2014年--生物醫(yī)學(xué)工程外文翻譯--基于高效視頻幀內(nèi)編碼技術(shù)的醫(yī)學(xué)圖像無(wú)損壓縮（譯文）

1、<p>　　中文4680字,3200單詞，1.6萬(wàn)英文字符</p><p>　　出處：Sanchez V, Bartrina-Rapesta J. Lossless compression of medical images based on HEVC intra coding[C]// ICASSP 2014 - 2014 IEEE International Conference on Acoust

2、ics, Speech and Signal Processing. 2014:6622-6626.</p><p>　　本 科 外 文 翻 譯</p><p>　　基于高效視頻幀內(nèi)編碼技術(shù)的醫(yī)學(xué)圖像無(wú)損壓縮</p><p>　　LOSSLESS COMPRESSION OF MEDICAL IMAGES BASED ON HEVC INTRA CODING<

3、/p><p>　　學(xué) 部（院）： 電子信息與電氣工程學(xué)部 </p><p>　　專 業(yè) ： 生物醫(yī)學(xué)工程 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名 ： </p><p>　　學(xué)

4、 號(hào) ： </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師 ： </p><p>　　完 成 日 期 ： </p><p&g

5、t;　　基于高效視頻幀內(nèi)編碼技術(shù)的醫(yī)學(xué)圖像無(wú)損壓縮</p><p>　　Victor Sanchez and Joan Bartrina-Rapesta</p><p>　　摘要：近來(lái)，HEVC標(biāo)準(zhǔn)的引入為圖像存儲(chǔ)和傳輸系統(tǒng)中醫(yī)學(xué)圖像壓縮技術(shù)的改善提供了新的可能。在本文中，我們提出了對(duì)于顯現(xiàn)解剖結(jié)構(gòu)的灰度圖像無(wú)損壓縮技術(shù)的改善方法，這些圖像以邊緣數(shù)量龐大為特征。特別的，我們提出二選一的角度

6、和平面預(yù)測(cè)模式，該模式基于一種定向性范圍擴(kuò)大的差分脈沖編碼調(diào)制。我們還提出了一種差分脈沖編碼調(diào)制解碼處理的實(shí)現(xiàn)，該處理過程包含了HEVC的按組編碼結(jié)構(gòu)。不同醫(yī)學(xué)圖像的評(píng)估結(jié)果顯示這種DPCM模式能夠高效預(yù)測(cè)出這些醫(yī)學(xué)圖像數(shù)量巨大的邊緣，成功實(shí)現(xiàn)了將圖像大小壓縮到原圖75%的效果。</p><p>　　關(guān)鍵詞：HEVC幀內(nèi)編碼， 醫(yī)學(xué)圖像， 無(wú)損壓縮。</p><p><b>　　

7、1.簡(jiǎn)介</b></p><p>　　在保證能夠完美重建的前提下，無(wú)損壓縮一直以來(lái)都被醫(yī)學(xué)團(tuán)隊(duì)和信息技術(shù)團(tuán)隊(duì)視為降低圖像存儲(chǔ)空間和縮短傳輸時(shí)間的有效方法。隨著圖像存儲(chǔ)和傳輸系統(tǒng)（PACS系統(tǒng)）的廣泛應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)讓任何一種壓縮技術(shù)符合醫(yī)學(xué)成像和傳輸（DICOM）標(biāo)準(zhǔn)。鑒于此，基于DICOM標(biāo)準(zhǔn)的許多壓縮技術(shù)，例如JPEG2000和H.264/AVC，早就已經(jīng)出現(xiàn)了。例如，第3部分介紹了在遠(yuǎn)程接入和三維醫(yī)學(xué)

8、圖像可視化中JPEG2000和JPIP的運(yùn)用。第4部分的工作展現(xiàn)了運(yùn)用感興趣區(qū)域編碼技術(shù)和JPEG2000的可擴(kuò)展性對(duì)數(shù)字鉬靶X線圖像進(jìn)行壓縮的一種方法。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)三維四維等高維圖像的切片可以視為視頻序列的幀，基于這種觀察，作者在[5-7]中截取了與3D和4D圖像壓縮有關(guān)的H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　近來(lái)，高效視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的引入為PACS系統(tǒng)中醫(yī)學(xué)圖像壓縮的方法改進(jìn)創(chuàng)造了新的可能。與之前的

