基于VTK庫(kù)的圖像處理子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

屈金嬌

(聯(lián)勤保障部隊(duì)第九〇四醫(yī)院，江蘇 無(wú)錫 214000)

VTK庫(kù)(The Visualization Toolkits)作為1種常用的圖像處理類庫(kù)，主要是在參照面向?qū)ο蠓椒ǖ幕A(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，具有強(qiáng)大的圖像可視化功能和圖像處理功能，通過(guò)將其應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像處理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，不僅可以提高子系統(tǒng)的拓展性、實(shí)用性，還能降低維護(hù)難度，為實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)學(xué)圖像的自動(dòng)化、智能化處理打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，在VTK庫(kù)的應(yīng)用背景下， 如何科學(xué)地設(shè)計(jì)圖像處理子系統(tǒng)是技術(shù)人員必須思考和解決的問(wèn)題。

1 VTK庫(kù)概述

VTK庫(kù)作為一種可視化類庫(kù)，在具體的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，主要利用借助面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)，完成對(duì)三維可視化類庫(kù)的設(shè)計(jì)。因此，該可視化庫(kù)具有強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)功能、圖像處理功能。此外，VTK庫(kù)對(duì)多種格式圖像數(shù)據(jù)處理提供了極大的支持，如有規(guī)則點(diǎn)陣處理、圖像數(shù)據(jù)處理以及體元數(shù)據(jù)處理，為用戶提供了多種格式文件；文件格式不同，對(duì)數(shù)據(jù)讀取方式和速度也存在一定的差異 。另外，VTK庫(kù)包含常用的圖形操作功能，通過(guò)對(duì)圖像處理算法進(jìn)行封裝處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類的有效封裝。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

在智能手機(jī)、平板電腦等各種終端設(shè)備的不斷發(fā)展和普及下，我國(guó)醫(yī)療行業(yè)逐漸向移動(dòng)化、智能化方向不斷發(fā)展。為了確保各行各業(yè)相關(guān)人士因工作需要借助手機(jī)終端，能夠清晰查看和判斷圖像，需要利用手機(jī)終端，將DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)圖像文件進(jìn)行快速獲取和整理。此時(shí)，該手機(jī)可以采用文件解析的方式，對(duì)DICOM文件進(jìn)行解析處理，并將解析后的文件清洗、直觀地顯示出來(lái)。另外，還要對(duì)DICOM文件信息進(jìn)行保存處理，并向用戶顯示保存好的文件信息；同時(shí)，還要對(duì)各種圖像進(jìn)行一系列的操作處理，為后期的工作開(kāi)展提供重要的依據(jù)和參考。

2.2 功能性分析

為了確保所設(shè)計(jì)的圖像處理子系統(tǒng)功能強(qiáng)大、使用性強(qiáng)，能夠可靠、穩(wěn)定、安全地運(yùn)行，現(xiàn)確定出如下系統(tǒng)核心功能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)：(1)圖像文件下載功能。該功能在具體的設(shè)計(jì)中，要將存儲(chǔ)于PC服務(wù)器的圖像文件進(jìn)行下載，并將下載好的圖像重新存儲(chǔ)于手機(jī)終端上。(2)DICOM文件解析與文本信息提取功能。該系統(tǒng)在具體的設(shè)計(jì)中，需要嚴(yán)格按照DICOM 3.0標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化解析處理DICOM文件格式，從而全面地了解和把握文件內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)，并對(duì)其文本信息進(jìn)行全面提取；然后，采用列表方式，將提取好的文本信息直觀、形象地呈現(xiàn)在醫(yī)生和患者面前。(3)DICOM圖像顯示與轉(zhuǎn)換功能。該功能在具體的設(shè)計(jì)中，需要借助系統(tǒng)，將提取和整理好的DICOM圖像像素?cái)?shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，使其統(tǒng)一被轉(zhuǎn)換為BMP格式圖像；然后，將醫(yī)學(xué)圖像直觀、形象地呈現(xiàn)在用戶面前；最后，采用BMP格式，完成對(duì)圖像的存儲(chǔ)和管理。(4)DICOM圖像處理功能。當(dāng)DICOM圖像顯示功能設(shè)計(jì)結(jié)束后，需要對(duì)顯示后的DICOM圖像進(jìn)行以下操作，如灰度變換操作、縮小或者放大操作，便于后期更好地開(kāi)展診斷工作。

