一種基于hevc的神經(jīng)影像數(shù)據(jù)壓縮方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[OOOU 本發(fā)明設(shè)及醫(yī)學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和屯、理學(xué)中較新的神經(jīng)影像（neuroimaging)處理 領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)壓縮方法，更具體設(shè)及一種利用 肥VC (化曲Efficiency Video Coding,高效視頻編碼）視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)對神經(jīng)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行 壓縮編碼的方法。
【背景技術(shù)】
[000引隨著醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的不斷進(jìn)步，MRI (fe即etic Resonance Imaging,磁共振成像） 和CT (Computed Tomography,計算機(jī)斷層掃描）已成為臨床診斷和科學(xué)研究中必不可少的 輔助手段。由于可W安全、無創(chuàng)傷地獲取高分辨率的大腦圖像，自上世紀(jì)80年代W來，MRI 已成為革命性的標(biāo)準(zhǔn)神經(jīng)成像工具，極大地推動了醫(yī)學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的迅 速發(fā)展。
[0003] 隨著神經(jīng)影像技術(shù)的迅猛發(fā)展，各醫(yī)療、研究機(jī)構(gòu)的神經(jīng)影像數(shù)量不斷累積，造 成機(jī)構(gòu)之間共享W及機(jī)構(gòu)內(nèi)部存儲、管理和訪問該些龐大的神經(jīng)影像資源愈加復(fù)雜。首 先，不同機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)分析軟件為實(shí)現(xiàn)神經(jīng)影像資源的交換和共享，必須采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)格 式充分描述影像元數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)；其次，各機(jī)構(gòu)廣泛使用影像歸檔和通信系統(tǒng)（Picture ArchivingandCommunicationSystems,PAC巧進(jìn)行神經(jīng)影像的存貶、檢索、分發(fā)和可視 化，如何高效地存儲、訪問影像數(shù)據(jù)，并能在帶寬各異的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)影像傳輸亟需解 決。2004年發(fā)布的神經(jīng)影像通用存儲格式NIfTI(NeuroimagingInformaticsTechnology Initiative,神經(jīng)影像信息技術(shù)倡議）很好地解決了不同機(jī)構(gòu)、不同分析軟件間的數(shù)據(jù)共 享問題，已成為神經(jīng)影像的標(biāo)準(zhǔn)格式，獲得了廣泛應(yīng)用。NIfTI格式雖然解決了數(shù)據(jù)共享問 題，并可選用gzip標(biāo)準(zhǔn)壓縮軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮，但由于未考慮影像層（slice)內(nèi)、層間W及 體積（volume)間的數(shù)據(jù)相關(guān)性，依然存在影像數(shù)據(jù)過于龐大的問題，無法實(shí)現(xiàn)神經(jīng)影像的 高效存儲和傳輸。因此，神經(jīng)影像數(shù)據(jù)壓縮是神經(jīng)影像處理領(lǐng)域的重要研究問題，具有迫切 的應(yīng)用需求和廣闊的應(yīng)用前景。
[0004] 醫(yī)學(xué)影像壓縮算法可W分為無損壓縮和有損壓縮兩類。相對無損壓縮，有損壓縮 可W實(shí)現(xiàn)更高的壓縮比，但無法正確重建原始影像，可能導(dǎo)致錯誤診斷或分析，因此，無損 壓縮通常是解決醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)有效存儲、傳輸問題的公認(rèn)方法。
[0005] 針對高維醫(yī)學(xué)影像的無損壓縮方法主要分為基于小波變換的方法和基于預(yù)測 編碼的方法。前者利用離散小波變換去除數(shù)據(jù)冗余，如基于JPEG2000、3D-JPEG2000、 4D-JPEG2000的醫(yī)學(xué)影像壓縮方法；后者利用MC(MotionCompensation,運(yùn)動補(bǔ)償）或 DPCM值ifferentialPulseCodeModulation,差分脈沖編碼調(diào)制）去除層內(nèi)、層間或體積 間的數(shù)據(jù)相關(guān)性，如基于H. 264/AVC、肥VC視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)學(xué)影像壓縮方法。大量測試結(jié) 果表明，基于預(yù)測編碼的方法比基于小波變換的方法具有更高的壓縮性能。
[0006] Sanchez 等人（V. Sanchez, P. Nasiopoulos, R. Abugharbieh. "Efficient lossless compression of4-D medical images based on the advanced video codingscheme",IEEETransactionsonInformationTechnologyinBiomedicine. ￥〇1.12,〇〇.4，口口.442-446，化17 2008.)提出了一種基于比264/分￥(：視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的四維 醫(yī)學(xué)影像壓縮方法。該方法通過將H. 264/AVC的多參考帖運(yùn)動補(bǔ)償技術(shù)引入空間維度與時 間維度的層間預(yù)測之中，有效地去除了各維度的數(shù)據(jù)冗余，與基于小波變換的方法相比，大 幅提高了壓縮效率。