9、H.264/AVC比較，高效視頻編碼技術(shù)（HEVC）在視頻序列編碼效率上已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的改進(jìn)，在達(dá)到相同的視頻感知效果的前提下，HEVC可以降低50%的編碼比特率。與H.264/AVC類似，HEVC也采用兩種編碼模式，即幀間和幀內(nèi)圖片編碼。在幀間圖像編碼技術(shù)中，不同幀以一個(gè)區(qū)塊的方式為基礎(chǔ)進(jìn)行編碼并通過能完成運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償?shù)臅簳r(shí)預(yù)測(cè)編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于幀內(nèi)編碼，編碼在塊與塊的基礎(chǔ)上通過在同一幀內(nèi)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)而實(shí)現(xiàn)。幀內(nèi)編碼技術(shù)不僅適

10、合二維圖像數(shù)據(jù)，而且適合三維圖像數(shù)據(jù)，這便于能夠隨機(jī)訪問3D圖像的任何一個(gè)數(shù)據(jù)幀而不需要對(duì)其他三維數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，這便使得幀內(nèi)編碼技術(shù)非常適合運(yùn)用于醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)的處理。</p><p>　　在本文中我們重點(diǎn)關(guān)注HEVC的幀內(nèi)編碼過程，作為一種圖像壓縮技術(shù)，它具有重大的潛力并很可能在將來(lái)被DICOM所采用。我們特別注意顯現(xiàn)解剖結(jié)構(gòu)的醫(yī)學(xué)灰度圖像的無(wú)損壓縮，例如磁共振圖像，CT圖像，X線血管造影圖像。這些圖像都因具有數(shù)

11、量巨大的邊緣而引起了人們對(duì)于壓縮這些圖像的興趣。基于此并通過使用定向性加大的差分脈沖編碼調(diào)制技術(shù)，我們提出了HEVC幀內(nèi)編碼的處理方法，并將此方法用于精確預(yù)測(cè)圖像的邊緣信息。為了保持HEVC的按塊編碼結(jié)構(gòu)，我們還提出了一種能夠滿足解碼端并行計(jì)算要求的差分脈沖編碼調(diào)制幀內(nèi)編碼的技術(shù)。對(duì)于不同的磁共振圖像，CT圖像，X線血管造影圖像，在與當(dāng)下的HEVC幀內(nèi)編碼技術(shù)比較時(shí)，我們提出的方法顯著提高了圖像的壓縮率。在與JPEG-LS和JPEG20

12、00這兩種兼容DICOM系統(tǒng)的技術(shù)比較時(shí)該方法也顯現(xiàn)出來(lái)巨大的競(jìng)爭(zhēng)力。</p><p>　　文章后面部分做如下安排。在第2部分，我們簡(jiǎn)單回顧HEVC幀內(nèi)編碼技術(shù)。在第3部分，我們闡述所提出的DPCM幀內(nèi)編碼處理技術(shù)并討論其和先前工作的聯(lián)系。結(jié)果展示在第4部分。第五部分對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)。</p><p>　　2.高效視頻幀內(nèi)編碼（HEVC INTRA CODING）</p>&l

13、t;p>　　HEVC編碼的主要目的就是通過運(yùn)用每一幀內(nèi)僅有的信息，在塊與塊的基礎(chǔ)上來(lái)預(yù)測(cè)其他幀圖像，進(jìn)而減小圖像的信息量達(dá)到壓縮的目的。原始幀數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)幀數(shù)據(jù)的差異定義為誤差信號(hào)，信息量的減少正是通過對(duì)誤差信號(hào)的處理而實(shí)現(xiàn)的。在無(wú)損壓縮的事例中，任何影響數(shù)據(jù)幀完美重建的處理都忽略并且將誤差信號(hào)直接反饋給熵編碼器[10]。</p><p>　　HEVC幀內(nèi)編碼技術(shù)采用角度預(yù)測(cè)模式來(lái)模擬33種不同的方向圖；采用

14、DC和平面預(yù)測(cè)模式來(lái)產(chǎn)生平滑的表面，通過樣本數(shù)據(jù)和塊邊界的自適應(yīng)濾波來(lái)避免誤差信號(hào)中偽影的引入[10]。圖片1（a）展現(xiàn)了HEVC中關(guān)于角度預(yù)測(cè)模式的預(yù)測(cè)方向的問題。</p><p>　　圖片1.（a）HEVC幀內(nèi)編碼技術(shù)。角度模式被分成了兩組：豎直的和水平的。（b）為采用精度為1/32個(gè)像素的插值方法作為預(yù)測(cè)原則的例子。iFact是原始采樣點(diǎn)Sxy和參考采樣點(diǎn)b之間的距離。用于預(yù)測(cè)的參考采樣點(diǎn)為：{R0,1,R