2.3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System function structure diagram

從圖1可以看出，該系統(tǒng)主要由以下2個(gè)部分組成：(1)圖像下載模塊。用戶通過(guò)利用該模塊可以從PC服務(wù)器端查詢相應(yīng)的圖像文件；然后，采用多線程遠(yuǎn)程方式，將醫(yī)學(xué)圖像文件存儲(chǔ)于指定的手機(jī)端SD卡內(nèi)，并新建相應(yīng)的文件夾，存儲(chǔ)這些圖像文件，便于后期的使用和操作。總之，通過(guò)借助PC端服務(wù)器，完成對(duì)手機(jī)端數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像文件的快速下載和調(diào)用。(2)圖像處理模塊。該模塊屬于系統(tǒng)重要模塊，通過(guò)利用該模塊，除了可對(duì)DICOM格式圖像文件進(jìn)行解析外，還能對(duì)這些圖像文件進(jìn)行提取、顯示、縮放等各種處理，確保圖像文件從DICOM格式轉(zhuǎn)換為BMP格式。

2.4 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Schematic diagram of system flow design

從圖2可以看出， 借助系統(tǒng)快速下載DICOM圖像文件，并將其保存于指定的手機(jī)終端；同時(shí)，還要利用PC端，完成對(duì)WEB服務(wù)器的構(gòu)建。對(duì)于DICOM圖像文件而言，其文件體積通常比較大，為了加快文件下載速度，需要選用多線程下載方式，借助Android系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)下載線程功能，將下載好的文件安全、可靠地存儲(chǔ)于手機(jī)終端SD卡上。當(dāng)DICOM圖像文件下載結(jié)束后，需要借助程序，對(duì)本地選擇文件進(jìn)行解析處理。為了保證文件解析操作的規(guī)范性和和合理性，需要根據(jù)文件后綴“.dcm”分析和判斷圖像文件是否屬于DICOM文件，如果圖像文件屬于DICOM文件，需要對(duì)該文件內(nèi)部傳輸語(yǔ)法進(jìn)行分析和判斷，確定圖像文件是否屬于壓縮格式。一旦發(fā)現(xiàn)部分DICOM圖像文件屬于非壓縮格式，需要對(duì)其進(jìn)行重新解析處理。在進(jìn)行解析期間，要全面提取和收集圖像類型、圖像像素信息、某方面等的信息；然后，采用數(shù)據(jù)元素的方式，完成對(duì)這些醫(yī)學(xué)信息的安全化存儲(chǔ)。最后，嚴(yán)格按照標(biāo)簽所設(shè)置好的順序，完成對(duì)數(shù)據(jù)元素的讀取，并利用網(wǎng)絡(luò)資源，對(duì)DICOM標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)字典進(jìn)行查閱和處理，獲取數(shù)據(jù)元素所對(duì)應(yīng)的具體值，便于后期對(duì)信息的獲取和整理。之后，采用列表形式，向用戶直觀、形象地呈現(xiàn)所整理的信息，便于用戶的查看和調(diào)用。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)作為圖像處理子系統(tǒng)的重要組成部分，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸、存儲(chǔ)和管理打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，要想進(jìn)一步提高圖像處理子系統(tǒng)的運(yùn)行性能，保證系統(tǒng)核心功能的實(shí)現(xiàn)效果，技術(shù)人員要做好對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。現(xiàn)以表1、表2所示的“用戶信息表、線程信息表”為例，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)具體設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

表1 用戶信息表Tab.1 User information table

表2 線程信息表Tab.2 Thread information table

4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

4.1 DICOM文件下載功能設(shè)計(jì)

圖像處理子系統(tǒng)在具體的設(shè)計(jì)中，所依賴的平臺(tái)主要以Windows平臺(tái)為主，同時(shí)，還要借助內(nèi)部服務(wù)器，對(duì)所采集好的圖像信息進(jìn)行安全、可靠地存儲(chǔ)。在DICOM 格式下，為了最大限度地提高醫(yī)學(xué)圖像的解析效果，技術(shù)人員要根據(jù)實(shí)際需求，借助手機(jī)終端，完成對(duì)相關(guān)醫(yī)學(xué)圖像信息的獲取。此外，當(dāng)圖像含有DICOM格式時(shí)，其圖像文件的體積往往較大，在實(shí)際傳輸期間，所消耗的時(shí)間比較多。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像文件信息的高效化、安全化傳輸，在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)期間，技術(shù)人員要利用多線程斷點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)學(xué)圖像文件的下載和獲取。

