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(jià)值。但往往這類(lèi)影像圖像的數(shù)量很大，每個(gè)圖像所占的存儲(chǔ)空間也不小。為了減少存儲(chǔ)成本，提高圖像在遠(yuǎn)程醫(yī)療中網(wǎng)絡(luò)中的傳輸速度，對(duì)醫(yī)療影像進(jìn)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(lèi)型的冗余：編碼冗余，像素間冗余及心理視覺(jué)冗余。傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)圖像壓縮可分為無(wú)損壓縮和有損壓縮兩大類(lèi)[1-2]：無(wú)損壓縮的壓縮過(guò)程是可逆的，即從壓縮后的圖像能夠完全恢復(fù)出原來(lái)的圖像，信息沒(méi)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(guò)程是不可逆的，即無(wú)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(lái)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(shí)際的臨床應(yīng)用中，使圖像既能經(jīng)過(guò)壓縮便于存儲(chǔ)傳輸，又不會(huì)影響臨床診斷，需要對(duì)以上傳統(tǒng)的兩種方法進(jìn)行折衷，在兩者之間尋找一個(gè)合適的切入點(diǎn)，新發(fā)布的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000[3-4] 同時(shí)支持有損和無(wú)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(chǔ)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(hù)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(dá)到在顯示的時(shí)候突出重點(diǎn)的目的。對(duì)一幅醫(yī)學(xué)圖像來(lái)說(shuō)，不同的醫(yī)生對(duì)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(duì)視覺(jué)影響不大就行。所以選擇對(duì)“感興趣部分ROI(region of interest)”進(jìn)行無(wú)損壓縮，其余的部分采用上述的有損壓縮方式進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)原圖像數(shù)據(jù)進(jìn)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(lái)，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(duì)變換后的小波系數(shù)進(jìn)行量化，接著對(duì)量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行ROI編碼，最后形成輸出碼流。解碼器是編碼器的逆過(guò)程。

根據(jù)用戶(hù)的需要來(lái)定義一個(gè)掩碼圖像信息(Mask )，掩碼圖像信息實(shí)際是一個(gè)對(duì)應(yīng)于整幅原始圖像的二值圖像數(shù)據(jù)，在定義了對(duì)應(yīng)于與原始圖像的掩碼圖像信息后，還需要進(jìn)一步求出小波變換后對(duì)應(yīng)于各個(gè)子帶的掩碼，即mask#39;(x，y)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)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(lái)區(qū)別ROI區(qū)域和背景區(qū)域的數(shù)據(jù)。然后將各個(gè)子帶中與ROI區(qū)域相關(guān)的系數(shù)相對(duì)于背景區(qū)域進(jìn)行上移位處理，從而實(shí)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(guò)程中也會(huì)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(guò)程中，可以先顯示“感興趣部分”再顯示其余圖像，實(shí)現(xiàn)一種漸進(jìn)傳輸方式。當(dāng)“感興趣部分”傳輸完成后，再對(duì)其余部分進(jìn)行漸進(jìn)傳輸，滿(mǎn)足需要后，可以不再傳輸細(xì)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(mǎn)足系統(tǒng)要求。

4  JPEG2000中的圖像ROI編碼方法

因?yàn)镽OI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(gè)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(duì)矩形框內(nèi)的區(qū)域采取高質(zhì)量壓縮，對(duì)框外區(qū)域采取低質(zhì)量壓縮。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是易于交互式的區(qū)域指定操作，壓縮實(shí)現(xiàn)容易，但是有個(gè)很明顯的缺點(diǎn)就是效率低下，特別是如果圖像的ROI區(qū)域呈凹狀的時(shí)候。

方案B是用若干個(gè)小矩形框?qū)D像的ROI區(qū)域完全覆蓋，然后再分別對(duì)各個(gè)矩形框內(nèi)以及框外的區(qū)域進(jìn)行不同質(zhì)量的壓縮。實(shí)際應(yīng)用中，為了易于實(shí)現(xiàn)，通常是對(duì)圖像進(jìn)行網(wǎng)格狀的劃分處理，即把圖像分成若干個(gè)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(jìn)行高質(zhì)量壓縮;哪些不包括目標(biāo)區(qū)域，需要進(jìn)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(duì)圖像Mask信息覆蓋的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行高質(zhì)量壓縮，而對(duì)其他區(qū)域進(jìn)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(shí)現(xiàn)。

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

本文使用JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)的Maxshift法對(duì)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(jí)小波分解。碼塊大小為64 x 64，對(duì)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(wú)損壓縮時(shí)的圖像，可以發(fā)現(xiàn)該圖與原始圖像相比質(zhì)量沒(méi)有下降，圖5是比特率為1.0bpp時(shí)的有損壓縮圖像，與原圖像相比圖像質(zhì)量沒(méi)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(shí)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(méi)有下降，因此，我們可以通過(guò)選選取適當(dāng)?shù)谋忍芈蕘?lái)犧牲一部分背景區(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(guò)以上的實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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??；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(yuǎn)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(chǔ)、網(wǎng)上醫(yī)療和遠(yuǎn)程會(huì)診等方面。

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