圖像像素的排列和存儲(chǔ)在DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine，醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信）文件中遵循特定的標(biāo)準(zhǔn)。DICOM 是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 12052），用于處理、存儲(chǔ)、打印和傳輸醫(yī)學(xué)影像信息。

像素排列

在圖像中，像素是按照二維網(wǎng)格排列的，每個(gè)像素都有一個(gè)灰度值或顏色值，表示該位置的亮度或顏色。對(duì)于DICOM圖像，這個(gè)二維網(wǎng)格通常代表一個(gè)切片（slice）或者說是三維體積數(shù)據(jù)的一個(gè)二維平面視圖。像素從左到右、從上到下依次排列。此外，DICOM 文件可以包含多幀圖像，每一幀可以視為獨(dú)立的二維圖像，例如心臟的超聲視頻中的每一幀。

網(wǎng)格的基本概念

• 二維矩陣：網(wǎng)格本質(zhì)上是一個(gè)二維矩陣，其中每個(gè)元素代表一個(gè)像素。這個(gè)矩陣的行數(shù)和列數(shù)定義了圖像的寬度和高度。例如，如果一張圖像是512x512像素大小，那么它就是由512行和512列組成的網(wǎng)格。

• 像素位置：每個(gè)像素都有其獨(dú)特的行列坐標(biāo)，通常從(0, 0)開始，即左上角的第一個(gè)像素。隨著向右移動(dòng)，列坐標(biāo)增加；隨著向下移動(dòng)，行坐標(biāo)增加。

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存儲(chǔ)到DICOM文件

在DICOM文件中，圖像數(shù)據(jù)被組織為一系列屬性（Attribute），這些屬性包括但不限于：

• 患者信息：如姓名、ID等。
• 研究信息：如研究日期、描述等。
• 序列信息：如序列名稱、參數(shù)等。
• 圖像信息：如尺寸、分辨率、像素間距、位深等。
• 像素?cái)?shù)據(jù)：這是實(shí)際的圖像數(shù)據(jù)，通常以壓縮或未壓縮的格式存在。

像素?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的具體方式取決于幾個(gè)因素：

• Bits Stored (位存儲(chǔ))：定義了每個(gè)像素用多少位來表示。比如8位意味著每個(gè)像素有256個(gè)可能的灰度值。
• Pixel Representation (像素表示)：確定像素是以無符號(hào)整數(shù)還是有符號(hào)整數(shù)形式存儲(chǔ)。
• Photometric Interpretation (光度解釋)：指定了如何解釋像素值，例如單色、RGB等。
• Planar Configuration (平面配置)：對(duì)于彩色圖像，指定了顏色分量是如何排列的。
• Compression (壓縮)：一些DICOM文件使用壓縮算法（如JPEG、JPEG-LS、JPEG 2000、RLE等）來減少文件大小。

在DICOM中的實(shí)現(xiàn)

• Rows 和 Columns：在DICOM元數(shù)據(jù)中，圖像的高度（行數(shù)）和寬度（列數(shù)）分別由Rows和Columns屬性指定。這兩個(gè)值共同確定了圖像的分辨率以及網(wǎng)格的尺寸。

• Pixel Spacing：另一個(gè)重要的屬性是Pixel Spacing，它表示相鄰像素之間的物理距離，通常以毫米為單位給出兩個(gè)值，分別是水平方向和垂直方向上的間距。這有助于準(zhǔn)確地解釋圖像的空間尺度。

• 多幀圖像：對(duì)于包含多個(gè)相關(guān)圖像的數(shù)據(jù)集（如心臟CT掃描的時(shí)間序列），每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的圖像都構(gòu)成了一個(gè)獨(dú)立的二維網(wǎng)格。這些網(wǎng)格被串聯(lián)起來形成一個(gè)多維數(shù)組，稱為多幀圖像。

存儲(chǔ)方式

• 光柵順序：盡管邏輯上像素是以二維網(wǎng)格的形式組織的，但在實(shí)際存儲(chǔ)時(shí)，它們通常按照光柵順序（raster order）線性化存儲(chǔ)，即先存儲(chǔ)第一行的所有像素，然后是第二行，依此類推，直到最后一行。對(duì)于彩色圖像或多通道圖像，每個(gè)像素的顏色分量也會(huì)連續(xù)存儲(chǔ)。

• 壓縮與編碼：為了節(jié)省空間并提高傳輸效率，像素?cái)?shù)據(jù)可能會(huì)被壓縮。DICOM支持多種壓縮算法，如JPEG、JPEG 2000等。壓縮后的數(shù)據(jù)仍然遵循光柵順序，但具體的編碼方式會(huì)影響解碼過程中的數(shù)據(jù)重組。