4.2 DICOM文件信息提取功能設(shè)計(jì)

該功能在具體的設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員要在完成對(duì)DICOM數(shù)據(jù)格式、圖像編碼格式和文件格式解析的基礎(chǔ)上，借助移動(dòng)端從以下幾個(gè)方面入手，完成對(duì)DICOM 文件的一系列處理。

DICOM 文件判斷

在這一環(huán)節(jié)中，技術(shù)人員要采用查看文件后綴的方式，確定出DICOM文件類型，文件后綴名通常為“.dcm”。

DICOM文件信息提取

對(duì)文件進(jìn)行判斷后，發(fā)現(xiàn)所判定的文件類型屬于DICOM格式時(shí)，需要進(jìn)入到文件解析環(huán)節(jié)中，然后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提取出該文件內(nèi)部全部信息，如窗寬、分配位等圖像像素以及具體的個(gè)人信息、設(shè)備信息等必要信息，這些信息的保存方式主要以文本為主，為其開(kāi)展后期工作提供重要的依據(jù)和參考。

4.3 DICOM圖像顯示功能設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的圖像處理子系統(tǒng)，旨在幫助用戶更好地查閱和統(tǒng)計(jì)DICOM圖像，因此，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)DICOM圖像顯示功能是該系統(tǒng)的主要目標(biāo)。首先，要根據(jù)所提取好的DICOM文件信息，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)圖像顯示功能和圖像處理功能。DICOM文件具有一定的特殊性，技術(shù)人員無(wú)法直接利用圖像處理軟件，對(duì)DICOM圖像進(jìn)行識(shí)別處理。當(dāng)圖像文件全部被解析完畢后，為了降低后期操作處理難度，需要對(duì)DICOM圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，使其直接轉(zhuǎn)換為通用圖像格式；然后，借助Android手機(jī)終端，將轉(zhuǎn)換后的通用圖像信息形象、直觀地呈現(xiàn)在用戶面前。對(duì)于通用圖像而言，其圖像格式種類比較繁多，如BMP格式、JPG格式、PNG格式等。其中BMP格式圖像最為常用，通過(guò)利用該格式圖像，可以確保圖像信息保存的全面性和完整性，所以，在處理DICOM圖像期間，需要將其優(yōu)先轉(zhuǎn)換為BMP圖像。DICOM圖像顯示與轉(zhuǎn)換流程如圖3所示。

