圖像壓縮畢業(yè)設(shè)計開題報告

1、 中 北 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計開題報告學(xué) 生 姓 名：王宣學(xué) 號：0905084147學(xué) 院、系：信息與通信工程學(xué)院信息工程系專 業(yè)：生物醫(yī)學(xué)工程設(shè) 計 題 目：醫(yī)學(xué)圖像壓縮方法研究與仿真實現(xiàn)指導(dǎo)教師:李靜怡2013年 03 月 15 日畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述：文 獻 綜 述一、本課題研究的目的及意義隨著現(xiàn)代醫(yī)療水平的不斷進步和經(jīng)濟實力的增強，更多的醫(yī)療成像設(shè)備投入臨床應(yīng)用，數(shù)字化的醫(yī)學(xué)圖像在醫(yī)學(xué)臨床診斷中發(fā)揮的作用越來越重要，對醫(yī)學(xué)圖像壓縮技術(shù)的研究顯得尤為迫切，主要表現(xiàn)如下:首先，數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像的數(shù)據(jù)量急劇增加。醫(yī)院里除

2、了經(jīng)常使用的x射線檢查項目外，像CT, MR、核醫(yī)療(如SPELT, PET等)以及超聲等也進入日常的醫(yī)學(xué)檢查和診斷應(yīng)用中。大多數(shù)斷層掃描對于感興趣區(qū)的部位都要產(chǎn)生16-64幅切片圖像，而且超聲和血管造影等每次檢查都生成3-30分鐘的視頻序列圖像，這必然使得原來就很龐大的數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像的數(shù)據(jù)量，以更快的速度增加。而且醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)還要有較長的保存周期，這使它要占用更大的存儲空間1。其次，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)對醫(yī)學(xué)圖像信息的存儲與通信提出了更高的要求2。全數(shù)字的存儲方式，PACS( Picture Archiving and Communication System，醫(yī)學(xué)圖像的歸檔與通信系統(tǒng))現(xiàn)在已得到廣泛的應(yīng)

3、用，而在組成PACS系統(tǒng)的眾多技術(shù)之中，壓縮技術(shù)無疑是關(guān)鍵技術(shù)之一。另外，在遠程醫(yī)療等應(yīng)用環(huán)境中，要求在更窄的通信帶寬條件下實現(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像的高保真?zhèn)鬏?，如不進行有效壓縮，將占用大量的存儲空間，并對傳輸網(wǎng)絡(luò)的帶寬產(chǎn)生極大的壓力。醫(yī)學(xué)圖像作為自然圖像的一種，其數(shù)據(jù)同樣存在很大的冗余3，有一定的壓縮空間。然而，醫(yī)學(xué)圖像自身的特殊性對壓縮技術(shù)提出了更高的要求。醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)描述的是人體組織、器官等的解剖信息，其中包含的信息十分豐富，而這些信息是醫(yī)學(xué)診斷和疾病治療的重要根據(jù)，圖像的任何細節(jié)的損失都可能導(dǎo)致錯誤的診斷，因此對醫(yī)學(xué)圖像的壓縮應(yīng)更為謹慎。目前醫(yī)學(xué)圖像的壓縮通常只采用無損壓縮技術(shù)，雖然保證了圖像的質(zhì)

4、量，但只能得到很低的壓縮比(一般在2.5倍以下)。因此研究有針對性的醫(yī)學(xué)圖像壓縮技術(shù)顯得尤其重要。綜述以上幾點，醫(yī)學(xué)圖像壓縮有其必要性，也有其可行性，無論在理論上還是在應(yīng)用中，研究醫(yī)學(xué)圖像壓縮技術(shù)都將有重要意義。二、醫(yī)學(xué)圖像壓縮的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀圖像壓縮的研究起源于20世紀40年代。1948年香農(nóng)的經(jīng)典論文“通信的數(shù)學(xué)原理”中首次提到信息率失真函數(shù)概念，1959年他又進一步建立了率失真理論，從而奠定了信源編碼的理論基礎(chǔ)。隨后伯杰(T Bergen 1971)等人又對其進行了深入的研究4，并取得了一定的進步，為后人對該領(lǐng)域進一步研究打下了理論基礎(chǔ)。隨著數(shù)據(jù)壓縮理論的不斷發(fā)展和日益成熟，一些研究人員

5、逐漸開始對聲音、文字和圖像等信號的壓縮技術(shù)進行了研究。隨著圖像壓縮技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，醫(yī)學(xué)圖像壓縮技術(shù)由于臨床醫(yī)學(xué)方面的特殊應(yīng)用，成為數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)中一個新的領(lǐng)域，并引起了國內(nèi)外學(xué)者的極大關(guān)注，如德國特里爾的“Telematik”研究所梅內(nèi)爾教授、美國Center for Next Generation Video Rensselaer Polytechnic Institute的Willima A.Pearlman教授、浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系童勤業(yè)教授和楊勝天博士后、東南大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系的顧適逸和羅立民教授、南京大學(xué)張福炎教授等都對醫(yī)學(xué)圖像無損和近無損壓縮方法進行了研究，并取得了一定

