JPEG压缩标准在医学图像压缩中的应用

第24卷第5期 Journal of Xiangfan University V ol.24 No.5 JPEG压缩标准在医学图像压缩中的应用

姜洪溪，袁 磊　

（襄樊学院　电气信息工程系，湖北　襄樊　４４１０５３）　

摘要：介绍了图像压缩的基本知识，分析了ＪＰＥＧ压缩标准，并结合医学图像的特点就ＪＰＥＧ压缩标准在医学图像压缩中的应用进行了初步的研究．　

关键词：医学图像处理；图像压缩；ＪＰＥＧ压缩标准　

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-2854（2003）05-0052-03　

在临床医学诊断中产生的图像在现代医疗活动中占有极为重要的地位．　随着计算机及其相关技术的发展，加之现代化的医疗检查设备和方法的不断出现，对产生的大量医学图像进行计算机处理的医学图像信息管理系统正在各级医院里广泛开发与使用．　如何对医学图像进行压缩处理，以便实现有效存储与快速传输是此系统的一项关键技术．

１图像压缩的基本知识

在各种数字图像处理中，大数据量的图像信息会给存储器的存储容量，通信干线信道的带宽，以及计算机的处理速度增加极大的压力. 单纯靠增加存储器容量，提高信道带宽以及计算机的处理速度等方法来解决这个问题是不现实的，这时就要考虑压缩. 压缩的理论基础是信息论. 从信息论的角度来看，压缩就是去掉信息中的冗余，即保留不确定的信息，去掉确定的信息（可推知的），也就是用一种更接近信息本质的描述来代替原有冗余的描述.

压缩方法可分为两大类［１］. 若压缩过程是可逆的，也就是说，从压缩后的图像能够完全恢复出原来的图像，信息没有任何丢失，就称为无损压缩，如行程编码、哈夫曼编码、LZW编码等；若压缩过程是不可逆的，即无法完全恢复出原图像，信息有一定的丢失，就称为有损压缩，如各种变换编码方法. 选择哪一类压缩方法，要折中考虑. 尽管我们希望能够无损压缩，但是通常有损压缩的压缩比（即原图像占的字节数与压缩后图像占的字节数之比，压缩比越大，说明压缩效率越高）比无损压缩的压缩比高.

２　JPEG压缩编码标准

JPEG是联合图像专家组（Joint Picture Expert Group）的英文缩写，是国际标准化组织（ISO）和国际电报电话咨询委员会（CCITT）联合制定的静态图像的压缩编码标准．　与相同图像质量的其它常用文件格式（如GIF、TIFF、PCX）相比，JPEG是目前静态图像中压缩比最高的．　这里采用Windows 95中的一个图像文件Clouds.bmp来对比一下[2]．　原图大小为640×480，256色，即300KB．　用工具SEA(version 1.3）进行转换，结果如表1所示．　

表１ 几种常见的图像文件的压缩效果　

文件格式原图BMP位图文件JPEG文件GIF图形交换文件TIFF特征图像文件TGA(Targa)文件文件大小300KB 900KB 17.3KB 173KB 901KB 750KB

收稿日期：2002-10-12

基金项目：湖北省教育厅资助项目（99A108）

作者简介：姜洪溪（1968- ），男，湖北随州人，襄樊学院电气信息工程系讲师。

其中除GIF格式只能转成256色外，其余都转成24位色（即真彩色）格式．　可见JPEG比其它几种方法的压缩比要高得多.

JPEG有四种工作模式，其中最常用的是基于离散余弦变换（DCT）的顺序型模式，又称为基本系统（Baseline System），下面针对这种格式来进行分析.

JPEG其实是多种编码方法原理的综合. 它先将原始图像按像素顺序分成一系列的8×8的子块，对每一个子块作DCT变换，将包含了图像主要信息（亮度）的低频分量集中到子块的左上角，高频分量分布到右下角，并通过量化器的量化，去掉大部分的高频分量信息，产生64个“正交基信号”，它包括一个代表直流分量的“DC系数”和63个代表交流分量的“AC系数”. 再对这些系数进行差分编码（DC系数）或行程编码（AC系数），得到对应的码字. 为进一步提高压缩比，对这些码字再进行熵编码方式中的哈夫曼编码，最后得到压缩的数据［２］．　

JPEG编码器的流程如图1所示[3]．

图１　ＪＰＥＧ编码器流程图

JPEG的图像文件内容包括两个部分：标记码（Tag）和压缩数据. 压缩数据即经过压缩的图像数据. 标记码部分给出了JPEG图像的所有信息（有点类似于BMP文件中的头信息，但要比ＢＭＰ复杂得多），如图像的宽、高；哈夫曼表；量化表等等．　这样，在对经JPEG压缩后形成的文件进行解压缩时，根据标记码所提供的相关信息即可从压缩数据中还原出原始的图像．

显然，压缩比和图像压缩质量是呈反比的．　JPEG作为静止图像的压缩标准，其压缩比在（8～100)：1之间，压缩后的一个像素点可用0.25～2比特存储，它与图像质量之间的大致关系如表2所示．　实际工作中，可以根据自己的需要，选择合适的压缩比[4]．

表２ 压缩比与图像质量的关系　

bits/pixel（比特数／像素）压缩比图像质量

0.25～0.50 （96～48）:１中等，可满足一般应用

0.50～0.75 （48～32）:１良好，满足大多数应用

0.75～1.50 （32～16）:１很好，满足各种应用

1.50～

2.00 （16～12）:１与原始图像几乎一样

３　医学图像压缩的实现

图像压缩的目的是为了有效存储与快速传输．　在医学图像处理中，要进行存储与传输的图像一般为静止图像，而且要么是灰度图像、要么是真彩色图像[5]．　而JPEG标准是面向连续色调、多级灰度、彩色或单色静止图像的压缩标准，JPEG处理的颜色只有真彩色和灰度图．　所以对医学图像根据JPEG标准实施压缩是合适的．

JPEG对医学图像进行压缩分硬件方法和软件方法．　硬件方法就是按照JPEG的压缩与解压缩标准所专门设计生产的硬插件，安装到相关的计算机中后即可对要处理的图像进行压缩与解压缩处理，可以极大地降低计算量，减少计算机处理图像的时间．　软件方法是利用按照JPEG压缩与解压缩标准所开发的软件产品来进行压缩与解压缩的方法．　硬件方法执行速度快，效率高，但由于所有相关计算机均需安装，故总成本较高；软件方法虽然执行速度相对较慢，由于现今计算机的处理速度和网络的传输速度都很快，一般不会影响医学图像的传输与使用，加上一次购买软件后，可在整个系统内多次使用，对于大型医学图像处理系统更为划算．　但不论使用什么方法，所依据的原理是一样的．

JPEG对不同医学图像的压缩处理是有所区别的．　对真彩色图像的压缩与灰度图像的压缩主要在YUV各分量的取样比例上不同．　JPEG使用的颜色是YUV格式．　在YUV颜色空间中，Y分量

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