Державний комітет зв'язку та інформатизації України

Національна академія наук України

Державний науково–дослідний інститут інформаційної інфраструктури

Кучинський Тарас Борисович

УДК 621.372.542:517.519

хВИЛЬКОВІ МЕТОДИ СТИСКУ ЗОБРАЖЕНЬ В СИСТЕМАХ

МЕДИЧНОЇ ДІАГНОСТИКИ

05.13.06 – Автоматизовані системи управління та

прогресивні інформаційні технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2002Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державному науково–дослідному інституті інформаційної інфраструктури Державного комітету зв'язку та інформатизації України та Національної академії наук України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Яцимірський Михайло Миколайович, провідний науковий співробітник Науково–учбового центру математичного моделювання Інституту прикладних проблем механіки і математики ім. Я.С.Підстригача НАН України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент Тимченко Олександр Володимирович, професор Національного університету "Львівська політехніка"

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Опир Наталя Василівна, старший науковий співробітник Фізико–механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України

Провідна установа: Національний авіаційний університет, кафедра обчислювальної техніки

Захист відбудеться "  23  "     грудня     2002 року о  16   год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .813.01 при Державному науково–дослідному інституті інформаційної інфраструктури за адресою: 79601, м. Львів, МСП, вул. Тролейбусна, 11.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Державного науково–дослідного інституту інформаційної інфраструктури за адресою: 79601, м. Львів, МСП, вул. Тролейбусна, 11.

Автореферат розісланий " 21 "   листопада  року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук Бунь Р.А.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасний етап становлення інформаційного суспільства характеризується бурхливим розвитком та широким впровадженням в медичну практику прогресивних інформаційних технологій. Цей процес потребує забезпечення збереження та передачі на значні відстані величезного об'єму даних медичної діагностики. Провідне місце серед діагностичної інформації займають медичні зображення, переважна більшість яких характеризується великими розмірами. З огляду на значні об'єми даних, необхідних для зберігання, та обмежену пропускну здатність існуючих каналів зв'язку гостро постає задача компактного представлення медичних зображень. Одним з основних шляхів вирішення цієї задачі є використання ефективних методів стиску зображень.

Традиційно в медичних інформаційних системах застосовуються методи стиску без втрат, які забезпечують однозначне відтворення даних, але характеризуються відносно малим коефіцієнтом стиску (3 – ). Тому стиск медичних зображень доцільно проводити на основі методів стиску з втратами. При цьому, такі методи повинні бути надійними в сенсі точності відтворених (після стиску) даних, тобто забезпечувати збереження діагностичної інформації. В останні роки в медичних інформаційних технологіях використовують нові методи стиску зображень, серед яких провідне місце займають методи, побудовані на основі швидкого хвилькового перетворення (ШХП). При цьому комплексне застосування втратних та безвтратних методів дозволяє на порядок збільшити коефіцієнт стиску (40 – ) без втрати діагностично важливої інформації. До недоліків відомих методів та алгоритмів стиску зображень на основі ШХП слід віднести відсутність адаптації до специфіки медичних зображень та значний обсяг обчислень.

Таким чином, актуальною є наукова задача, що полягає в розробці ефективних методів та алгоритмів стиску зображень на основі ШХП, орієнтованих на застосування в інформаційних системах медичної діагностики.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках науково–дослідних робіт Державного науково–дослідного інституту інформаційної інфраструктури Державного комітету зв'язку та інформатизації та Національної академії наук України, а саме: "Базові компоненти образного комп'ютера для швидкого адаптивного аналізу, розпізнавання, компресії, архівації та пошуку аудіовідеоінформації", 2001–2002 рр. (Державна програма "Образний комп'ютер") та "Дослідження та розробка високоефективних методів і алгоритмів відбору, обробки та збереження інформаційних параметрів з метою аналізу, оцінки та прогнозування складних явищ, процесів, об'єктів і управління", 2000–2001 рр.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в розробці нових ефективних алгоритмів стиску структурно складних зображень на базі хвилькового перетворення, орієнтованих на реалізацію в програмно–апаратних засобах цифрової обробки зображень інформаційних систем медичної діагностики.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

1. Виділити найбільш перспективні методи та алгоритми стиску зображень для інформаційних систем медичної діагностики.

2. Дослідити особливості швидких хвилькових перетворень, що найчастіше застосовуються у виділених методах стиску.

