معرفی

استاندارد JPEG2000 (Joint Photographic Experts Group)  که در سال ۲۰۰۱ نهایی شد، یک سیستم رمزگذاری تصویر است که از تکنیک‌های فشرده‌سازی پیشرفته استفاده می‌کند و معماری آن برای بسیاری از کاربردهای متنوع، از جمله توزیع تصاویر اینترنتی، سیستم‌های امنیتی، عکاسی دیجیتال و تصویربرداری پزشکی مفید است.

به راحتی می‌توان تنها بر اساس نام فرض کرد که JPEG2000 (یا J2K) از نظر ماهیت نیز شبیه به JPEG است. اما حقیقت این است که همه وجه اشتراک تنها این دو اسم است. الگوریتم jpeg2000, حدودا ۸ سال پس از  روی صحنه آمدن JPEG توسعه یافت و در آن زمان به عنوان جانشین JPEG دیده می‌شد. ایده اصلی توسعه JPEG2000 ایجاد یک الگوریتم فشرده‌سازی انعطاف‌پذیرتر و کاربردی‌تر با نسبت تراکم بهتر بود.

سیستم کدگذاری JPEG2000 توسط یک فناوری مبتنی بر wavelet تغذیه می‌شود که به شما امکان می‌دهد بین فشرده‌سازی lossless and lossy در یک معماری واحد (و حتی در یک جریان کد واحد) یکی را انتخاب کنید. Discrete Wavelet Transform (DWT)  تصویر را به صورت کلی  پردازش می‌کند، که از غیرواقعی شدن بخش‌هایی از تصویر در مقایسه با JPEG جلوگیری می‌کند.

استفاده از DWT و یک کدگذار حسابی باینری به JPEG2000 اجازه می‌دهد تا نسبت فشرده‌سازی بالاتری را در مقایسه با JPEG به خصوص در نرخ بیت پایین به دست آورد. اگرچه عملکرد فشرده‌سازی به عنوان محرک اصلی برای توسعه دهندگان ذکر شد، اما فشرده‌سازی تنها دلیل محبوبیت آن نیست که در ادامه به ویژگی‌های بیشتر آن خواهیم پرداخت.

جریان کد به دست‌آمده پس از فشرده‌سازی به دلیل استفاده از EBCOT (Embedded Block Coding with Optimized Truncation) بسیار مقیاس‌پذیر است. JPEG2000 به شما اجازه می‌دهد تا ترتیب پیشرفت وضوح، کیفیت، اجزای رنگ و موقعیت را انتخاب کنید و مشتقات متعددی از تصویر اصلی را ارائه کنید. با سفارش جریان کد به روش‌های مختلف، برنامه‌ها می‌توانند عملکرد قابل توجهی را افزایش دهند یا به طور انعطاف‌پذیری با پهنای باند شبکه متفاوت در حین انتقال یک دنباله تصویر سازگار شوند. به عنوان مثال، یک تصویر گیگاپیکسلی JPEG2000 را می توان با تاخیر کمی مشاهده کرد، زیرا فقط نسخه با اندازه صفحه نمایش را می توان از کل فایل خواند و رمزگشایی کرد. مثال دیگر امکان به دست آوردن یک تصویر Lossless از تصویر اصلی فشرده شده است که می تواند در زمان و پهنای باند صرفه‌جویی کند.

این فرمت از تصاویر بسیار بزرگ (حداکثر ۲۳۲ – ۱ در هر بعد)، چندین مؤلفه (حداکثر ۱۶۳۸۴ مؤلفه برای داده‌های چند طیفی) و محدوده دینامیکی بالاتر (۱–۳۸ بیت در هر مؤلفه) پشتیبانی می‌کند، جایی که هر مؤلفه می‌تواند دارای وضوح و عمق بیت متفاوت باشد.

در واقع، JPEG2000 یک خانواده کامل از استانداردها است که از ۱۲ قسمت تشکیل شده است. بخش اول آن، سیستم کدگذاری هسته، مجموعه ویژگی های اساسی (فرایندهای رمزگذاری و رمزگشایی، نحوه جریان کد، فرمت فایل) را مشخص می‌کند و بدون پرداخت هزینه یا هزینه مجوز قابل استفاده است. بخش‌های اضافی شامل پسوندهایی هستند که انعطاف‌پذیری بیشتری را ارائه می‌دهند (فرمت فایل توسعه‌یافته JPX،)، Motion JPEG2000 (فرمت فایل MJ2،)، تصاویر ترکیبی چندلایه (فرمت فایل JPM)، چارچوب امنیتی ، پروتکل ارتباطی JPIP، پسوند سه بعدی (JP3D) و غیره.

امروزه JPEG2000 به عنوان یک فرمت خاص در نظر گرفته می‌شود و بیشتر هنگام تهیه تصاویر از اسکنرها، دستگاه های تصویربرداری پزشکی، دوربین‌ها، ماهواره‌ها، تصویربرداری مکانی، سینمای دیجیتال، تجهیزات پخش و تجهیزات تصویربرداری فنی پیشرفته دیده می‌شود. با این حال، اکنون JPEG2000 به بلوغ رسیده است و توسط نرم افزارها و سخت افزارهای مصرف کننده زیادی پشتیبانی می‌شود و راه‌حل‌هایی برای اکثر مشکلات احتمالی وجود دارد. بنابراین هنوز پتانسیل رشد در پذیرش و محبوبیت را دارد.

