基于JPEG 2000的醫(yī)學(xué)圖像ROI壓縮
1 引言
醫(yī)學(xué)圖像是醫(yī)學(xué)診斷和疾病治療的重要根據(jù),在臨床上具有非常重要的應(yīng)用價值。但往往這類影像圖像的數(shù)量很大,每個圖像所占的存儲空間也不小。為了減少存儲成本,提高圖像在遠程醫(yī)療中網(wǎng)絡(luò)中的傳輸速度,對醫(yī)療影像進行壓縮是必要的是關(guān)鍵的技術(shù)之一。
2 傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)圖像壓縮方法
醫(yī)學(xué)圖像壓縮的主要目標(biāo)是刪除三種不同類型的冗余:編碼冗余,像素間冗余及心理視覺冗余。傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)圖像壓縮可分為無損壓縮和有損壓縮兩大類[1-2]:無損壓縮的壓縮過程是可逆的,即從壓縮后的圖像能夠完全恢復(fù)出原來的圖像,信息沒有任何丟失,可保留醫(yī)療圖像中的全部信息,但壓縮比普遍不高,一般在2:1至3:1之間。有損壓縮的壓縮過程是不可逆的,即無法完全恢復(fù)出原圖像,信息有一定的丟失,可以取得高的壓縮比,一般在50:1左右,甚至更高,但有可能使醫(yī)學(xué)圖像中的重要信息丟失,可能為確切診斷帶來影響。
3 基于感興趣區(qū)域的選擇性醫(yī)學(xué)圖像壓縮 3.1 壓縮思想及原理
為了在實際的臨床應(yīng)用中,使圖像既能經(jīng)過壓縮便于存儲傳輸,又不會影響臨床診斷,需要對以上傳統(tǒng)的兩種方法進行折衷,在兩者之間尋找一個合適的切入點,新發(fā)布的國際標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000[3-4] 同時支持有損和無損壓縮,而JPEG只能做到有損壓縮。JPEG2000使用基于小波變換技術(shù)和最新算術(shù)熵編碼技術(shù),試圖使壓縮后的圖像不但擁有較高的壓縮比便于存儲傳輸,此外,JPEG2000的誤差穩(wěn)定性也比較好,能更好地保證圖像的質(zhì)量。
所謂感興趣區(qū)域(Region of Interest, ROI)是指用戶可以任意指定其感興趣區(qū)域圖像的壓縮質(zhì)量,或者選擇指定的部分先解壓縮,以達到在顯示的時候突出重點的目的。對一幅醫(yī)學(xué)圖像來說,不同的醫(yī)生對圖像的不同部分的要求是不同的,醫(yī)生真正關(guān)心的只是與他診療有關(guān)的那部分病變區(qū)域,而其他區(qū)域的質(zhì)量只要對視覺影響不大就行。所以選擇對“感興趣部分ROI(region of interest)”進行無損壓縮,其余的部分采用上述的有損壓縮方式進行編碼傳輸,從而既保留了醫(yī)學(xué)圖像的診斷性又提高了壓縮比。這就是感興趣區(qū)域的選擇性醫(yī)學(xué)圖像壓縮策略。
3.2 編碼流程
要實現(xiàn)對感興趣區(qū)域的優(yōu)先編碼,必須采用嵌入式編碼方案,嵌入ROI后的壓縮編碼流程如圖1所示。JPEG2000編碼器的結(jié)構(gòu)首先對原圖像數(shù)據(jù)進行離散小波變換,小波轉(zhuǎn)換的主要目的是要將影像的頻率成分抽取出來,通常,低頻部分可保留影像的全貌,而高頻部分則發(fā)生在所謂的邊緣。然后對變換后的小波系數(shù)進行量化,接著對量化后的數(shù)據(jù)進行ROI編碼,最后形成輸出碼流。解碼器是編碼器的逆過程。
根據(jù)用戶的需要來定義一個掩碼圖像信息(Mask ),掩碼圖像信息實際是一個對應(yīng)于整幅原始圖像的二值圖像數(shù)據(jù),在定義了對應(yīng)于與原始圖像的掩碼圖像信息后,還需要進一步求出小波變換后對應(yīng)于各個子帶的掩碼,即mask#39;(x,y),從而實現(xiàn)對各個子帶數(shù)據(jù)的上移位處理。生成掩碼的方法有兩種:回朔法和衍生法。掩碼圖像信息用來區(qū)別ROI區(qū)域和背景區(qū)域的數(shù)據(jù)。然后將各個子帶中與ROI區(qū)域相關(guān)的系數(shù)相對于背景區(qū)域進行上移位處理,從而實現(xiàn)ROI區(qū)域的數(shù)據(jù)能夠得到優(yōu)先的位平面編碼處理,并保證ROI區(qū)域的數(shù)據(jù)信息被放在生成碼流的前端。相應(yīng)的,ROI區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)在解碼過程中也會得到優(yōu)先恢復(fù),使得ROI區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)比背景區(qū)域更好的恢復(fù)效果。