6、的成果6-10。80年代中后期，相關(guān)學(xué)科的迅速發(fā)展和新興學(xué)科的不斷涌現(xiàn)為圖像壓縮編碼的發(fā)展注入了新的活力。人們對圖像信息需求的劇增也有利地促進了圖像壓縮技術(shù)的進步，許多學(xué)者結(jié)合模式識別、計算機圖形學(xué)、計算機視覺、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析和分形幾何等理論，開始探索研究圖像壓縮的新理論和新方法。同時，關(guān)于人類的視覺生理、心理特性的研究成果也打開了人類的新視野，許多新的圖像壓縮編碼方法相繼提出:M. Kunt于1985年提出了利用人眼視覺特性的第二代圖像編碼技術(shù)；1988年M. Barnsley提出了基于迭代函數(shù)系統(tǒng)的分形圖像編碼技術(shù)11；1989年S. Mallat將小波分析用于圖像編碼等等。在眾多的圖

7、像編碼方案中，小波變換以其良好的變換特性在圖像編碼技術(shù)中得到了相當廣泛的應(yīng)用。同時，基于小波變換的圖像壓縮標準也在不斷的發(fā)展和完善中12，JPEG 2000就是建立在小波變換基礎(chǔ)上的最新的靜態(tài)圖像壓縮標準，因此成為醫(yī)學(xué)圖像壓縮編碼領(lǐng)域的研究熱點。隨著多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，靜止圖像的應(yīng)用越來越廣泛。它的應(yīng)用主要集中在圖像的存儲和圖像的傳輸兩方面。散余弦變換JPEG圖像壓縮編碼算法。鑒于數(shù)字圖像的噪聲模型，針對含有噪聲的數(shù)字圖像去除相關(guān)性比較差的問題，對圖像作去噪處理后再用靜止圖像壓縮標準JPEG作圖像壓縮編碼。通過 MATLAB仿真實驗，表明先過濾再壓縮的壓縮方案信噪比比較高，壓縮比的性能也可以

8、達到良好13。現(xiàn)階段關(guān)于感興趣區(qū)域編碼技術(shù)的研究主要基于小波變換，利用小波多分辨率的特性，對編碼方式進行改進。國外對ROI編碼的研究主要集中在小波系數(shù)平移思想的改進和將標準中的兩種方法同不同編碼算法的結(jié)合。國內(nèi)對ROI編碼的研究只是單純地將ROI編碼思想與實際應(yīng)用相結(jié)合，沒有對算法本身做改進。但也有個別文獻進行了創(chuàng)新，比如鄭杰等人就對小波系數(shù)移位做出了創(chuàng)新，采用一種結(jié)合人眼生理特性對小波系數(shù)進行非均勻化移位的方法14。由于圖像質(zhì)量總是與人類的視覺相匹配，如何在ROI編碼中結(jié)合人眼的視覺特點是很多專業(yè)的學(xué)者都在進行探索的事情。張立保等人通過對整幅圖像進行大幅度壓縮，重構(gòu)后與原圖像相減得到殘差圖像

9、，確定ROI區(qū)域，并且對殘差圖像中的ROI區(qū)域進行離散余弦變換(DCT)二次編碼，將殘差信號碼流放在原碼流后面的方法進行壓縮。這些都為小波系數(shù)提升和具體產(chǎn)生碼流方面開拓了新思路。醫(yī)學(xué)圖像的特性之一在于診斷區(qū)域必須滿足診斷的要求。以普通的乳腺X光片為例，其圖像是4096 X 4096 X 16bit約33MB，但具有診斷價值的重要區(qū)域只是其中的一部分，相當一部分是背景信息。壓縮的關(guān)鍵是通過手工或自動方式分割出感興趣區(qū)域和背景區(qū)域。我們可以對感興趣區(qū)域?qū)崿F(xiàn)低壓縮比甚至是無損壓縮編碼，以求獲得高質(zhì)量的重建圖像，而對其它區(qū)域采用較高壓縮率，這可在很大程度上縮小圖像大小，在高效節(jié)省存儲空間的同時，保存重

10、要的診斷信息。針對上述思想，人們對基于感興趣區(qū)域醫(yī)學(xué)圖像無損壓縮方法進行了大量研究工作，取得了一些成績，并在一定范圍內(nèi)得到T應(yīng)用。Monica Penedo ( Spain)和William A.pearlman ( USA ) 對一幅空間分辨率為4000 X 5000像素，像素點尺寸SOum比特深度12bit，數(shù)據(jù)量40MB的數(shù)字乳腺圖進行比特率從O.lbpp到lbpp的ROI編碼，在比特率0.4bpp時，背景系數(shù)置0，由PSNR值客觀評估和人眼主觀觀察重建圖像，結(jié)果表明乳腺組織區(qū)域與原圖無明顯變化，微鈣化點簇細節(jié)保存完好，不影響醫(yī)生診斷。秦安等提出了一種新穎的適合醫(yī)學(xué)圖像壓縮的AR-EWC