Dicom-J2000 در تصویربرداری پزشکی

در صنعت تصویربرداری پزشکی تا چندی پیش ذخیره‌سازی و نگهداشت حجم داده‌های تولید مساله بغرنجی نبود. با وجود دستگاه‌های single slice و نیز دستگاه‌های رادیولوژی آنالوگ که با مبدلهای CR تعداد نه چندان زیادی تصویربرداری روزانه را شکل می‌دادند، ذخیره‌سازی و تبادل‌ داده‌ها نمیتوانست چالش عمده‌ی فنی باشد.

این روال در سال‌های اخیر و با ورود دستگاههای multi-slice تغییر پیدا کرد. دستگاههای پیشرفته DX که تصویربرداری دیجیتال رادیولوژی را ممکن ساختند و از پی آن اضافه شدن دستگاه‌های ماموگرافی پیشرفته که تعداد انبوهی از تصاویر high-resolution را برای هر نوبت تصویر‌برداری تولید می‌کردند و نیز رشد کاربری سونوگرافی در جامعه، به سرعت مساله ذخیره‌سازی و سرعت تبادل‌داده را به یک چالش بزرگ برای بهره‌برداران از سیستم‌های تصویر‌برداری تبدیل کرد. امروزه به وفور میتوان دستگاه‌هایی با نرخ تولید حجم تصویربرداری بالا را در شهر یا منطقه‌ای یافت که صنعت imaging informatics را به ساخت راهکارهایی برای مدیریت این حجم انبوه تصاویر مجاب می‌سازد.

برای مدیریت کردن این چالش مجموعه NEMA استانداردی را بر مبنای فرمت تصاویر DICOM ارائه نموده است که بر پایه استاندارد فشرده سازی J2K یا J2000 بناشده است.

برای دانلود این استاندارد کلیک نمایید.

این استاندارد در سال‌های اخیر به خوبی مورد استقبال تولید کنندگان دستگاه‌های تصویربرداری قرار گرفته است که قادر است حجم بسیار کمتری برای هر نوبت تصویر تولید کند درحالی‌ که کیفیت بدون تغییر می‌ماند. مقاله های بسیاری در تایید فرمت DICOM-J2K وجود دارد که میزان فشرده سازی (بین ۲۰ تا ۵۰) بهتر به نسبت فرمتهای قدیمی تر DICOM-LOSSLESS رو اشاره می‌کنند.

از سوی دیگر عصر داده‌های بسیار بزرگ با ورود Digital Pathology به مجموعه Enterprise Imaging در راه است. در دستگاههای Pathology حجم داده تولید در هر مورد تصویربرداری در کمترین حالت برابری با تصویربرداری ماموگرافی داشته و در حالت‌های خاص هر نمونه تصویربرداری به حجم بالای Terabyte هم می‌رسد. این مهم در مقاله ی WSI در NEMA بسیار شفاف بیان شده است.

از سوی دیگر قابلیت مهمی که DICOM-J2K در اختیار قرار می‌دهد، علاوه بر فشرده‌سازی بسیار بالاتر ( بدون از دست دادن کیفیت) امکان پردازش تصویر بصورت Tile based هست، که برای تصاویر بسیار بزرگ سیستم PACS Viewer را قادر می‌سازد که تنها بخشی که مورد نیاز کاربر است از فایل خوانده شود و نیازی به load کردن کل فایل وجود ندارد، که هم سرعت مرورکردن تصویر را بهبود می‌دهد و هم منابع RAM/IO بسیار کمتری نیاز دارد.

تمامی PACS های آینده و مدرن باید با سازگاری کامل با DICOM-J2000 خود را از هم اکنون سازگار با چالشهای روبرو نمایند.

خوشبختانه مفتخریم به اطلاع برسانیم که مارکوپکس در حال حاضر استاندارد jpeg2000 را برروی پکس پیاده‌سازی و ارائه کرده است.

ویژگی‌های Jpeg2000

بهترین راه برای درک تفاوت بین JPEG و JPEG2000 این است که به هر یک از ویژگی‌های آنها نگاه کنید. انجام این کار به ما کمک می‌کند تا رابطه‌ای بین این دو برقرار کنیم و تفاوت‌ها را بیش از پیش برجسته کنیم. برخی از مهم ترین ویژگی‌های JPEG2000 به شرح زیر است:

• معماری واحد برای فشرده سازی lossless و lossy (حتی در یک فایل تصویری)
• فشرده سازی بسیار بالا (به خصوص در نرخ بیت پایین)
• فشرده‌سازی درون فریم که هر فریم را به‌طور مستقل رمزگذاری می‌کند و می‌تواند سیگنال‌های ویدیویی را در هر نقطه‌ای بدون عواقب قطع کند
• کاهش حجم تصاویر بدون افت کیفیت و افزایش بهره‌وری از فضای ذخیره‌سازی

• قابلیت نمایش داده های دوسطحی، خاکستری، پالت رنگی و تمام رنگی در چندین فضای رنگی.

• محدودیتی برای مقدار اطلاعات خصوصی یا خاص در فراداده وجود ندارد.
• توسعه پذیری و تکامل یکپارچه در صورت نیاز برای ویژگی‌های جدید.
• پشتیبانی از اندازه بسیار بزرگ، حالت پنجره، چندین مؤلفه، محدوده دینامیکی بسیار بالا (تا ۳۸ بیت در هر جزء)