圖3 DICOM圖像顯示與轉(zhuǎn)換流程圖Fig.3 DICOM image display and conversion flow chart

從圖3可以看出，通過(guò)對(duì)圖像像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換處理后，需要利用系統(tǒng)內(nèi)存為指定的位圖數(shù)據(jù)開(kāi)辟相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)；同時(shí)，還要完成對(duì)BMP文件的創(chuàng)建。為了精確地計(jì)算和確定出位圖數(shù)據(jù)區(qū)的大小，技術(shù)人員要綜合考慮以下幾個(gè)因素：(1)對(duì)DICOM圖像像素?cái)?shù)據(jù)區(qū)的大小進(jìn)行調(diào)窗處理，確保調(diào)窗處理后的DICOM圖像像素?cái)?shù)據(jù)大小縮小一半。(2)調(diào)色板長(zhǎng)度。根據(jù)DICOM圖像信息顯示情況，可以精確地確定是否存在BMP位圖調(diào)色板，當(dāng)DICOM文件標(biāo)簽所對(duì)應(yīng)的光度狀態(tài)變?yōu)椤癙ALLETE COLOR”時(shí)，需要用到調(diào)色板，該調(diào)色板的字節(jié)大小達(dá)到了1 024字節(jié)，其顏色分別包含以下3種：藍(lán)色、綠色、紅色。(3)末尾補(bǔ)零。BMP圖像所對(duì)應(yīng)的寬度值有一定要求，一旦其寬度值不是“4”的倍數(shù)，需要對(duì)其進(jìn)末尾進(jìn)行補(bǔ)零處理，為后期圖像像素信息填充處理打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為了確保圖像像素信息填充效果，技術(shù)人員要熟練區(qū)分和掌握DICOM圖像像素與BMP圖像像素兩者顯示順序的差異性。對(duì)于DICOM圖像像素而言，其顯示順序沿著從左到右、從上到下的順序，第一字節(jié)和最后一字節(jié)的像素?cái)?shù)據(jù)分別代表左上角像素、右下角像素；對(duì)于BMP圖像像素而言，其顯示順序主要沿著從左到右、從下到上2種順序，第一字節(jié)和最后一字節(jié)的像素?cái)?shù)據(jù)分別代表左下角像素、右上角像素。所以，在對(duì)圖像像素進(jìn)行填充期間，需要將DICOM圖像首行像素?cái)?shù)據(jù)直接填入到BMP文件最后一行像素中，當(dāng)圖像像素?cái)?shù)據(jù)填充結(jié)束后，可以成功、完整地創(chuàng)建BMP文件；然后，調(diào)用getImage()函數(shù)，完成bm位圖對(duì)象的創(chuàng)建和顯示。最后，通過(guò)對(duì)BMPSave()函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，將這些bm位圖對(duì)象直接存儲(chǔ)于指定位置。

4.4 DICOM圖像處理功能設(shè)計(jì)

對(duì)于DICOM圖像而言，其圖像處理流程主要包含以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：(1)圖像縮放與平移。圖像縮放主要是指借助系統(tǒng)，對(duì)原始圖像進(jìn)行縮小或者放大處理，該處理方式應(yīng)用廣泛。在對(duì)圖像進(jìn)行處理期間，通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行放大處理，便于用戶更加清晰地看到圖像細(xì)節(jié)信息，為后期工作的有效開(kāi)展提供重要的依據(jù)和參考，有效地保證了效果。總之，通過(guò)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)圖像縮放功能，可以對(duì)局部圖像進(jìn)行放大處理，對(duì)后期工作的開(kāi)展起到了一定的輔助作用。(2)圖像線性灰度變換。當(dāng)DICOM圖像經(jīng)過(guò)初始調(diào)窗處理后，所獲得顯示圖像可以為用戶帶來(lái)良好的視覺(jué)體驗(yàn)，但是，一旦采集設(shè)備出現(xiàn)故障問(wèn)題，將會(huì)導(dǎo)致圖像某些部位出現(xiàn)以下2種情況：一種情況是圖像部位偏亮；另一種是圖像部位偏暗。為了確保系統(tǒng)所輸出的圖像質(zhì)量較高，需要加強(qiáng)對(duì)圖像灰度變換操作功能的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。灰度變換主要是指通過(guò)借助灰度拉伸功能，將圖像整體灰度集中設(shè)置于較暗的區(qū)域，此時(shí)，圖像處于變暗狀態(tài)，為了調(diào)亮圖像，需要增加拉伸灰度區(qū)間。如果圖像偏亮?xí)r，需要調(diào)整灰度拉伸區(qū)間，對(duì)圖像進(jìn)行調(diào)暗處理。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在VTK庫(kù)的應(yīng)用背景下，本文所設(shè)計(jì)的圖像處理子系統(tǒng)在各領(lǐng)域中得以顯著應(yīng)用。該系統(tǒng)在具體的設(shè)計(jì)中， 主要采用模塊化設(shè)計(jì)思路，完成對(duì)服務(wù)器的搭建；然后，利用網(wǎng)絡(luò)通道架構(gòu)，保證了相關(guān)核心功能的實(shí)現(xiàn)效果，極大地提高了用戶使用的便捷性。由此可見(jiàn)， 通過(guò)利用VTK庫(kù)，所設(shè)計(jì)的圖像處理子系統(tǒng)具有功能完善、實(shí)用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，符合用戶多樣化使用需求，值得被進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。