11、算法，并將該算法應(yīng)用于臨床頭部MR圖像的壓縮，實驗表明該算法在保證了ROI區(qū)域無損壓縮的前提下，達到了與經(jīng)典的有損壓縮算法相當?shù)膲嚎s比率15?？偟膩碚f，醫(yī)學(xué)圖像壓縮問題的關(guān)鍵在于怎樣在保持重要的臨床診斷信息無損的前提下，提高整體圖像的壓縮比。國內(nèi)關(guān)于ROI編碼的研究還處于初始階段。三、主要參考文獻:1 孫即祥等.圖像壓縮與投影重建M.北京：科學(xué)出版社2005.30-392 高成等.MATLAB小波分析與應(yīng)用M.北京：國防工業(yè)出版社2007.40-653 原島博（日）.圖像信息壓縮M.北京：科學(xué)出版社. 2004.43-494 David S.Taubman,Michael W.Marcelli

12、n（美）.JPEG2000 Image Compression Fundamentals,Standards and Practice. M.北京：電子工業(yè)出版社2004.56-755 張益貞，劉濤.Visual C+實現(xiàn)MPEG/JPEG編解碼技術(shù)M.北京：人民郵電出版社2002.98-1206 陰躲芬等.談數(shù)字圖像壓縮編碼技術(shù)M.昆明：科技廣場2008.43-65 7 閆廣軍.數(shù)字圖像信息壓縮編碼技術(shù)J.滄州師范?？茖W(xué)校學(xué)報，2002，30（5): 1285-12908 洪偉，陳小燕.Photoshop中圖像壓縮編碼技術(shù)解析J.江蘇:江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院.2007.(12):73-74 9

13、 奚溪，王沛.感興趣區(qū)域在信息隱藏中的應(yīng)用J.上海:上海機電學(xué)院學(xué)報.2007.10(4):313-31810 曾巒，宋勝利.基于DSP的圖像壓縮編碼器程序優(yōu)化J.哈爾濱:計算機測量與控制.2010.18(3):671-67611 康建鵬，沈虹.數(shù)字圖像壓縮編碼的快速方法J.沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報.1998-10.20(5):58-62 12喬寶明，余航.小波分析在靜態(tài)圖像壓縮編碼中的應(yīng)用J.西安：信息科學(xué)2010，(7)：30-3913 陳靜.圖像壓縮編碼技術(shù)的發(fā)展歷程及前景J.安徽：安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2009，8(5): 39-4114 孔桂薇.數(shù)字圖像壓縮技術(shù)的現(xiàn)狀及前景展望

14、J.上海：上海市浦東科技信息中心. 2010.18(3):671-67615 唐恭政.壓縮編碼處理對圖像信號質(zhì)量的影響J.青海：中國有線電視. 2010.18(3):671-676 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：一、本課題研究的問題本課題擬采用基于JPEG、基于小波變換、以及感興趣區(qū)域醫(yī)學(xué)圖像壓縮三種醫(yī)學(xué)圖像壓縮方法來進行醫(yī)學(xué)圖像的壓縮處理，用Matlab算法編程實現(xiàn)，并進行比較、得出結(jié)論。二、擬采用的研究手段 1、JPEG醫(yī)學(xué)圖像壓縮JPEG算法首先通過DCT變換去除數(shù)據(jù)冗余，再使用量化表對DCT系數(shù)進行量化。對量化后的DCT系數(shù)進行編碼使

15、其熵達到最小，熵編碼采用Huffman可變字長編碼。在編碼過程中JPEG算法首先將RGB分解為8*8的像素塊，對這個8*8像素塊進行二維離散余弦變換每個塊就產(chǎn)生了64個DCT系數(shù)，其中一個是直流（DC）系數(shù)，它表示了8*8輸入矩陣全部值的平均數(shù),其余63個為交流（AC）系數(shù)，接下來對DCT系數(shù)進行量化，最后將量化的DCT系數(shù)進行編碼，就形成了壓縮后的圖像格式。 2、小波變換醫(yī)學(xué)圖像壓縮目的：去除圖像數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，使得圖像信息能量集中到相對較少的數(shù)據(jù)中。方法：首先選擇一個小波基，定義小波函數(shù)和尺度函數(shù)；根據(jù)選擇的小波變換層數(shù)對圖像的行、列進行多層變換，得到金字塔結(jié)構(gòu)的小波系數(shù)。具體的方法如圖1所示對小波系數(shù)LL采樣A-A1結(jié)束小波變換層數(shù)（N）