15、0,2,…R0,2N}—位于此表的左邊，{R0,0，R1，0,…R2N,0}—位于此表的上方。</p><p>　　對(duì)于所有的角度模式，基本的預(yù)測(cè)原則如圖1（b）中所示。每個(gè)預(yù)測(cè)出來(lái)的采樣點(diǎn)Px，y都是通過把其坐標(biāo)（x，y）投射到參考橫軸和縱軸上，參考橫軸與縱軸運(yùn)用選擇好的預(yù)測(cè)方向，并且為采樣點(diǎn)以1/32像素的精度插入一個(gè)數(shù)值。所以Px，y=[(32-iFact)*a+iFact*b+16]>>5，當(dāng)

16、a和b是參考采樣點(diǎn)時(shí)，表示一次向右的位移位操作，iFact是原始采樣點(diǎn)Sxy和b點(diǎn)這間的距離。HEVC中所有的預(yù)測(cè)模式都用如圖1（b）中所示的上和左的參考采樣點(diǎn)設(shè)置方法。</p><p>　　據(jù)觀察發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)自然意象的圖片中，水平和豎直模式比其他方向的模式出現(xiàn)的更為頻繁，HEVC幀內(nèi)編碼的各種角度模式就是基于此觀察而設(shè)計(jì)的[10]。因此，接近水平或者豎直方向的模式數(shù)量比其他傾斜方向的模式要高。至于顯現(xiàn)解剖結(jié)構(gòu)

17、的醫(yī)學(xué)圖像，由于圖像中大量的邊緣存在，其他的方向模式也頻繁的出現(xiàn)。這將使得在這些圖像中平滑的區(qū)域變得很少，因此，通過有限數(shù)量的參考采樣點(diǎn)獲得的預(yù)測(cè)值來(lái)進(jìn)行估值將會(huì)使效率變低。基于以上結(jié)論，我們提出了一種定向性范圍加大的DPCM預(yù)測(cè)模式。目標(biāo)是通過在一個(gè)像素精度的水平上對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值進(jìn)而改善圖像邊緣信息預(yù)測(cè)的質(zhì)量。</p><p>　　3.文中提出的DPCM幀內(nèi)編碼</p><p>　　

18、基于DPCM的幀內(nèi)編碼技術(shù)首次因采用單個(gè)采樣點(diǎn)作為預(yù)測(cè)器的H.264/AVC的所有幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式在[12]中被提出來(lái)。后來(lái)[13]中的工作提出了將DPCM編碼用于HEVC的角度模式，這不僅保持了同樣的方向性范圍并且改變了塊編碼結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)。在[14]中基于圖像低復(fù)雜度無(wú)損壓縮算法的預(yù)測(cè)方法被作為對(duì)誤差信號(hào)的預(yù)處理方法而提出，并且此誤差信號(hào)已經(jīng)原始HEVC幀內(nèi)編碼技術(shù)處理。然而，這一步預(yù)處理過程在原處理基礎(chǔ)上增加了一個(gè)額外的編碼過程并且改變了

19、HEVC的塊編碼結(jié)構(gòu)。在這里的工作中，我們把DPCM技術(shù)運(yùn)用于HEVC幀內(nèi)編碼的所有模式并且保持其塊編碼結(jié)構(gòu)不變。特別地，我們還通過對(duì)角度預(yù)測(cè)增加可實(shí)現(xiàn)的方向性范圍和采用單一模式來(lái)替代現(xiàn)有的平面預(yù)測(cè)模式使預(yù)測(cè)模式適合顯示解剖結(jié)構(gòu)的醫(yī)學(xué)灰度圖像。</p><p>　　圖2的（a）—（b）描述了與所提出的DPCM角度模式有關(guān)的預(yù)測(cè)方向，圖2（c）則體現(xiàn)了預(yù)測(cè)的原理。表1總結(jié)了響應(yīng)的預(yù)測(cè)處理方法，需指出，文章中所提出的

20、方法擁有1/4像素點(diǎn)的精確度而且涵蓋更大范圍的方向性，包括不大于/4弧度的角。對(duì)于每一個(gè)采樣點(diǎn)Sxy對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)點(diǎn)Pxy，都會(huì)根據(jù)所用的預(yù)測(cè)模式并運(yùn)用其周圍的采樣點(diǎn)來(lái)處理此預(yù)測(cè)點(diǎn)，這些臨近的點(diǎn)位于{a,b,c,d,e,f,g,h,i}處。例如，對(duì)于模式23來(lái)說(shuō)【見表1和圖2（c）】，預(yù)測(cè)得到的采樣點(diǎn)Pxy是根據(jù)位于其臨近位置{e,f}l兩個(gè)采樣點(diǎn)計(jì)算出來(lái)的，如：P2.2=(e+3f)>>2,e=s1.1,f=s2.1。需指出，