3. Синтезувати ефективні алгоритми обчислення розглянутих видів швидких хвилькових перетворень та показати їх ефективність порівняно з відомими реалізаціями.

4. На базі виділених методів стиску розробити новий адаптивний алгоритм стиску складноструктурних зображень медичної діагностики.

5. Продемонструвати ефективність застосування запропонованих методів та алгоритмів при побудові програмно–апаратних засобів стиску зображень для медичних інформаційних систем.

Об'єкт дослідження – медичні інформаційні технології.

Предмет дослідження – алгоритми та методи стиску даних на основі хвилькових перетворень.

Методи дослідження. Проведені в дисертаційній роботі дослідження ґрунтуються на загальних положеннях теорії інформації та кодування, теорії цифрової обробки сигналів та зображень (теорія ортогональних перетворень, теорія хвилькових перетворень), а також теорій програмування, алгоритмів і обчислювальних машин та систем.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Запропоновано оригінальну методику зменшення обчислювальних затрат в алгоритмах ШХП, що полягає в еквівалентній заміні імпульсних характеристик фільтрів сумою імпульсних характеристик з тривіальними (спрощеними) значеннями елементів та об'єднаному обчисленні відповідних згорток.

2. На основі запропонованої методики отримано новий універсальний рекурсивний алгоритм обчислення ШХП для фільтрів Добеші довільного порядку та здійснено аналітичну оцінку його обчислювальних затрат. Показано, що у порівнянні з відомими реалізаціями кількість множень скорочено вдвічі без збільшення загальної кількості арифметичних операцій.

3. Синтезовано нові скорочені алгоритми обчислення прямого та оберненого ШХП виду CDF 9/7, які є ключовими в стандартах стиску даних. За рахунок запропонованої методики зменшено в 3 рази кількість операцій множення на дійсні константи без суттєвого збільшення загальної кількості арифметичних операцій.

4. Розроблено новий адаптивний алгоритм стиску медичних зображень, що ґрунтується на розділенні елементів хвилькового образу складного зображення на два класи (графічний та текстовий) та їх незалежному кодуванні. Показано, що цей алгоритм добре враховує особливості структури більшості медичних зображень.

Практичне значення одержаних результатів. Синтезовані у роботі скорочені алгоритми швидких хвилькових перетворень дозволяють в 1.5–1.9 рази зменшити час стиску, що суттєво прискорює обробку великих медичних зображень. Оскільки більшість операцій множення замінені на операції додавання, то ці алгоритми добре узгоджуються зі специфікою розробки надвеликих інтегральних схем. Тому отримані у роботі скорочені алгоритми доцільно використовувати як алгоритмічну основу програмно–апаратних засобів кодування медичних зображень з метою прискорення процесу стиску та покращення масогабаритних характеристик обладнання. Розроблений адаптивний алгоритм дає змогу покращити якість стиску медичних зображень (без зменшення коефіцієнту стиску) і тим підвищити надійність діагностики.

Синтезований у роботі скорочений алгоритм обчислення біортогонального ШХП виду CDF /7 використаний як алгоритмічна основа при побудові НВІС–структури стиску даних в НДР "Базові компоненти образного комп'ютера для швидкого адаптивного аналізу, розпізнавання, компресії, архівації та пошуку аудіовідеоінформації", що виконувалася в Державному науково–дослідному інституті інформаційної інфраструктури (2001–2002 рр.), в рамках державної програми "Образний комп'ютер".

Використання результатів роботи в системі збереження та передачі зображень медичної діагностики, що впроваджена у відділі променевої діагностики Львівської дитячої спеціалізованої клінічної лікарні, показало її значні переваги. Порівняно з відомими аналогічними системами досягнуто зростання швидкості передачі інформації (при забезпеченні надійності та точності її відтворення). При цьому середній час обміну даними зменшено у 2 – рази.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 11 наукових праць, з яких 8 статей у фахових наукових виданнях.

