基于傳輸協議的虛擬人切片提取算法研究

徐洪飚

（溫州醫學院 信息與工程學院，浙江 溫州 325000）

基于傳輸協議的虛擬人切片提取算法研究

徐洪飚

（溫州醫學院 信息與工程學院，浙江 溫州 325000）

本文在針對虛擬人的三維數據集的研究中，建立了一種模擬TCP協議的切片提取與傳輸方法，提出基于Client-Server的切片數據存儲服務器總體設計方案，并描述了數據集切片的定位，提取，傳輸等過程；最后給出切片圖像與網絡傳輸等性能的評價體系。

虛擬人數據集；切片服務器；切片提取

1 引言

當前，人們利用計算技術和網絡技術研究醫學領域的眾多問題，構建一個完整的人體三維數據信息已成為醫學領域與計算機領域研究的熱點。利用信息技術實現人體從微觀到宏觀的結構和機能的數字化、可視化，最終實現人體的整體精確模擬，這將對醫學、生物學及其他人體相關學科的發展起到難以估量的影響。利用虛擬人人體數據集可以進行眾多的實驗，如人機工程中一些實驗[1]。世界各國都在進行著虛擬人技術的研究。同時，鐘世鎮等[2-3]和孫守遷等[4]以“中國數字化虛擬人”為主題進行了眾多的研究。

隨著醫學技術的發展，特別是人體切片技術的出現，使得在計算機上模擬人體或者是部分器官的精細結構已經成為可能。在醫學上，人體的解剖結構通常要求形成一個器官多截面的地圖集[5]。美國國家醫學圖書館可視人計劃[6]提供了一個優秀的人體數字截面圖，它由橫斷CT、MRI和人體部分圖片組成。 這種數據集提供了全彩色，高精度的人體截面圖，男性集為13 GB，女性集為40 GB；男性可視人的數據集是由2048×1212×1871個體素組成， 每個體素大小為0.33 mm×0.33 mm× 1.00 mm。女性比男性更為精細，每個體素為0.33 mm×0.33 mm×0.33 mm。

可視人數據集被很多學術與教學機構用來進行科學研究[7]。 然而使用全部數據集在工作站上進行工作需要較高的編程水平，其計算也是極其繁瑣的。通過基于WEB的可視人數據訪問系統，則可以使眾多的學生、教師和研究人員從這種解剖數據共享體系中獲益。

許多的可視人切片與表面服務器[8]提供了一個任意方向與位置的切片與表面提取系統，能產生連續切片序列的動畫。但是，這些應用都要求用戶事先確定切片的位置與方向，而不能進行切片的實時提取。

為了提供實時能力，我們創建了基于TCP sockets的客戶-服務器協議，在WEB中開發了一個實時切片提取系統。這種Java程序能以恒定速率（X張/s）連續的從數據集中提取切片，并且可以預先設定提取時間安排與圖像質量管理策略；能根據網絡數據傳輸率與期望的顯示速率調整從服務器向客戶機發送的可視信息量?？梢曅畔鬏數恼{整通過壓縮減少數據量來適應目標尺寸的大小，通過以某種精度采樣來盡可能地滿足期望的顯示速率。根據本研究的實驗測試結果表明：如果客戶機本地緩存存有已下載的數據集，則瀏覽速度將會更快。

2 算法基礎

2.1 采用的技術手段 我們采用基于TCP socket客戶協議，創建了客戶-服務器協議。①TCP（transmission control protocol）是網絡體系結構中的傳輸控制協議。它是整個協議層次的核心所在。它的任務是在源機器和目標機器之間提供可靠的、性價比合理的數據傳輸功能，并且與當前所使用的物理網絡完全獨立。②為了讓用戶訪問傳輸服務，傳輸層必須為應用程序提供一些操作，也就是說，提供一個傳輸服務接口，這個接口就是稱為套接字（socket）的接口。每個傳輸服務都有它自己的接口。③客戶機-服務器（client-server，即C/S）結構是一種網絡體系。它以網絡環境為基礎，將計算任務分布在網絡的多個節點中。其中作為后臺的服務器集共享資源和各種應用服務及功能于一體，專門負責數據的存儲管理，提供進程、文件和通信服務，作為前臺的客戶機則實現數據訪問、瀏覽等功能，負責處理用戶提出的請求服務，并傳送給服務器，由服務器把處理結果傳回給客戶機。