21、由于文章中所用方法不同于當(dāng)前的HEVC幀內(nèi)編碼，所用模式產(chǎn)生的結(jié)果在所有方向中接近一個(gè)常數(shù)，這使我們能夠在所有不同方向性下同等利用相鄰像素之間的相關(guān)性來(lái)解決問題，并且對(duì)解釋顯現(xiàn)解剖結(jié)構(gòu)的醫(yī)學(xué)灰度圖像通常具有不同的方向性而不僅僅是水平和豎直這一觀察。</p><p>　　對(duì)于DC和平面模式，我們提出單獨(dú)運(yùn)用DPCM DC模式來(lái)計(jì)算位于{c,f}處的臨近樣點(diǎn)的平均，進(jìn)而預(yù)測(cè)出當(dāng)前采樣點(diǎn)Sxy,就如圖3中所示那樣。這可

22、以視為在采樣水平上做角度預(yù)測(cè)的另一種方法。</p><p>　　3.1 所述模式的并行計(jì)算</p><p>　　文中所述的DPCM模式可能會(huì)改變HEVC的塊編碼結(jié)構(gòu)，因?yàn)榻獯a端要求樣點(diǎn)必須順序得到解碼并且能為后面采樣點(diǎn)的預(yù)測(cè)和重建所使用。為了解決這個(gè)問題，我們將解碼端的所有模式用空域誤差變換來(lái)替代，該變換只依賴于來(lái)自現(xiàn)有表格上方和下方的誤差采樣信號(hào)和參考采樣信號(hào)。為了說(shuō)明這一點(diǎn)讓我們以所述

23、的6-10模式來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)，此模式僅僅依賴位于{b,c}位置的臨近采樣點(diǎn)。對(duì)于一個(gè)44的陣列，采樣點(diǎn)S1.1和S2.1在解碼端的重建公式可以為：</p><p>　　圖2.與所述DPCM角度模式有關(guān)的預(yù)測(cè)方向，（a）為豎直方向，（b）為水平方向，（c）為該角度模式的預(yù)測(cè)原理。無(wú)法用于預(yù)測(cè)的臨近采樣點(diǎn)用現(xiàn)有表格中的邊緣采樣點(diǎn)進(jìn)行填充。位于臨近表格中的e,g采樣點(diǎn)等待被編碼。</p><p>&

24、lt;b>　　表1</b></p><p>　　表3：所述DPCM 的DC模式和對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)處理。</p><p>　　在44的陣列中，第一行的四個(gè)采樣點(diǎn)可以運(yùn)用如下的矩陣運(yùn)算而得到：</p><p>　?。?）中的矩陣運(yùn)算為所有依賴處于b或者c或者二者兼有的臨近采樣點(diǎn)進(jìn)行的44陣列中第一行的樣點(diǎn)重建建立了一個(gè)通用的表達(dá)式。例如如果我們使</p

25、><p>　　Wb = 0 , Wc = 1, (5)就建立了對(duì)于模式10（完全水平）的表達(dá)式。對(duì)于44中余下行的重建也可以獲得類似的表達(dá)，進(jìn)而對(duì)于的陣列也同樣如此。</p><p>　　雖然采用所述的DPCM模式需要對(duì)原始解碼端進(jìn)行變動(dòng)，但是解碼端能夠采用像（5）中一樣的矩陣運(yùn)算實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)算。再者，這種矩陣表示法能夠保持HEVC的塊編碼結(jié)構(gòu)。值得注意的是與矩陣表示相關(guān)的各種處理過程可以通過字

26、節(jié)的移位進(jìn)而簡(jiǎn)化成加法和乘法運(yùn)算，這將能大大降低算法復(fù)雜度。例如，在所述的模式8中，（5）中的采樣點(diǎn)S2,1計(jì)算式如下。S2,1 = r2,1 + wbr1,2 + wcr1,1 +(wbwb)R0,3 + (2wbwc)R0,2 + (wcwc)R0,1，式中wb = ½，Wc=1/2,S2.1可以表示為S2,1 = r2,1 + r1,2>>1+ r1,1>>1 +R0,3>>2 + R

27、0,2>>1 + R0,1>>2。</p><p><b>　　圖4</b></p><p><b>　　4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果</b></p><p>　　所述DPCM模式的編碼效率在一些磁共振圖像，CT圖像和X線血管造影圖像中得到檢驗(yàn)，這些圖像的特點(diǎn)總結(jié)于表2的第一列中。表中1和2包括了人類脊髓和膝蓋的M

