洪 歧， 王 力

(陜西理工學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723000)

0 引言

為適應(yīng)不同應(yīng)用需要，當(dāng)今社會(huì)圖像的格式越來(lái)越多，解讀不同格式的圖像文件以便讀取出圖像數(shù)據(jù)，對(duì)后期的圖像顯示、處理顯得非常重要。目前，雖然已經(jīng)有一些數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的解剖資料，但對(duì)它們的解剖并不深入，也沒有對(duì)多種不同數(shù)據(jù)源進(jìn)行集中對(duì)比，更無(wú)從知曉如何將其納入一個(gè)實(shí)用系統(tǒng)中。為此，本文對(duì)常見的BMP、JPEG、DICOM三種不同數(shù)據(jù)源存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)集中進(jìn)行了深入分析，然后將三種不同數(shù)據(jù)源與我們自己研發(fā)的“三維醫(yī)學(xué)圖像可視化系統(tǒng)”所需數(shù)組IntigrateData[225][256*256]相對(duì)應(yīng)，從而為明了一個(gè)實(shí)用系統(tǒng)讀取更大數(shù)據(jù)范圍的方法提供參考。

1 三維醫(yī)學(xué)圖像可視化系統(tǒng)中數(shù)據(jù)組織[1-2]

近年來(lái)，我們針對(duì)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域需要，研發(fā)了“三維醫(yī)學(xué)圖像可視化系統(tǒng)”。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)三維圖像裸數(shù)據(jù)的讀入、處理、顯示等功能。下面具體介紹該系統(tǒng)中三維圖像數(shù)據(jù)讀入模塊的數(shù)據(jù)組織情況。在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀入模塊中，我們?cè)O(shè)定了一個(gè)225×256×256的IntigrateData[225][256*256]數(shù)組，用以存放除裸數(shù)據(jù)外一般的三維圖像數(shù)據(jù)。

數(shù)組的第二維數(shù)據(jù)構(gòu)成單片的圖像，即一張像素256×256的灰度圖片(選擇灰度圖片的原因是因?yàn)楫?dāng)前的醫(yī)學(xué)圖片均以灰度居多)，第一維表示可以由225張圖片疊加構(gòu)成3D圖片，這樣就可以從三維不同的角度進(jìn)行觀察。本系統(tǒng)現(xiàn)在能夠讀入的圖像裸數(shù)據(jù)是由113片的圖像數(shù)據(jù)組成，先將這些數(shù)據(jù)讀入一個(gè)viewdata[113][256*256]數(shù)組之中，通過(guò)相鄰兩片插值，形成225個(gè)單片數(shù)據(jù)，并將其放入IntigrateData[225][256*256]數(shù)組中，完成數(shù)據(jù)讀取，之后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單片平面及整體三維處理、顯示工作。

2 BMP圖像格式分析與其圖像數(shù)據(jù)的提取

BMP文件格式是Windows系統(tǒng)中廣泛使用的圖像文件格式。三維醫(yī)學(xué)圖像可視化系統(tǒng)讀取BMP圖像數(shù)據(jù)就是要將其位圖像素?cái)?shù)據(jù)讀入系統(tǒng)的數(shù)組IntigrateData[225][256*256]中。為此，首先，要找到圖像數(shù)據(jù)在BMP文件中的起始位置，這個(gè)信息就包含在BMP文件頭里面。BMP文件的數(shù)據(jù)按照從文件頭開始的先后順序分為四個(gè)部分:BMP文件頭(BMP file header)、位圖信息頭(bitmap information)、調(diào)色板(color palette)、位圖數(shù)據(jù)(bitmap data)，如表1所示。

表1 BMP圖像文件結(jié)構(gòu)

Windows下BMP文件頭結(jié)構(gòu)體定義如下:

其中，bfOffBits用以表示圖像數(shù)據(jù)的起始位置，這是一個(gè)相對(duì)于文件頭部的偏移量，并以字節(jié)為單位;第二步要讀取的是BMP圖像的高度和寬度數(shù)據(jù)，而這兩個(gè)數(shù)據(jù)則在位圖信息頭里面，Windows下位圖信息頭結(jié)構(gòu)體定義如下:

高度和寬度分別以biHeight和biWidth表示，以像素為單位;最后，要注意的就是BMP圖像數(shù)據(jù)的對(duì)齊規(guī)則。那就是對(duì)于位圖數(shù)據(jù)區(qū)域而言，每行的數(shù)據(jù)它必須湊滿4字節(jié)，如果沒有滿，則用冗余的數(shù)據(jù)來(lái)補(bǔ)齊。考慮到這個(gè)特性，我們?cè)诔绦蛑羞\(yùn)用每行像素字節(jié)數(shù)計(jì)算方法line_width=(width*bit_count+31)/32*4來(lái)讀取位圖數(shù)據(jù)(這里的bit_count為固定值8，當(dāng)biBitCount=8時(shí)，則這張BMP文件圖像就是灰度圖像)。