圖1 嵌入ROI后的壓縮編碼流程
傳輸過程中,可以先顯示“感興趣部分”再顯示其余圖像,實現(xiàn)一種漸進傳輸方式。當(dāng)“感興趣部分”傳輸完成后,再對其余部分進行漸進傳輸,滿足需要后,可以不再傳輸細節(jié)部分。這樣可以減少數(shù)據(jù)量的傳輸,提高傳輸速度,滿足系統(tǒng)要求。
4 JPEG2000中的圖像ROI編碼方法
因為ROI區(qū)域是不規(guī)則的任意形狀,解決的方案有三種,分別如下所述:
方案A是用一個大矩形框?qū)D像的ROI區(qū)域完全覆蓋(如圖2(1)所示),然后對矩形框內(nèi)的區(qū)域采取高質(zhì)量壓縮,對框外區(qū)域采取低質(zhì)量壓縮。這種方法的優(yōu)點是易于交互式的區(qū)域指定操作,壓縮實現(xiàn)容易,但是有個很明顯的缺點就是效率低下,特別是如果圖像的ROI區(qū)域呈凹狀的時候。
方案B是用若干個小矩形框?qū)D像的ROI區(qū)域完全覆蓋,然后再分別對各個矩形框內(nèi)以及框外的區(qū)域進行不同質(zhì)量的壓縮。實際應(yīng)用中,為了易于實現(xiàn),通常是對圖像進行網(wǎng)格狀的劃分處理,即把圖像分成若干個大小相同的“片(slice )”(如圖2(2)所示),然后根據(jù)圖像目標(biāo)區(qū)域的Mask信息,確定哪些
slice包含有目標(biāo)區(qū)域,需要進行高質(zhì)量壓縮;哪些不包括目標(biāo)區(qū)域,需要進行低質(zhì)量壓縮。slice選取的大小將決定區(qū)域覆蓋的精確度,即影響壓縮的效率。
方案C是只對圖像Mask信息覆蓋的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進行高質(zhì)量壓縮,而對其他區(qū)域進行低質(zhì)量壓縮〔如圖2(3)所示)。但是,由于目標(biāo)區(qū)域很可能是任意形狀的,而普通的離散小波變換、離散余弦變換等都不支持這種任意形狀的圖像分解,因此該方案需要特殊的圖像變換和編碼技術(shù)才能實現(xiàn)。
5 實驗與結(jié)論
本文使用JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)的Maxshift法對單幅數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像的感興趣區(qū)域做ROI壓縮,該圖像分辨率為332 x 385, 采用5級小波分解。碼塊大小為64 x 64,對ROI使用矩形框選定,位置和大小可選。
圖3為8bit的BMP原始圖像,圖4是無損壓縮時的圖像,可以發(fā)現(xiàn)該圖與原始圖像相比質(zhì)量沒有下降,圖5是比特率為1.0bpp時的有損壓縮圖像,與原圖像相比圖像質(zhì)量沒有明顯下降,圖6是ROI區(qū)域在原圖像中的位置和大小,ROI區(qū)域面積約為整幅圖像面積的1/16。圖7和圖8分別是比特率為0.5bpp和0.3bpp時的圖像,雖然這兩幅圖像的背景區(qū)域的圖像質(zhì)量跟原始圖像相比有一定損失,尤其是圖8的損失更大,但是這兩幅圖像ROI區(qū)域的圖像質(zhì)量跟原始圖像相比質(zhì)量并沒有下降,因此,我們可以通過選選取適當(dāng)?shù)谋忍芈蕘頎奚徊糠直尘皡^(qū)域的質(zhì)量,從而保證圖像中的RO1區(qū)域質(zhì)量不下降。
通過以上的實驗我們可以得出結(jié)論:JPEG2000能夠?qū)崿F(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像的高質(zhì)量的壓縮,尤其是能夠以ROI壓縮方式實現(xiàn)對圖像中感興趣區(qū)域的壓縮,采用選擇性醫(yī)學(xué)圖像壓縮算法恢復(fù)的圖像精度是不同的,ROI部分精度高,誤差小;其余部分精度低,誤差大。由于ROI區(qū)域可以為醫(yī)師提供更有效的診斷,非ROI區(qū)域的壓縮比相當(dāng)高,正好適應(yīng)了遠程醫(yī)療系統(tǒng)中高壓縮比、傳輸速度快和診斷性能高的要求,將廣泛的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像存儲、網(wǎng)上醫(yī)療和遠程會診等方面。
參考文獻
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