DICOM笔记-解析JPEG压缩格式DCM文件_.net 解压缩dcm

  项目中使用了DICOM文件保存图像，之前经常遇到DICOM内放置的是short类型或者float类型的二维图像，按照之前的代码处理JEPG压缩的DICOM文件，当然会出现问题；从网上查到资料，是由于JEPG需要解码器；
  把我处理的过程记录下来，以供大家参考；

JPEG格式

  JPEG的全称是JointPhotographicExpertsGroup（联合图像专家小组），它是一种常用的图像存储格式， jpg/jpeg是24位的图像文件格式，也是一种高效率的压缩格式，文件格式是JPEG（联合图像专家组）标准的产物，该标准由ISO与CCI TT（国际电报电话咨询委员会）共同制定，是面向连续色调静止图像的一种压缩标准。
  JPEG格式可以分为标准JPEG、渐进式JPEG和JPEG2000三种格式。

标准JPEG

  该类型的图片文件，在网络上应用较多，只有图片完全被加载和读取完毕之后，才能看到图片的全貌；它是一种很灵活的图片压缩方式，用户可以在压缩比和图片品质之间进行权衡。不过，通常来讲，其压缩比在10:1到40:1之间，压缩比越大，品质就越差，压缩比越小，品质就越好。JPEG格式压缩的主要是高频信息，对色彩的信息保留较好，适合应用于互联网，可减少图像的传输时间，可以支持24bit真彩色，也普遍应用于需要连续色调的图像。JPEG由于可以提供有损压缩，因此压缩比可以达到其他传统压缩算法无法比拟的程度。其压缩模式有以下几种：顺序式编码（SequentialEncoding），递增式编码（ProgressiveEncoding），无失真编码（LosslessEncoding）和阶梯式编码（HierarchicalEncoding）。
  JPEG的压缩，分为四个步骤：
    （1）颜色转换：由于JPEG只支持YUV颜色模式，而不支持RGB颜色模式，所以在将彩色图像进行压缩之前，必须先对颜色模式进据转换。转换完成之后还需要进行数据采样。一般采用的采样比例是2：1：1或4：2：2。由于在执行了此项工作之后，每两行数据只保留一行，因此，采样后图像数据量将压缩为原来的一半。
    （2）DCT变换：DCT（DiscreteConsineTransform）是将图像信号在频率域上进行变换，分离出高频和低频信息的处理过程。然后再对图像的高频部分（即图像细节）进行压缩，以达到压缩图像数据的目的。首先将图像划分为多个8*8的矩阵。然后对每一个矩阵作DCT变换（变换公式此略）。变换后得到一个频率系数矩阵，其中的频率系数都是浮点数。
    （3）量化：由于在后面编码过程中使用的码本都是整数，因此需要对变换后的频率系数进行量化，将之转换为整数。由于进行数据量化后，矩阵中的数据都是近似值，和原始图像数据之间有了差异，这一差异是造成图像压缩后失真的主要原因。
    （4）编码：编码采用两种机制：一是0值的行程长度编码；二是熵编码（EntropyCoding）。在JPEG中，采用曲徊序列，即以矩阵对角线的法线方向作“之”字排列矩阵中的元素。这样做的优点是使得靠近矩阵左上角、值比较大的元素排列在行程的前面，而行程的后面所排列的矩阵元素基本上为0值。行程长度编码是非常简单和常用的编码方式，在此不再赘述。编码实际上是一种基于统计特性的编码方法。在JPEG中允许采用HUFFMAN编码或者算术编码。

渐进式JPEG

  该类型的图片是对标准JPEG格式的改进，当在网页上下载渐进式JPEG图片时，首先呈现图片的大概外貌，然后再逐渐呈现具体的细节部分，因而被称之为渐进式JPEG。

JPEG2002

  一种全新的图片压缩发，压缩品质更好，并且改善了无线传输时，因信号不稳定而造成的马赛克及位置错乱等问题。另外，作为JPEG的升级版，JPEG2000的压缩率比标准JPEG高约30%，同时支持有损压缩和无损压缩。它还支持渐进式传输，即，先传输图片的粗略轮廓，然后，逐步传输细节数据，使得图片由模糊到清晰逐步显示。此外，JPEG2000还支持感兴趣区域，也就是说，可以指定图片上感兴趣区域的压缩质量，还可以选择指定的部分先进行解压。

DCMTK解析JPEG格式DCM文件

  从DICOM文件的0x0002,0x0010的tag可以看到“JPEG lossless”；

  dcmjpeg提供了一个压缩/解压缩库以及可用工具。该模块包含一些类，可将DICOM图像对象在非压缩和JPEG压缩表示（传输协议）之间转换。无失真和有失真JPEG处理都被支持。这个模块实现了一族codec(编码解码器，由DcmCodec类派生而来)，可以将这些codec在codec list中注册，codec list是由dcmdata模块保存的。
  主要接口类：
    DJEncoderRegistration: 一个singleton单例类，为所有支持的JPEG处理注册编码器。在djencode.h中定义。
    DJDecoderRegistration: 一个singleton单例类，为所有支持的JPEG处理注册解码器。在djdecode.h中定义。
    DJCodecEncoder: JPEG编码器的一个抽象codec类，在djcodece.h中定义
    DJCodecDecoder: JPEG解码器的一个抽象codec类。
在程序的开始位置，首先注册JPEG的解码器；