2.2 數據集的存儲 對數據的存儲可借助可視人數據集的存儲方式。我們知道可視人器官數據是以體素集（功能器官的基本組成單位）的形式存儲的。之所以分成如此細小的部分是為了能保證小數據集能以固有的速度被下載；體素集的尺寸與壓縮必須適應存儲應用的需求。 為了形成一個標準的數據集，必須存儲縮減因子（F）分別為2、4、8、16和32的多種版本的可視人數據集（見圖1）；并且每個體素集的字節數是恒定的。 因此低密度存儲率的體素集能存儲更大的數據。

圖1 一個體素集的不同密度存儲

3 算法設計

3.1 切片服務器模式 首先考慮這樣的做法：服務器提取并壓縮切片并以數據流形式傳入客戶機，因為客戶機只要解壓縮和顯示到達的切片，所以主要的工作在服務器上完成。其次考慮服務器完全壓縮各種段數據并傳給客戶機，客戶機解壓縮并在緩存中存儲，然后進行切片提取。因為客戶機需要切片提取所需的全部計算，所以主要工作由客戶機完成，但服務器必須傳輸所有的體素集給客戶機。關于壓縮方法，這里我們考慮的壓縮標準為標準的JPEG壓縮。雖然基于小波的JPEG 2000在同樣壓縮率下有更高質量[9]，但是它的處理要求也相對較高，而標準的JPEG壓縮更容易使用，并容易寫出基于Java的解壓縮程序。在JPEG頭部的574字節集中含有Huffman表，并只被網絡傳輸一次，在余下的程序中， 所有的圖像數據是以16×16像素的塊傳輸的。這些“JPEG塊”能平均從768 b被壓縮到37 b，而JPEG Group能壓到20 b[10]。采用有效的壓縮率與源數據有密切關系，保證恒定圖片質量的壓縮要優于恒定壓縮率的壓縮方法。我們在客戶機上寫了一個基于JPEG塊傳輸流的JAVA解壓縮程序。 測試表明在我們的數據集切片實時瀏覽系統中質量損失并不主要取決于壓縮。

3.2 基本的客戶-服務器交互步驟 客戶-服務器交互程序必須針對客戶需要的切片位置盡可能快速地進行切片顯示（根據一個恒定的顯示速率）。為保證網絡帶寬的最佳使用和避免超時信息，服務器必須在一個切片顯示間隔內精確傳輸大量的數據。 圖2中顯示了這種以管線方式傳輸的過程。以下四點，解釋了切片傳輸的流程：

①客戶機將發出周期性的請求。

②相應期望幀的請求間隔。這些請求包含用戶當前請求的切片參數，如切片的位置與三個方向矢量以及標識、視口參數等。如果請求與上一次相同，則會以一個只包含請求標識的短請求回復給服務器，當然這種回復請求包含最大回復尺寸?？蛻魴C依據服務器給出的最大回復尺寸進行調整，以達到最佳的回復時間與圖像質量的平衡。服務器從客戶機接收請求并進行處理，盡可能快的發送數據。

③回復不能含有超過客戶的最大回復尺寸要求的任何字節，任何超出的數據，在客戶機發出下一次請求到達之前，將存儲在客戶機的緩沖區中；這樣將產生一個在切片請求與相應的切片顯示之間的延遲。為避免這種情況發生，必須阻止這種數據的發送。在同一個周期中存在兩個沒有得到服務器答復的請求時， 客戶機被要求停止發送請求。

④客戶機開始解壓縮接收到的數據并顯示。

圖2 客戶機與服務器之間的切片傳輸過程

3.3 切片提取算法 在切片提取算法中，切片被要求能以任意方向與位置從數據集中提取，可由三個矢量來表達（見圖3）。

圖3 切片請求的表達

切片采樣用incremental fixed-point算法：從切片的左上角開始， 計算數據集中相應點的3維空間坐標，獲取最近的體素（nearest neighbor interpolation算法）或者周圍體素（trilinear interpolation算法）。使用當前切片的右上方向向量的可視化參數逐步增加當前的坐標以達到遍歷所需的切片。為能達到一個可以接受的速度，體素集必須存儲在客戶機的緩存中。在實時瀏覽中，切片的位置與方向會做較少的變動，所以，體素集的緩存存儲方式是有積極意義的。

