洪 歧， 王 力

(陜西理工學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機科學(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)今社會圖像的格式越來越多，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，但對它們的解剖并不深入，也沒有對多種不同數(shù)據(jù)源進行集中對比，更無從知曉如何將其納入一個實用系統(tǒng)中。為此，本文對常見的BMP、JPEG、DICOM三種不同數(shù)據(jù)源存儲結(jié)構(gòu)集中進行了深入分析，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]相對應(yīng)，從而為明了一個實用系統(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，我們針對醫(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，我們設(shè)定了一個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為當(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viewdata[113][256*256]數(shù)組之中，通過相鄰兩片插值，形成225個單片數(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數(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，這是一個相對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)的對齊規(guī)則。那就是對于位圖數(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)來補齊。考慮到這個特性，我們在程序中運用每行像素字節(jié)數(shù)計算方法line_width=(width*bit_count+31)/32*4來讀取位圖數(shù)據(jù)(這里的bit_count為固定值8，當(dāng)biBitCount=8時，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，圖像像素數(shù)據(jù)是經(jīng)過壓縮的，所以在讀入系統(tǒng)數(shù)組之前，必須對像素數(shù)據(jù)進行解壓。解壓出圖像的像素數(shù)據(jù)之后，就可以將像素數(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文件的解壓縮過程，然后說明如何將解壓后的圖像像素數(shù)據(jù)讀入該系統(tǒng)。JPEG文件大體上可以分成兩個部分:標記碼(Tag)和壓縮數(shù)據(jù)。標記碼(Tag)由兩個字節(jié)組成，前一個字節(jié)為固定值0xFF，后面一個字節(jié)則是根據(jù)不同意義有不同數(shù)值。在一個完整的兩字節(jié)標記碼后，就是該標記碼對應(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、最常用到的標記代碼:

壓縮過程一般分為顏色轉(zhuǎn)換、DCT變換、量化、熵編碼四個步驟，解壓過程就是壓縮過程的逆過程，即從壓縮后的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過熵編碼的解碼、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)。壓縮過程中的四個步驟，而解壓就是其逆過程。

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，所以要進行壓縮就要先進行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變換將時間或空間數(shù)據(jù)變成頻率數(shù)據(jù)，利用人的視覺對高頻信號(的變化)不敏感和對不同頻帶數(shù)據(jù)的感知特征不一樣等特點，對圖像數(shù)據(jù)進行壓縮。在JPEG壓縮中是將圖像信號在頻率域上進行變換，分離出高頻和低頻信息，然后對圖像的高頻部分(即圖像細節(jié))進行壓縮。以像素為單位將圖像劃分為多個8×8的矩陣，對每一個矩陣作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DCT變換后對應(yīng)頻域空間的行和列;F(u，v)為經(jīng)過 DCT變換后對應(yīng)頻域空間的函數(shù)。當(dāng)u=0，v=0時C(u)，C(v)=;當(dāng)u＞0，v＞0時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DCT變換后的頻率)映射到更小的取值范圍，過程就是將頻率系數(shù)中的頻率系數(shù)值除以對應(yīng)量化矩陣中對應(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)。標準量化表如表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?？梢杂煤唵蔚牟楸矸椒ㄟM行快速的編碼。壓縮數(shù)據(jù)時，哈夫曼編碼對出現(xiàn)頻度比較高的分配比較短的代碼，而對出現(xiàn)頻度較低的分配比較長的代碼。

通過對圖像數(shù)據(jù)的壓縮處理，和各種標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)。通過標記代碼的識別找到應(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。

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)標準是用于醫(yī)學(xué)圖像存儲和傳輸?shù)膰H標準。我們研發(fā)的三維醫(yī)學(xué)圖像可視化系統(tǒng)主要是針對醫(yī)學(xué)圖像進行處理，而DICOM醫(yī)學(xué)圖像格式分析與對其圖像數(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別信息，主要由128個00H字節(jié)組成，接下來是DICOM前綴，是一個長度為4字節(jié)的字符串“DICOM”，可以根據(jù)該值來判斷一個文件是不是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。每個數(shù)據(jù)元素均由標簽(tag)、值的含義(value representation，以VR表示，是可選項)，值域長(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)元素都有一個唯一的標簽，由組號(2字節(jié)無符號整數(shù))和元素號(2字節(jié)無符號整數(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)所代表的標簽，再編程將圖像數(shù)據(jù)讀出即可。下面幾個數(shù)據(jù)元素的標簽(0028，0010)圖像的行、(0028，0011)圖像的列數(shù)、(7FE0，0010)圖像像素數(shù)據(jù)，是在DICOM圖像數(shù)據(jù)提取的過程中必須的。

具體的讀取DICOM圖像數(shù)據(jù)代碼如下:

5 實驗結(jié)果與結(jié)論

我們利用VC++6.0開發(fā)工具，對BMP、JPEG及DICOM三種不同格式數(shù)據(jù)源讀取工作進行了研發(fā)，并成功在三維醫(yī)學(xué)圖像可視化系統(tǒng)中得到顯示，實驗結(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，主要原因就是通過隔行、隔列的讀取方式將512×512圖像的像素數(shù)據(jù)放置到本系統(tǒng)256×256數(shù)組中。對于圖像分辨率為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，并針對每一種格式文件實現(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)。

[1]洪歧，張樹生，楊敏，等.基于三維規(guī)則數(shù)據(jù)場的快速光線投射法[J].計算機工程與應(yīng)用，2007，43(5):39-40.

[2]洪歧，周軍.分割技術(shù)的改進及在醫(yī)學(xué)體視化中的應(yīng)用[J].河池學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2011(5):78-84.

[3]黃敏，馮鑫.單幀DICOM醫(yī)學(xué)圖像的解讀方法及VC實現(xiàn)[J].中南民族大學(xué)報，2010，29(2):53-57.

[4]朱本坤，朱亞奇，劉維婷.基于Windows CE下JPEG圖像的壓縮技術(shù)[J].江南大學(xué)學(xué)報，2009，8(1):29-32.

[5]韓嬌.基于VC++的BMP格式圖像與GIF格式圖像轉(zhuǎn)換[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2007，29(12):23-25.