這樣，我們就可以將位圖數(shù)據(jù)重新處理，讀入我們系統(tǒng)的數(shù)組中了。本系統(tǒng)中讀取數(shù)據(jù)的部分代碼如下:

3 JPEG圖像格式分析與其圖像數(shù)據(jù)的提取

在JPEG文件中，圖像像素?cái)?shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)壓縮的，所以在讀入系統(tǒng)數(shù)組之前，必須對(duì)像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行解壓。解壓出圖像的像素?cái)?shù)據(jù)之后，就可以將像素?cái)?shù)據(jù)讀入三維醫(yī)學(xué)圖像可視化系統(tǒng)的數(shù)組IntigrateData[225][256*256]中，完成圖像顯示。

我們先敘述JPEG文件的解壓縮過(guò)程，然后說(shuō)明如何將解壓后的圖像像素?cái)?shù)據(jù)讀入該系統(tǒng)。JPEG文件大體上可以分成兩個(gè)部分:標(biāo)記碼(Tag)和壓縮數(shù)據(jù)。標(biāo)記碼(Tag)由兩個(gè)字節(jié)組成，前一個(gè)字節(jié)為固定值0xFF，后面一個(gè)字節(jié)則是根據(jù)不同意義有不同數(shù)值。在一個(gè)完整的兩字節(jié)標(biāo)記碼后，就是該標(biāo)記碼對(duì)應(yīng)的壓縮數(shù)據(jù)流，記錄了關(guān)于文件的多種信息。以下列出最常見、最常用到的標(biāo)記代碼:

壓縮過(guò)程一般分為顏色轉(zhuǎn)換、DCT變換、量化、熵編碼四個(gè)步驟，解壓過(guò)程就是壓縮過(guò)程的逆過(guò)程，即從壓縮后的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)熵編碼的解碼、反量化、逆向DCT變換、顏色的還原，最終得到原始的圖像數(shù)據(jù)。壓縮過(guò)程中的四個(gè)步驟，而解壓就是其逆過(guò)程。

3.1 顏色轉(zhuǎn)換

JPEG文件格式的壓縮方法是支持YCrCb顏色模式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而一般的圖像都是RGB顏色模式，所以要進(jìn)行壓縮就要先進(jìn)行RGB顏色模式向YCrCb顏色模式轉(zhuǎn)變。公式如下:

而在解壓的過(guò)程中要在屏幕上顯示圖像，就必須是RGB模式表示的，YCrCb顏色模式向RGB顏色模式轉(zhuǎn)變的模式如下:

3.2 DCT 變換

DCT變換將時(shí)間或空間數(shù)據(jù)變成頻率數(shù)據(jù)，利用人的視覺對(duì)高頻信號(hào)(的變化)不敏感和對(duì)不同頻帶數(shù)據(jù)的感知特征不一樣等特點(diǎn)，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。在JPEG壓縮中是將圖像信號(hào)在頻率域上進(jìn)行變換，分離出高頻和低頻信息，然后對(duì)圖像的高頻部分(即圖像細(xì)節(jié))進(jìn)行壓縮。以像素為單位將圖像劃分為多個(gè)8×8的矩陣，對(duì)每一個(gè)矩陣作DCT變換，把8×8的像素矩陣變成8×8的頻率系數(shù)矩陣。公式如下:

其中:f(i，j)為原始圖像數(shù)據(jù)空間的函數(shù);i為像素所處的行，j為像素所處的列;u和v為經(jīng)過(guò)DCT變換后對(duì)應(yīng)頻域空間的行和列;F(u，v)為經(jīng)過(guò) DCT變換后對(duì)應(yīng)頻域空間的函數(shù)。當(dāng)u=0，v=0時(shí)C(u)，C(v)=;當(dāng)u＞0，v＞0時(shí)C(u)，C(v)=1。解壓就是上面正向變換的逆變換，公式如下:

3.3 量 化

量化是將系數(shù)(經(jīng)過(guò)DCT變換后的頻率)映射到更小的取值范圍，過(guò)程就是將頻率系數(shù)中的頻率系數(shù)值除以對(duì)應(yīng)量化矩陣中對(duì)應(yīng)的值，然后取與得到的結(jié)果最接近的整數(shù)。量化的具體計(jì)算公式為:

其中Sq(u，v)為量化后的結(jié)果，F(xiàn)(u，v)為DCT系數(shù)，Q(u，v)為量化表中的數(shù)值，round為舍入取整函數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)量化表如表2和表3。