Особистий внесок здобувача. Всі теоретичні і практичні розробки, що виносяться на захист, виконані автором самостійно. В роботах, написаних у співавторстві, пошукувачу належать: [2, 9] – синтез ефективних алгоритмів ортогонального ШХП для фільтрів Добеші другого та третього порядків; [3, 4, 6, 8] – синтез ефективних алгоритмів прямого біортогонального ШХП виду CDF /7; [5] – порівняльний аналіз новітніх методів та алгоритмів стиску зображень та синтез скороченого алгоритму оберненого біортогонального ШХП виду CDF /7; [7] – пакет прикладних програм для аналізу доплерівського сигналу в ультразвуковому імпульсному вимірювачі швидкості; [10] – огляд особливостей застосування ШХП в системах медичної діагностики; участь у формулюванні проблеми (задачі), оцінка обчислювальних затрат синтезованих алгоритмів та розробка програмного забезпечення для перевірки їх ефективності в усіх наведених роботах.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень були представлені на: Міжнародній конференції з автоматичного управління "Автоматика–2000" (Львів, 2000); Міжнародній конференції "Комп'ютерні технології друкарства: алгоритми, сигнали, системи "ДРУКОТЕХН–2000" (Львів, 2000); VI Міжнародній науково–технічній конференції "Досвід розробки та застосування приладо–технологічних САПР в мікроелектроніці – CADSM 2001" (Львів–Славсько, 2001); Українсько–Польському симпозіумі "Інформатично–математичне моделювання складних систем" MIMUZ'2002 (Львів, 2002); наукових семінарах Державного науково–дослідного інституту інформаційної інфраструктури (Львів, 2000–2002).

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, який містить 130 найменувань, і трьох додатків. Зміст роботи викладений на 147 сторінках. Дисертація проілюстрована 35 рисунками і 7 таблицями.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, показано її зв'язок із науковими програмами, планами та темами, сформульовано мету та задачі дослідження, наведено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, а також описано структуру дисертації.

У першому розділі проведено детальний аналіз проблем, пов'язаних з стиском зображень в інформаційних системах медичної діагностики. Здійснено огляд новітніх методів та алгоритмів стиску зображень, розглянуто можливі шляхи підвищення ефективності стиску.

Системи збереження та передачі медичних зображень є сучасними інформаційними системами, що забезпечують накопичення, короткочасне та довготривале збереження, перегляд та віддалений доступ через локальні та глобальні комп'ютерні мережі до великого об'єму даних у вигляді медичних діагностичних зображень разом із супровідною інформацією.

З огляду на значні об'єми необхідних для зберігання даних та обмежену пропускну здатність існуючих каналів зв'язку постає проблема компактного представлення медичних зображень. Одним з основних шляхів вирішення цієї проблеми є використання ефективних методів стиску зображень. При цьому високих коефіцієнтів стиску можна досягти лише за допомогою втратних методів стиску.

Стиск зображень медичної діагностики відрізняється рядом особливостей. По–перше, втрата чи спотворення діагностично важливої інформації є недопустимою. По–друге, медичні зображення характеризуються складною структурою, що значно утруднює процес стиску. Особливу проблему складають зображення, що поєднують первинне багатоградаційне діагностичне зображення з накладеною поверх нього супровідною алфавітно–цифровою та графічною інформацією. По–третє, сучасні системи збереження та передачі даних медичної діагностики вимагають реалізації процедури стиску та відтворення зображень в реальному масштабі часу.

На основі проведеної порівняльної характеристики новітніх методів та алгоритмів стиску та аналізу можливості їх застосування в системах збереження та передачі медичних зображень можна стверджувати, що одними з найкращих є методи, побудовані на основі ШХП. Вони, зокрема, не дають блочних ефектів, і при кодуванні нерухомих об'єктів мають переваги в точності, швидкості та коефіцієнті стиску. В цих методах найчастіше використовуються біортогональне ШХП виду CDF /7, а також ортогональне ШХП Добеші (порядку від 2 до 10). Серед них особливою ефективністю відрізняється відомий алгоритм стиску SPIHT (Said A., Pearlman W., 1996).

З огляду на великі розміри та складність структури медичних зображень, їх стиск та відтворення потребує значних обчислювальних затрат. Встановлено, що при стиску та відтворенні тестових зображень за допомогою розробленої програмної реалізації методу SPIHT основна частка затраченого часу припадає, відповідно, на обчислення прямого та оберненого ШХП. Тому при побудові інформаційних систем медичної діагностики необхідно синтезувати ефективні алгоритми обчислення прямого та оберненого ШХП. Особливу увагу слід приділити алгоритмам ШХП типу CDF /7 (Cohen A., Daubechies I., Feauveau J.) та Добеші (Daubechies I.) різних порядків, що найчастіше застосовуються на практиці.