	DJEncoderRegistration::registerCodecs(
		ECC_lossyYCbCr,
		EUC_default, // UID generation (never create new UID's)
		OFFalse, // verbose
		0, 0, 0, true, ESS_444, true); // optimize huffman table
	DJDecoderRegistration::registerCodecs();
	DJLSEncoderRegistration::registerCodecs();		//JPEG-LS encoder registerCodecs
	DJLSDecoderRegistration::registerCodecs();		//JPEG-LS decoder registerCodecs
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  在程序的结束位置，释放JPEG的解码器；

DJEncoderRegistration::cleanup();
DJDecoderRegistration::cleanup();
DJLSEncoderRegistration::cleanup();		//JPEG-LS encoder cleanup
DJLSDecoderRegistration::cleanup();		//JPEG-LS decoder cleanup
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  使用到的头文件如下：

#include <dcmtk/dcmjpeg/djdecode.h>  /* for dcmjpeg decoders */
#include <dcmtk/dcmjpeg/djencode.h>
#include <dcmtk/dcmjpls/djdecode.h>		//for JPEG-LS decode
#include <dcmtk/dcmjpls/djencode.h>		//for JPEG-LS encode
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代码

#include <iostream>
#include <opencv2/imgcodecs.hpp>
#include <opencv2/highgui.hpp>
#include <opencv2/imgproc.hpp>

#include "dcmtk\config\osconfig.h"
#include "dcmtk\dcmdata\dctk.h"
#include <dcmtk/dcmjpeg/djdecode.h>  /* for dcmjpeg decoders */
#include <dcmtk/dcmjpeg/djencode.h>
#include <dcmtk/dcmjpls/djdecode.h>		//for JPEG-LS decode
#include <dcmtk/dcmjpls/djencode.h>		//for JPEG-LS encode
using namespace std;
using namespace cv;

void ConvertDigitImageToGrayImageByWindowLevelAndWindowWidth(short* digitImage, short* grayImage, int size, int window_level, int window_width){
	double rate = 256.0 / window_width;
	for (size_t i = 0; i < size; i++){
		int tmp = 128.0 + (digitImage[i] - window_level)*rate;
		if (tmp < 0){
			tmp = 0;
		}
		else if (tmp > 255){
			tmp = 255;
		}
		grayImage[i] = tmp;
	}
}
int main()
{
	DJDecoderRegistration::registerCodecs();
	DJLSEncoderRegistration::registerCodecs();		//JPEG-LS encoder registerCodecs
	DJLSDecoderRegistration::registerCodecs();		//JPEG-LS decoder registerCodecs

	DcmFileFormat *myFileFormat = new DcmFileFormat;
	OFCondition cond = myFileFormat->loadFile("G:\\Data\\1.DCM");
	if (cond.good()){
		OFString patientName;
		if (myFileFormat->getDataset()->findAndGetOFString(DCM_PatientName, patientName).good())
			std::cout << "Patient Name: " << patientName << "\nTest successed.\n";
		else 
			std::cout << "No Patient Name Data!\n";
	}
	else 
		std::cout << "Error occurs when opening file, check path or filename.\n";
	
	short* pix_buf = new short[512 * 512];
	unsigned long size = 0;	

	DcmElement* pElement = nullptr;
	myFileFormat->getDataset()->chooseRepresentation(EXS_DeflatedLittleEndianExplicit, NULL);
	myFileFormat->getDataset()->findAndGetElement(DCM_PixelData, pElement);
	if (pElement != NULL) {
		size = pElement->getLength()/2;
		OFCondition cond = pElement->loadAllDataIntoMemory();
		if (cond.good()) {
			Uint16 * ptr;
			cond = pElement->getUint16Array(ptr);
			if (cond.good()) {
				ConvertDigitImageToGrayImageByWindowLevelAndWindowWidth((short*)ptr, pix_buf, size, 1000, 500);
			}
		}
	}

	Mat img = cv::Mat::zeros(512, 512, CV_8UC3);

	for (int i = 0; i < size; i++) {
		uchar* grayrowptr = img.ptr<uchar>(i / 512);//提取行指针
		grayrowptr[i % 512 * 3 + 0] = pix_buf[i];
		grayrowptr[i % 512 * 3 + 1] = pix_buf[i];
		grayrowptr[i % 512 * 3 + 2] = pix_buf[i];
	}
	cv::imwrite("G:\\Data\\gray_9zxr.bmp", img);
	
	imshow("Image", img);
	waitKey(0);
	
	system("pause");
}
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  使用的DICOM文件中图像数据放到了元素组内，需要使用findAndGetElement获取；

  DCM文件中数值应该会大于256的灰度值，所以会造成图像的失真，使用窗宽和窗位调整图像显示灰度值，归一化在0-255的范围内，就会显示正常；

  代码使用的DICOM文件所在位置为：DICOM文件.rar

引用文献

1.jpeg图片格式详解