b y t e l t e m t y p e ；，项目类型。用于区分上层协议单元或协议单元的子项 目。对应a s s o c i a t i o n p d u 中的0 x 0 1 ： b y t e r e s e r v e ；1 1 保留位：通常为o ： u i n t 3 2 l e n g t h ； 协议单元的数据总长度： u i n t l 6p r o t o c o l v e r s i o n ；办议版本号，在d i c o m 3 0 中，该值为1 ： b y t e r e s e r v e ；保留位；通常为0 ； b y t e c a l l e d a e 7 7 t l e 1 7 1 ；被呼叫的应用实体的d i c o m 标识，最大长度 为1 6 ： b i t e g 硼棚g f 4 e 乃比口刁，呼叫请求方的应用实体的d i c o m 标识，最长 为1 6 ； b y t e r e s e r v e 3 2 j ； 保留位： a p p l i c a t i o n c o n t e x ta p p c o n t e x t ；脏用层句法项； a r r a y p r e s e n t a t i o n c o n ； 表示层句法项： u s e r l n f o r m a t i o nu s e r l n f o ； 用户信息项： p u b i c ： a 4 s o c i a t e r q o ?构造函数； s e n d d a t a o j，发送网络数据： r e c e i v e d a t a o i接收网络数据： 第二章d i c o m 3 0 通讯系统实现技术 而p d u _ s e r v i e e 则继承了a a s o c i a t e r q ，a a s o c i a t e a ea r e a l e a s e 等类，该类 可以实现d i c o m 关联的建立，关闭。维护以及数据的交换等功能。整个关联过程 的流程如图2 9 。 关联过程完成之后，s c u 与s c p 之间就可以开始数据传输。数据传输包括 d i c o m 命令传输以及d i c o m 信息传输，命令和信息都是由数据元素组成的 d i c o m 数据集，数据传输流程见图2 1 0 。 刘磊一一；i 泖 定义个p 跚_ s e , r v i c e 英对聋定义一个p d 也s e r v i 类对聋 口s fi x s c p i 调用跚腑方法设置 a s o c i a t 啪的各种参数。 设置应用句法项表示层句法 调用跚啪方法监听端口 向以及用户信息等参教 一审 蓐茹l 接收来自s 珊的 卅s s o c i t e 一阳 p 跚，然后根据解析出的参数 判断自己支持其中的哪蝗