[0007]Sanchez等人（V.Sanchez,P.Nasiopoulos,R.Abugharbieh."Novellossless fMRIimagecompressionbasedonmotioncompensationandcustomizedentropy coding",IEEETransactionsonInformationTechnologyinBiomedicine, vol. 13,no. 4,pp. 645-655,化ly2009.)對上述基于比264/AVC多參考帖運(yùn)動補(bǔ)償技術(shù)的 醫(yī)學(xué)影像無損壓縮方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種用于功能性磁共振影像的無損壓縮算法。 通過引入4-D運(yùn)動捜索、可變尺寸塊匹配和雙向預(yù)測機(jī)制，進(jìn)一步降低了空間維度與時間 維度的數(shù)據(jù)冗余。根據(jù)殘差數(shù)據(jù)和運(yùn)動矢量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性，設(shè)計了適于對此類數(shù)據(jù)進(jìn)行 滴編碼的上下文自適應(yīng)二進(jìn)制算數(shù)編碼器，進(jìn)一步提高了編碼性能。
[000引隨著具有更高壓縮性能的新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)肥VC的正式發(fā)布，Sanchez等人 (V.Sanchez,J.Bartrina-Rapesta."Losslesscompressionofmedicalimagesbasedon HEVCintracoding".IEEEInternationalConferenceonAcoustics,SpeechandSignal Processing(ICASSFO.pp. 6622-6626,May2014.)提出了一種基于肥VC帖內(nèi)預(yù)測編碼的醫(yī) 學(xué)影像無損壓縮方法。通過引入更細(xì)致的預(yù)測方向和基于像素的DPCM預(yù)測機(jī)制實(shí)現(xiàn)S維 結(jié)構(gòu)影像的無損壓縮，與肥VC原始帖內(nèi)預(yù)測編碼相比，有效提升了壓縮效率。
[0009] 雖然上述基于視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)學(xué)影像無損壓縮方法具有優(yōu)秀的壓縮性能，但仍 然存在W下問題：
[0010] (1)上述基于H. 264/AVC的醫(yī)學(xué)影像壓縮方法雖然在編碼性能上表現(xiàn)突出，但僅 考慮了如何利用視頻編碼框架去除數(shù)據(jù)冗余，局限于通過改進(jìn)視頻編碼器W提高其無損編 碼效率，而沒有充分考慮醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)在空間、時間上的相關(guān)性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于視頻編碼所面 向的自然場景；
[0011] 似由于在保持相同視覺質(zhì)量的前提下，肥VC的壓縮效率比H. 264/AVC提高一倍， 因此，上述基于H. 264/AVC的醫(yī)學(xué)影像壓縮方法還有較大的壓縮比提升空間；
[0012] (3)上述基于肥VC的醫(yī)學(xué)影像壓縮方法過于強(qiáng)調(diào)解碼圖像的隨機(jī)訪問需求，根據(jù) 原始影像目標(biāo)邊緣豐富的特征，僅通過改進(jìn)肥VC的帖內(nèi)預(yù)測編碼機(jī)制提高壓縮效率，卻忽 略了壓縮性能更為突出的肥VC帖間預(yù)測編碼；
[0013] (4)上述方法均設(shè)及對標(biāo)準(zhǔn)視頻編碼器內(nèi)部預(yù)測編碼或滴編碼機(jī)制的改動，產(chǎn)生 的視頻碼流不再符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，無法利用標(biāo)準(zhǔn)解碼器解碼，勢必影響此類方法的實(shí)際應(yīng)用 與推廣，實(shí)用性有待檢驗；
[0014] (5)Razaak等人（M.Razaak,M.G.Martini,K.Savino."Astudyonquality assessmentformedicalultrasoundvideocompressedviaHEVC",IEEEJournalof BiomedicalandHealthInformatics,vol. 18,no. 5,pp. 1552-1559,Sept. 2014.)通過主 客觀圖像質(zhì)量評價測試證實(shí)當(dāng)量化參數(shù)QP不大于35時，利用肥VC對醫(yī)用超聲波影像進(jìn)行 有損壓縮并不會影響診斷結(jié)論。因此，無損壓縮方法并非醫(yī)學(xué)影像壓縮的唯一選擇，在不影 響診斷結(jié)論或分析結(jié)果的前提下，具有更高壓縮性能的有損壓縮方法顯然是更好的選擇。
[0015] 綜上所述，一種實(shí)用的、可充分發(fā)揮最先進(jìn)視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的高壓縮性W有效去除 影像各維度間的相關(guān)性、能面向不同使用場景兼顧無損壓縮與有損壓縮、可根據(jù)實(shí)際計算 及存儲資源情況靈活選擇壓縮性能與壓縮開銷相平衡的視頻編碼參數(shù)配置、與NIfTI標(biāo)準(zhǔn) 格式兼容的神經(jīng)影像壓縮方法亟待提供。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明提供一種基于肥VC視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的神經(jīng)影像數(shù)據(jù)壓縮方法，通過維度重 排和帖平面填充得到W不同維度作為編碼帖方向的神經(jīng)影像數(shù)據(jù)集合，利用高壓縮性能的 視頻編碼器對該集合中的神經(jīng)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行視頻編碼，選擇最小碼流作為神經(jīng)影像的壓縮 輸出，在不改變標(biāo)準(zhǔn)視頻碼流結(jié)構(gòu)的前提下，可充分消除神經(jīng)影像在不同維度上的數(shù)據(jù)冗 余，進(jìn)一步提高神經(jīng)影像數(shù)據(jù)的壓縮效率；此外，可W根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景的不同，靈活地選 用無損壓縮和有損壓縮，通過面向用戶的視頻編碼參數(shù)配置保持壓縮性能與壓縮開銷之間 的平衡，通過兼容NIfTI標(biāo)準(zhǔn)神經(jīng)影像格式確保神經(jīng)影像的通用性。
[0017] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0018] 一種基于肥VC的神經(jīng)影像數(shù)據(jù)壓縮方法包括W下步驟：
[0019] (1)提取NIfTI格式原始神經(jīng)影像文件I的文件頭H和神經(jīng)影像數(shù)