У другому розділі розглянуті основні положення теорії хвилькового перетворення, а також практичні аспекти її застосування до типових задач цифрової обробки сигналів та зображень. Відзначено, що хвилькове перетворення є альтернативним підходом до традиційних методів спектрального аналізу, побудованих на основі ортогональних тригонометричних перетворень (Фур'є, Хартлі, косинусного тощо). Проаналізовано переваги його застосування для локально–часового спектрального аналізу неперіодичних сигналів складної форми (нестаціонарних сигналів), а також подібності та відмінності з традиційними методами, зокрема з локальним перетворенням Фур'є. Наведено різні види хвилькового перетворення: неперервне, дискретне, швидке та пакетне.

Хвилькові (англ. wavelet) функції утворюються шляхом масштабування та переносу однієї функції (так званої материнської хвилькової функції) ,

,

де – параметр масштабування; – переносу.

Неперервне хвилькове перетворення (НХП) здійснює відображення сигналу на масштабно–часову площину :

, (1)

де – хвильковий образ; * – операція комплексного спряження;

– скалярний добуток. Відзначено, що методи, побудовані на основі НХП, дозволяють отримати адаптивну відносно частоти оцінку локальних енергетичних характеристик нестаціонарних сигналів.

Дискретне хвилькове перетворення (ДХП) є варіантом НХП, в якому параметри масштабування та переносу у виразі (1) вибрані спеціальним чином: , , де , – цілі числа, що забезпечує ортогональне представлення дискретного сигналу у вигляді узагальненого ряду. Описано зв'язок ДХП з класичними методами цифрової фільтрації сигналів.

Відмічено, що ДХП широко застосовується в задачах фільтрації та стиску сигналів. По–перше, воно володіє важливими для стиску сигналів загальними властивостями ортогональних перетворень (однакова ентропія в часовій області та образі сигналу, рівність енергії, декореляція між відліками, зменшення впливу похибок даних імпульсного характеру). По–друге, для ДХП існують швидкі алгоритми, які мають складність , а швидкі алгоритми інших ортогональних перетворень (Фур'є, Хартлі, косинусних–синусних) мають складність . По–третє, ДХП має властивість концентрації енергії сигналу у порівняно невеликій кількості компонент образу, що є основною вимогою до перетворень в задачах фільтрації, стиску та класифікації сигналів.

Фільтрація сигналів в спектральній області ДХП складається з трьох послідовних етапів: 1) аналізу сигналу на основі ДХП; 2) нерівномірного квантування (відкидання значної кількості спектральних відліків з невеликими амплітудними значеннями); 3) синтезу сигналу за допомогою оберненого ДХП. Досягнення оптимальних результатів фільтрації залежить від правильного вибору методу квантування.

В основі новітніх методів стиску зображень, побудованих на основі ШХП, лежить концепція кодування нуль–дерева. Вона ґрунтується на знаходженні кореляційних залежностей між різними рівнями деталізації зображення, що відповідають різним частотним смугам в –етапному ДХП. Припускається, що нульовий елемент з великою ймовірністю на наступних рівнях деталізації також переходить в нульові елементи. Тому для представлення такого нуль–дерева достатньо вказати лише його вершину.

Показано, що при стиску медичних зображень, котрі за природою є нестаціонарними (або локально стаціонарними) сигналами, доцільно використовувати хвилькові перетворення у поєднанні з концепцією нуль–дерева.

У третьому розділі досліджено особливості імпульсних характеристик хвилькових фільтрів. Відзначено, що при реалізації алгоритмів ШХП на універсальних та спеціалізованих обчислювачах (у вигляді НВІС–структур), виникає необхідність скорочення в першу чергу кількості операцій множення. Запропоновано оригінальну методику синтезу скорочених алгоритмів обчислення ШХП, на основі якої одержано ряд нових ефективних алгоритмів.

Нехай , ( – парне число), – вхідний дискретний сигнал. Класичний алгоритм одноетапного прямого ШХП задається виразами

, , (2)

, , (3)

де , – значення елементів імпульсних характеристик низькочастотного, а , – високочастотного фільтрів аналізу.

Класичною схемою продовження одноетапного ШХП є пірамідальна, що полягає в рекурсивному застосуванні перетворення (2), (3) до обчисленого на попередньому етапі сигналу . Якщо , де – ціле число, то пірамідальна схема складається з послідовних одноетапних –точкових ДХП, де при прямому перетворені, та – при оберненому.

Кількість множень та додавань в –точковому етапі прямого ШХП відповідно рівні: , . Для пірамідальної схеми продовження обчислювальні затрати –етапного ()–точкового ШХП оцінюються виразами: , .