28、RI矢狀面序列，3中則列出了人類大腦的軸向序列。4-6包含了人類胸部的CT軸向序列，而7—9中則包含了關(guān)于人類心臟血管研究的X線序列。所述的所有的模式在不同大小的塊大小下實(shí)現(xiàn)，其中最大的為3232。實(shí)驗(yàn)使用軟件HM11.0和無(wú)損模式的Main-Still-Picture文件來(lái)實(shí)現(xiàn)。僅有幀內(nèi)編碼技術(shù)得到采用而變換和計(jì)算處理則被忽略。為了與上述文件相兼容，所有數(shù)據(jù)幀都通過加入零值子采樣色度分量被編碼為YUV4:2:0格式。這些色度分量不包括

29、在最終比特率的計(jì)算中。我們將所提出的DPCM模式與HEVC幀內(nèi)編碼、【13】中所提及的方法和JPEG2000（J2K）和JPEG-LS兩種與DICOM系統(tǒng)兼容的方法進(jìn)行比較。對(duì)于JPEG2000，我們采用BOI【16】來(lái)實(shí)現(xiàn)，過程包括5水平的提升可逆小波變換空間和大小64×64的代碼塊。對(duì)于JPEG-LS，我們采用重置時(shí)間間隔為64的HP實(shí)現(xiàn)方式【17】。</p><p>　　表2中所列的無(wú)損壓縮率表現(xiàn)

30、出文章中所述的DPCM模式在在與當(dāng)前的HEVC幀內(nèi)編碼中，對(duì)于核磁共振圖像來(lái)說(shuō)節(jié)約的存儲(chǔ)空間降低了15.4%，對(duì)于CT圖像來(lái)說(shuō)降低了8.96%。和【13】中所提及的同樣基于DPCM技術(shù)的模式相比，我們的模式更進(jìn)一步降低了比特率達(dá)4.5%，證實(shí)了運(yùn)用在所有方向中模式為常數(shù)的范圍增加的多方向的優(yōu)點(diǎn)。所提出的模式與J2K和JPEG—LS相比，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與很具競(jìng)爭(zhēng)力。</p><p>　　對(duì)于X線血管造影序列，由文章所述

31、方法和【13】中的方法實(shí)現(xiàn)的編碼效率僅降低了3.00%和1.64%。這些特殊的造影圖像含有大量的噪聲而且相鄰像素之間經(jīng)常有很大變化，這使得這些圖像很難被很好的壓縮【18】?？偟恼f(shuō)來(lái)，對(duì)于是12bpp數(shù)據(jù)的CT圖像來(lái)說(shuō)，所提出的模式能最好的降低其編碼比特率。這可能由于HEVC的熵編碼對(duì)于低能量誤差信號(hào)來(lái)說(shuō)具有很高的效率。在數(shù)據(jù)為8bpp的情況下，由HEVC幀內(nèi)編碼技術(shù)產(chǎn)生的誤差信號(hào)通常都是低能量信號(hào)，所以如果文中所提的方式得到應(yīng)用，熵編碼

32、將會(huì)在有限范圍為得到改善。另一方面，對(duì)于12bpp的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，由文中所提模式實(shí)現(xiàn)的誤差信號(hào)能量的進(jìn)一步減小實(shí)現(xiàn)了熵編碼的改善。很有趣的是該說(shuō)明最好的編碼改善出現(xiàn)在了測(cè)試序列1中。一個(gè)此序列的采樣圖像在圖4中所展現(xiàn)。注意到圖像中數(shù)量巨大的邊緣和容易確定的結(jié)構(gòu)?？梢韵胂髮?duì)于4中的這類圖像DPCM的預(yù)測(cè)模式優(yōu)于基于塊編碼的預(yù)測(cè)模式，因?yàn)檫@些邊緣能通過利用相鄰像素點(diǎn)間的相關(guān)性得到很好的預(yù)測(cè)。</p><p><b&

33、gt;　　5.總結(jié)</b></p><p>　　在此文中，我們聚焦HEVC幀內(nèi)編碼技術(shù)作為一種潛在的壓縮方法來(lái)與DICOM所兼容。特別的，我們提出幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式來(lái)編碼具有一定邊緣顯現(xiàn)解剖結(jié)構(gòu)的醫(yī)學(xué)灰度圖像。所提模式基于DPCM預(yù)測(cè)技術(shù)，具有方向性范圍擴(kuò)大的特點(diǎn)這使得能夠充分利用臨近像素間的相關(guān)性來(lái)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)邊緣信息。我們還提出了DPCM解碼算法的運(yùn)用，這能滿足并行運(yùn)算的要求，從而保持HEVC的塊編碼結(jié)構(gòu)