3.4 基于C/S的切片傳輸 在客戶機與服務器之間傳輸被壓縮的切片比較簡單， 因為所有的處理步驟在服務器已經進行。當服務器收到一個請求，它從數據集中提取切片，進行壓縮，并回復給客戶機；客戶機解壓縮并顯示切片。在服務器上，數據集是以段存儲的，每段由32×32×16的體素集構成，若采用縮減因子為32的方法，則段變為2×1×4的體素集，體素大小變為10.56 mm×10.56 mm×16.00 mm。如果所請求切片的體素集不在緩存中，則進行加載，按照trilinear interpolation算法對切片進行提取，精度由客戶決定。如果是一個新的請求，則按照最大回復尺寸的要求，用適當的縮減因子（F）調入新體素集。如果是一個連續的請求（即不存在與用戶的交互過程），則不同精度的切片均被提取，連續的發回?？蛻魴C總會顯示接收到的任何已經解壓縮的數據，最后的高精度切片會越來越多。如果在傳輸還沒有完全完成之前就產生了對新切片的請求，則先前的所有不同精度的切片傳輸會被暫時中斷，產生一個新的低精度切片的傳輸。我們讓切片以JPEG塊形式發送，如果以14:1的單張壓縮率，則可產生一個55 b JPEG塊。

4 性能評價

4.1 切片圖像評價矩陣 為了評價從可視人體素集提取的切片圖像的質量，可定義如下一個簡單的矩陣：

影響fps的因子有：網絡帶寬，單幀壓縮時間和期望幀顯示速率；并且還要考慮交互響應時間，由以下幾種延時構成：①網絡延遲：局域網不到1 ms，最慢100 ms，典型為70～80 ms；②網絡吞吐能力：如請求尺寸為48 b，要求2～3 ms；③請求的處理（切片提取與壓縮），典型為5～15 ms（Pentium 4 1.7 GHz）；④發送回復的網絡延遲；⑤回復發送時間（依賴于網絡吞吐率），回復尺寸應該與切片顯示時間大致相同。

客戶機在第一塊數據到達時便要開始壓縮，而不會等待全部的塊傳輸完畢。解壓縮取決于客戶機的處理能力：若配置為Pentium 41.7 GHz，大約在1000 JPEG 塊/s， 即大約40 kb/s（依賴于壓縮率）。實驗表明在250 ms的延遲時，仍然有著較好的瀏覽速度。表1列出了各種指標的一些測試結果。

表1 各網絡評價指標實驗結果

5 結論

建立虛擬人切片的Client-Server模式，經研究與測試表明這是一種比較高效的方法，充分實現了數據的共享，方便解剖學的教學與研究者的需求。接下來利用切片建立基于WEB的3D人體導航系統，將是迫在眉睫的工作，這項工作要求配置強大計算能力的專業圖形工作站與高效的專業存儲器；同時我們將尋求更好的方法來對已有的3D重建技術進行改進。

[1] 羅仕鑒,孫守遷,唐明晰,等.計算機輔助人機工程設計研究[J].浙江大學學報:工學版,2005,39(6): 805-809,829.

[2] 鐘世鎮.顯微外科應用解剖與數字虛擬人的回顧與展望[J].中華顯微外科雜志,2007,30(1):2-3.

[3] 鐘世鎮,原林,唐雷,等.數字化虛擬人國內關鍵技術和進展[J].中國基礎科學,2002,(6):19-21.

[4] 孫守遷,黃琦,潘云鶴,等.數字化藝術與設計研究進展[J].中國機械工程,2004,15(12):83-88.

[5]Netter FH. Atlas of human anatomy [M]. Salt Lake City:Saunders, 2007:13-275.

[6]Ackerman MJ. The visible human project [J]. Proceedings of the IEEE,1998,86(3):504-511.

[7]Patrias K. Visible human project [EB/OL]. [2010-07-10].http://www.nlm.nih.gov/archive//20061214/pubs/cbm/visible_human.html.

[8]Hersch RD, Gennart B, Figueiredo O, et al. The visible human slice web server: a first assessment [C]. San Jose:Proceedings IS&T/SPIE Conference on Internet Imaging,2000:253-258.

[9]Charrier M, Cruz DS, Larsson M. JPEG2000, the next millennium compression standard for still images [C]. Florence:Froceeding of the IEEE international Conference on Multimedia Computing and Systems,1999:131-132.

[10]Independent JPEG Group. Libjpeg [EB/OL]. [2010-07-10].http://www.ijg.org.

Q819

B

1000-2138（2011）01-0056-04

2010-07-19

徐洪飚（1978-），男，浙江溫州人，助教，在職研究生。

吳健敏）

·論 著·