Суть запропонованої методики полягає в еквівалентній заміні імпульсних характеристик фільтрів сумою імпульсних характеристик з тривіальними (спрощеними) значеннями елементів та об'єднаному обчисленні згорток (2) і (3). З цією метою, враховані особливості імпульсних характеристик хвилькових фільтрів. Для прикладу, імпульсну характеристику фільтру Добеші порядку два D2, , , , заміняємо сумою двох характеристик з спрощеними значеннями елементів: , де . Фільтри та пов'язані співвідношенням . Тому при об'єднаному обчисленні згорток (2) і (3) необхідно виконати два множення на один відлік сигналу. В практичних реалізаціях множення на сталу здійснюють після перетворення, і тому ним можна знехтувати. У цьому випадку достатньо лише одного множення на один відлік сигналу.

На основі запропонованої методики отримано скорочені алгоритми обчислення ШХП для фільтрів Добеші другого та третього порядків, а також скорочений алгоритм реалізації ШХП для фільтрів Добеші довільного порядку. Доведено, що в цьому випадку вирази (2), (3) можна замінити на еквівалентні скорочені співвідношення (4)–(7),

, (4)

, (5)

де ; – порядок фільтрів Добеші; , – дійсні сталі; а та – допоміжні многочлени,

, ; (6)

, . (7)

Для ефективного обчислення послідовностей (6) та (7) побудовано рекурсивну процедуру, що не потребує операцій множення. Одержано аналітичні вирази оцінки обчислювальних затрат синтезованого універсального рекурсивного алгоритму: ; . Встановлено, що у порівнянні з класичною реалізацією кількість множень скорочено вдвічі без збільшення загальної кількості арифметичних операцій.

У таблиці наведено оцінки обчислювальних затрат синтезованих алгоритмів обчислення прямого та оберненого ШХП, де враховано, що при проведенні обчислень множення на цілі числа замінюються додаваннями. Операції множення на степінь двійки, еквівалентні зсуву регістра, не враховуються.

Таким чином, у порівнянні з класичними реалізаціями, синтезовані алгоритми обчислення ШХП вимагають в 2 – рази меншої кількості множень при практично незмінній загальній кількості арифметичних операцій. Одержані скорочені алгоритми найдоцільніше застосовувати при побудові спеціалізованих обчислювальних засобів, в котрих операція множення є складніша в реалізації порівняно з операцією додавання.

Таблиця.

У четвертому розділі запропоновано новий адаптивний алгоритм стиску медичних зображень, структурна схема якого зображена на рис. 1.

Цей алгоритм забезпечує розділення елементів хвилькового образу на два класи (графічний – первинне багатоградаційне зображення, текстовий – супровідна текстова інформація) та їх незалежне кодування. Завдяки цьому адаптивний алгоритм добре узгоджується з особливостями медичних зображень.

Рис. 1. Структурна схема адаптивного алгоритму стиску

зображень медичної діагностики

Процедура стиску зображення складається з п'яти послідовних кроків. На першому кроці здійснюється введення та попередня обробка початкового цифрового медичного зображення, що полягає в приведенні вхідного зображення до внутрішнього формату. На другому кроці виконується –етапне ШХП, де визначається відповідно до розміру зображення і лежить в межах від трьох до семи. На третьому кроці здійснюється сегментація хвилькового образу зображення, завданням якої є поділ його елементів на дві групи. До першої групи відносяться компоненти, що належать первинному діагностичному зображенню, а до другої – компоненти супровідної алфавітно–цифрової інформації. На четвертому кроці проводиться кодування елементів хвилькового образу зображення з використанням модифікованого методу SPIHT. На останньому, п'ятому кроці виконується статистичне кодування сформованих на попередньому кроці бітових потоків даних. Кодоване зображення надсилається в систему збереження та передачі зображень. Процедура відтворення полягає в проведенні обернених до стиску операцій.

За допомогою розробленої програмної реалізації адаптивного алгоритму встановлено, що використання синтезованих скорочених алгоритмів ШХП дозволяє в 1.5 – .9 рази пришвидшити процес стиску типових зображень медичної діагностики.

Розроблено структуру медичної інформаційної системи, орієнтованої на роботу зі стиснутими зображеннями, схема якої наведена на рис. 2.