表2 色差量化值

表3 亮度量化值

數(shù)據(jù)量化后，矩陣中的數(shù)據(jù)都是近似值，和原始圖像數(shù)據(jù)之間有了差異，這一差異是造成圖像壓縮后失真的主要原因。

3.4 熵編碼

在JPEG圖像壓縮的熵編碼采用的是哈夫曼編碼?？梢杂煤?jiǎn)單的查表方法進(jìn)行快速的編碼。壓縮數(shù)據(jù)時(shí)，哈夫曼編碼對(duì)出現(xiàn)頻度比較高的分配比較短的代碼，而對(duì)出現(xiàn)頻度較低的分配比較長(zhǎng)的代碼。

通過(guò)對(duì)圖像數(shù)據(jù)的壓縮處理，和各種標(biāo)記代碼組成一幀一幀的數(shù)據(jù)，這樣就組織成了JPEG位數(shù)據(jù)流(JPEG bitstream)。通過(guò)標(biāo)記代碼的識(shí)別找到應(yīng)該解壓的壓縮數(shù)據(jù)，用解壓方法，就能將JPEG的圖像數(shù)據(jù)讀取出來(lái)。

讀取JPEG格式數(shù)據(jù)到本系統(tǒng)中的部分代碼如下:

4 DICOM醫(yī)學(xué)圖像格式分析與其圖像數(shù)據(jù)的提取

DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)標(biāo)準(zhǔn)是用于醫(yī)學(xué)圖像存儲(chǔ)和傳輸?shù)膰?guó)際標(biāo)準(zhǔn)。我們研發(fā)的三維醫(yī)學(xué)圖像可視化系統(tǒng)主要是針對(duì)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行處理，而DICOM醫(yī)學(xué)圖像格式分析與對(duì)其圖像數(shù)據(jù)的提取正是醫(yī)學(xué)圖像處理的基礎(chǔ)。

DICOM文件可分為文件頭和數(shù)據(jù)集兩部分。文件頭主要包含文件識(shí)別信息，主要由128個(gè)00H字節(jié)組成，接下來(lái)是DICOM前綴，是一個(gè)長(zhǎng)度為4字節(jié)的字符串“DICOM”，可以根據(jù)該值來(lái)判斷一個(gè)文件是不是DICOM文件。緊接著就是最重要的數(shù)據(jù)集。DICOM數(shù)據(jù)集就是由DICOM數(shù)據(jù)元素按照一定的順序排列組成。每個(gè)數(shù)據(jù)元素均由標(biāo)簽(tag)、值的含義(value representation，以VR表示，是可選項(xiàng))，值域長(zhǎng)(value length)和值域(value field)組成。DICOM文件結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)元素如圖1所示。

圖1 DICOM文件結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)元素

DICOM所有數(shù)據(jù)元素都有一個(gè)唯一的標(biāo)簽，由組號(hào)(2字節(jié)無(wú)符號(hào)整數(shù))和元素號(hào)(2字節(jié)無(wú)符號(hào)整數(shù))組成。本文主要介紹的是圖像數(shù)據(jù)的提取，所以只要找到圖像數(shù)據(jù)所代表的標(biāo)簽，再編程將圖像數(shù)據(jù)讀出即可。下面幾個(gè)數(shù)據(jù)元素的標(biāo)簽(0028，0010)圖像的行、(0028，0011)圖像的列數(shù)、(7FE0，0010)圖像像素?cái)?shù)據(jù)，是在DICOM圖像數(shù)據(jù)提取的過(guò)程中必須的。

具體的讀取DICOM圖像數(shù)據(jù)代碼如下:

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

我們利用VC++6.0開發(fā)工具，對(duì)BMP、JPEG及DICOM三種不同格式數(shù)據(jù)源讀取工作進(jìn)行了研發(fā)，并成功在三維醫(yī)學(xué)圖像可視化系統(tǒng)中得到顯示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2至圖4所示。其中，BMP圖像和JPEG原始圖像數(shù)據(jù)分辨率均為256×256像素，DICOM原始圖像數(shù)據(jù)分辨率為512×512像素。

圖2 BMP圖讀入后顯示效果

圖3 JPEG圖讀入后顯示效果

圖4 DICOM圖讀入后顯示效果

由以上顯示效果可知，原始圖像數(shù)據(jù)分辨率為512×512像素的DICOM圖像，它的最終顯示結(jié)果出現(xiàn)了像素的缺失，主要原因就是通過(guò)隔行、隔列的讀取方式將512×512圖像的像素?cái)?shù)據(jù)放置到本系統(tǒng)256×256數(shù)組中。對(duì)于圖像分辨率為256×256像素的BMP圖像和JPEG圖像數(shù)據(jù)則可以完整顯示。

本文研究了BMP、JPEG和DICOM三種最常見的圖像格式，并針對(duì)每一種格式文件實(shí)現(xiàn)了與三維醫(yī)學(xué)圖像可視化系統(tǒng)的銜接，從而為后期不同數(shù)據(jù)源單片平面、整體三維可視化工作奠定了基礎(chǔ)。

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