元數(shù)據(jù)的重要性

• 完整描述：除了像素?cái)?shù)據(jù)本身外，DICOM文件還包含了大量元數(shù)據(jù)，用于描述圖像的各個(gè)方面，包括但不限于患者的個(gè)人信息、成像設(shè)備的技術(shù)參數(shù)、圖像處理的歷史記錄等。這些信息對(duì)于正確解釋和使用圖像至關(guān)重要。

當(dāng)圖像數(shù)據(jù)被寫入DICOM文件時(shí)，它會(huì)根據(jù)上述屬性進(jìn)行編碼，并且通常會(huì)被打包成一個(gè)字節(jié)流。如果使用了壓縮，那么解碼者需要知道并能夠執(zhí)行相應(yīng)的解壓縮算法來恢復(fù)原始圖像數(shù)據(jù)。

DICOM文件的結(jié)構(gòu)是一個(gè)標(biāo)簽-長(zhǎng)度-值（Tag-Length-Value, TLV）格式的序列，其中每個(gè)元素都有一個(gè)唯一的標(biāo)簽標(biāo)識(shí)它的類型，一個(gè)長(zhǎng)度指定它的大小，以及一個(gè)值域存放實(shí)際的數(shù)據(jù)。像素?cái)?shù)據(jù)本身通常是文件中最大的一部分，因?yàn)樗怂袠?gòu)成圖像的原始數(shù)據(jù)。

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對(duì)于單幀圖像

• 灰度圖像：像素?cái)?shù)據(jù)會(huì)按行存儲(chǔ)，每行的所有像素依次排列。
• RGB圖像：對(duì)于彩色圖像，每個(gè)像素的顏色分量可能會(huì)以交錯(cuò)的方式存儲(chǔ)，例如 R1 G1 B1 R2 G2 B2 ... 或者以平面分離的方式存儲(chǔ)，即所有紅色分量之后跟著所有綠色分量，最后是所有藍(lán)色分量。

對(duì)于多幀圖像（如CT或MRI序列），每一幀圖像的數(shù)據(jù)都按照上述規(guī)則進(jìn)行組織，并且這些幀也會(huì)按照特定順序（通常是時(shí)間或空間順序）存儲(chǔ)在DICOM文件中。

此外，DICOM標(biāo)準(zhǔn)還支持壓縮格式，如JPEG、JPEG 2000等，這可能會(huì)影響像素?cái)?shù)據(jù)的實(shí)際存儲(chǔ)方式。壓縮后的圖像數(shù)據(jù)將根據(jù)所選壓縮算法的要求進(jìn)行編碼。

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讀取到內(nèi)存中是如何存儲(chǔ)

無論是灰度圖像還是RGB圖像，當(dāng)它們被讀取到內(nèi)存中時(shí)，通常也是以線性結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的。這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)內(nèi)存本質(zhì)上是一維的地址空間，所有數(shù)據(jù)都是按照線性順序存儲(chǔ)在內(nèi)存中的。

然而，在程序中處理這些圖像時(shí)，開發(fā)者通常會(huì)使用二維數(shù)組（對(duì)于灰度圖像）或三維數(shù)組（對(duì)于RGB圖像）來表示圖像數(shù)據(jù)，以便更直觀地映射到圖像的行和列結(jié)構(gòu)。這種抽象使得圖像處理操作（如遍歷像素、應(yīng)用濾鏡等）更加方便和高效。

具體來說：

• 灰度圖像：在內(nèi)存中可能以一個(gè)一維數(shù)組的形式存在，但程序中常常用一個(gè)二維數(shù)組image[x][y]來訪問像素值，其中x是列索引，y是行索引。每個(gè)元素代表一個(gè)像素的亮度值。

• RGB圖像：同樣地，在內(nèi)存中可能是線性排列的一維數(shù)組，但在程序中可能會(huì)用一個(gè)三維數(shù)組image[x][y][c]來表示，其中x是列索引，y是行索引，c是顏色通道索引（0=紅色, 1=綠色, 2=藍(lán)色）。這樣可以方便地訪問每個(gè)像素的顏色分量。

許多編程語言和庫(kù)提供了專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來處理圖像，例如Python的NumPy庫(kù)，它允許你將圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)多維數(shù)組（ndarray）中，這個(gè)數(shù)組內(nèi)部是以線性方式存儲(chǔ)的，但是對(duì)外提供了一個(gè)多維接口來簡(jiǎn)化圖像處理任務(wù)。

此外，一些高效的圖像處理庫(kù)（如OpenCV）可能采用特定的優(yōu)化策略來組織圖像數(shù)據(jù)，例如通過調(diào)整顏色通道的順序（如BGR而不是RGB），或者通過緩存和預(yù)取機(jī)制來提高性能，但底層數(shù)據(jù)依然是線性存儲(chǔ)的。

總結(jié)來說，雖然圖像數(shù)據(jù)在線性內(nèi)存中是連續(xù)存儲(chǔ)的，但為了便于處理，編程接口通常會(huì)提供一種多維視圖來訪問這些數(shù)據(jù)。

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