Рис. 2. Структурна схема медичної інформаційної системи,орієнтованої на роботу зі стиснутими зображеннями

Система побудована на основі клієнт–серверної архітектури. Апаратно–програмні засоби клієнтської частини виконують такі основні функції: введення медичних зображень, отриманих за допомогою аналогового та цифрового діагностичного обладнання; стиск та відтворення зображень; візуалізацію зображень (виведення цифрових медичних зображень на екран дисплея чи створення твердих копій на папері, фотоплівці, фотопапері тощо). Графічний інтерфейс організовує зручний та зрозумілий для користувача спосіб взаємодії з інформаційною системою.

Програмно–технічні компоненти серверної частини забезпечують збереження інформаційних ресурсів, зокрема стиснутих медичних зображень, баз даних тощо (файловий сервер), перекодування зображень з одного формату в інший (блок конвертування), пошук діагностичної та супровідної інформації (інформаційно–пошукова система), а також її обмін з зовнішніми інформаційними системами та діагностичним обладнанням (шлюз до зовнішніх інформаційних систем). Одним з основних є блок обробки зображень, який загалом включає програмно–апаратні засоби, що реалізують типові операції обробки зображень: різні види перетворень (хвилькові, тригонометричні тощо), фільтрацію зображень, аналіз та розпізнавання зображень (виділення діагностичних ознак, пошук за еталоном тощо).

На основі запропонованої структури розроблена інформаційна медична система, яка успішно впроваджена в клінічних умовах на базі відділу променевої діагностики Львівської дитячої спеціалізованої лікарні. Вона пройшла тестування, метою якого була перевірка загальної працездатності, а також сумісності з найбільш поширеними прикладними програмами для роботи з графічною та текстовою інформацією. Як показали результати тестування, розроблена система є працездатною і добре зарекомендувала себе навіть при роботі на комп'ютерній техніці з обмеженими ресурсами та швидкодією. Завдяки використанню ефективного стиску вона має значні переваги порівняно з аналогічними системами: зменшення об'ємів даних, необхідних для зберігання та передачі зображень; зростання швидкості передачі; забезпечення надійності та точності відтворення діагностичної інформації, а також загального скорочення обчислювальних затрат.

У додатках наведені акти про впровадження результатів роботи, ілюстрації застосування розроблених методів та алгоритмів, а також тексти основних програм.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено важливу науково–технічну задачу – розроблено нові ефективні методи та алгоритми стиску структурно складних зображень, орієнтовані на реалізацію в програмно–апаратних засобах цифрової обробки зображень інформаційних систем медичної діагностики. При цьому отримані такі результати.

1. Встановлено, що при створенні інформаційних систем медичної діагностики найкраще використовувати методи стиску зображень, побудовані на основі ШХП, котрі дозволяють досягти високих коефіцієнтів стиску (40 – ). Про цьому основні обчислювальні затрати припадають на етап прямого та оберненого ШХП.

2. Розроблено нову методику синтезу ефективних алгоритмів ШХП, що полягає в еквівалентній заміні імпульсних характеристик фільтрів сумою імпульсних характеристик з тривіальними (спрощеними) значеннями елементів. Вона дозволяє скоротити кількість операцій множення без суттєвої зміни загальної кількості арифметичних операцій. При цьому зберігається структура синтезованих алгоритмів ШХП як системи пірамідальних чи паралельних згорток.

3. На основі запропонованої методики отримано ряд нових ефективних алгоритмів обчислення прямого та оберненого ШХП:

· скорочені алгоритми обчислення ортогонального ШХП для фільтрів Добеші другого та третього порядків;

· універсальний алгоритм обчислення ортогонального ШХП для фільтрів Добеші довільного порядку;

· два варіанти скороченого алгоритму обчислення прямого біортогонального ШХП виду CDF /7 (орієнтованих відповідно на апаратну та програмну реалізацію);

· скорочений алгоритм обчислення оберненого біортогонального ШХП виду CDF /7.

4. Отримано аналітичні вирази для оцінки обчислювальних затрат синтезованих у роботі алгоритмів. Встановлено, що у порівнянні з класичними реалізаціями, синтезовані алгоритми обчислення ШХП вимагають в 2 – рази меншої кількості множень практично без зміни загальної кількості арифметичних операцій. При цьому структура алгоритму добре узгоджується з технологією НВІС–процесорів.

5. Розроблено новий адаптивний алгоритм стиску зображень медичної діагностики. Цей алгоритм дає змогу покращити якість стиску медичних зображень (без зменшення коефіцієнту стиску) і тим підвищити надійність діагностики. Він базується на використанні синтезованих скорочених алгоритмів ШХП, що дозволяє в 1.5 – 1.9 рази пришвидшити процес стиску.

6. Розроблено та впроваджено інформаційну систему збереження та передачі зображень медичної діагностики, експлуатація котрої підтвердила ефективність синтезованих у роботі алгоритмів. Порівняно з відомими аналогічними системами досягнуто зростання швидкості передачі інформації (при забезпеченні надійності та точності її відтворення). При цьому середній час обміну даними зменшено у 2 – 3 рази.

СПисок опублікованих праць за темою дисертації

1. Кучинський Т.Б. Універсальний рекурсивний алгоритм обчислення швидких хвильових перетворень для фільтрів Добечі довільного порядку// Комп'ютерні технології друкарства. – № 6. – Львів: УАД, 2001.– С. 185–192.

2. Кучинський Т.Б., Яцимірський М.М. Ефективна реалізація алгоритмів швидких хвильових перетворень для фільтрів Добечі другого та третього порядків// Збірник наукових праць Інституту проблем моделювання в енергетиці НАН України. – Київ, 2000. – Вип. 9. – С. 176–181.

3. Кучинський Т.Б., Яцимірський М.М. Скорочений алгоритм швидкого біортогонального (9/7) хвильового перетворення// Вісник Державного університету "Львівська політехніка": "Комп'ютерна інженерія та інформаційні технології". – Львів, 2000. – № 392. – С. 159–162.

4. Кучинський Т., Лашко О., Цмоць І., Яцимірський М. НВІС–структури для обчислення симетричного біортогонального швидкого хвилькового перетворення// Вісник Національного університету "Львівська політехніка": "Комп'ютерна інженерія та інформаційні технології". – Львів, 2002. – № 450.– С. 50–55.

5. Кучинський Т.Б., Яцимірський М.М. Стиск зображень на основі біортогонального CDF 9/7 хвильового перетворення// Комп'ютерні технології друкарства. – № 4. – Львів: УАД, 2000. – С. 333–342.

6. Кучинський Т. Б., Лукенюк А. А., Яцимірський М. М. Стиск даних в бортових системах обробки наукової інформації// Відбір і обробка інформації.– Львів: ФМІ НАН України, 2000. – Вип. 14(90). – С. 142–145.

7. Кучинський Т.Б., Яцимірський М.М. Застосування перетворення Хартлі для аналізу доплерівського сигналу в ультразвуковому імпульсному вимірювачі швидкості// Збірник наукових праць Інституту проблем моделювання в енергетиці НАНУ. – Київ, 2001. – Вип. 7. – С. 81–85.

8. Кучинський Т.Б., Цмоць І. Г., Яцимірський М.М. Алгоритми та НВІС–структури для обчислення біортогонального швидкого хвилькового перетворення CDF /7Збірник наукових праць Інституту проблем моделювання в енергетиці НАН України.– Київ, 2001.– Вип. 10.– С. 146–153.

9. Кучинський Т.Б., Яцимірський М.М. Підвищення ефективності алгоритмів швидких ортогональних хвильових перетворень// Автоматика–2000.– Т. 6.– Львів: ДНДІ ІІ, 2000. – С. 290–295.

10. Kuchynsky T., Yatsymirsky M. Digital wavelet transform fast algorithms synthesis and application in medical diagnostic// Proc. of the VI-th International Conf. CADSM 2001.– Lviv, 2001. – P. 273–274.

11. Кучинський Т. Кодування зображень в системах збереження та передачі даних медичної діагностики// Матеріали Українсько–Польського симпозіуму "Інформатично–математичне моделювання складних систем" –MIMUZ'2002.– Львів, 2002. – С. 125–131.

АНОТАЦІЇ

Кучинський Т.Б. Хвилькові методи стиску зображень в системах медичної діагностики. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. – Державний науково–дослідний інститут інформаційної інфраструктури, Львів, 2002.

Дисертація присвячена розробці нових ефективних алгоритмів стиску зображень, орієнтованих на реалізацію в програмно–апаратних засобах інформаційних систем медичної діагностики. Проведено порівняльний аналіз сучасних методів стиску зображень та можливостей їх застосування. На основі запропонованої оригінальної методики синтезовано ряд скорочених алгоритмів обчислення швидкого хвилькового перетворення, що потребують в 2–3 рази меншої кількості операцій множення без суттєвої зміни загальної кількості арифметичних операцій і добре узгоджуються з технологією НВІС–процесорів. Розроблено адаптивний алгоритм кодування, що враховує особливості медичних зображень. На його основі побудовано медичну інформаційну систему збереження та передачі зображень, яка практично підтверджує ефективність синтезованих алгоритмів.

Ключові слова: стиск зображень, хвилькові перетворення, швидкі алгоритми, інформаційні системи медичної діагностики.

Kuchynsky T.B. Wavelet compression methods in medical diagnostic systems. – Manuscript.

The thesis for obtaining the scientific degree of Candidate of Technical Sciences, speciality 05.13.06 – automated control systems and advanced information technologies. – State Research Institute of Information Infrastructure, Lviv, 2002.

The thesis is devoted to development of novel effective image compression algorithms, which are targeted to be software and hardware implemented in medical diagnostic information systems. The comparative analysis of modern image compression methods and possibility of their application has been carried out. Several shortened algorithms of fast wavelet transform were synthesized basing on proposed original method. These algorithms require 2–3 times less multiplication whereas the total number of operations does not increase significantly. The synthesized algorithms match well with VLSI technology. The adaptive image coding algorithm considering peculiar properties of medical images has been developed. The medical PACS (picture archiving and communication system) based on this method is proposed.

Key words: image compression, wavelet transform, fast algorithms, medical diagnostic information systems.

Кучинский Т.Б. Вейвлетные методы сжатия изображений в системах медицинской диагностики. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 – автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. – Государственный научно–исследовательский институт информационной инфраструктуры, Львов, 2002.

Диссертация посвящена разработке новых эффективных алгоритмов сжатия изображений, ориентированных на реализацию в программно–аппаратных средствах систем медицинской диагностики. В работе проведен сравнительный анализ современных методов сжатия изображений и дана оценка возможности их применения в медицинской практике. Показано, что на современном этапе для решения поставленной задачи оптимальными являются методы, в основе которых лежит быстрое вейвлетное преобразование (БВП). Они позволяют достичь высокой степени сжатия и не приводят к образованию блочных эффектов. Предложенные методы состоят из трех последовательных этапов: анализ изображений посредством БВП; кодирование элементов образа; статистическое кодирование. Установлено, что при сжатии изображений, большая часть вычислительных затрат приходится на этап вычисления БВП.

Предложена оригинальная методика синтеза эффективных алгоритмов БВП, суть которой состоит в эквивалентной замене импульсных характеристик фильтров суммой импульсных характеристик с тривиальными значениями элементов. На её основании получены сокращенные алгоритмы вычисления БВП для ортогональных фильтров Добеши второго и третьего порядков, универсальный алгоритм вычисления БВП для фильтров Добеши произвольного порядка, а также сокращенный алгоритм биортогонального БВП вида CDF /7. Синтезированные алгоритмы по сравнению с классическими реализациями характеризуются сокращением количества операций умножения в 2–3 раза, в то время как общее число арифметических операций остается практически неизменным. Их применение особенно эффективно при разработке специализированных вычислительных средств, в т.ч. СБИС–процессоров, в которых реализация операции умножения гораздо сложнее операции сложения.

Предложен адаптивный алгоритм сжатия, учитывающий особенности медицинских изображений (сложность структуры, недопустимость потери диагностически важной информации, необходимость реализации процедуры сжатия в реальном масштабе времени). Его суть заключается в разделении элементов вейвлетного образа на две составляющие (графика и текст) и их независимой обработке. Разработанный алгоритм позволяет улучшить качество сжатия медицинских изображений (без уменьшения коэффициента сжатия) и благодаря этому повысить надёжность диагностики.

Разработана структура и программное обеспечение информационной системы хранения и передачи данных медицинской диагностики, ориентированной на работу со сжатыми медицинскими изображениями и построенной на базе клиент–серверной архитектуры. Компоненты системы выполняют функции ввода, сжатия, воспроизведения и визуализации медицинских изображений; сохранения информационных ресурсов и поиск диагностической информации. Основным элементом системы является блок обработки изображений, осуществляющий сложные вычислительные операции, в т.ч. БВП. Преимуществами предложенной системы по сравнению с существующими аналогами является увеличение в 2 – раза скорости передачи информации (при обеспечении надёжности и точности её воспроизведения).

Ключевые слова: сжатие изображений, вейвлетное преобразование, быстрые алгоритмы, информационные системы медицинской диагностики.