Lossy-to-Lossless Compression of Biomedical Images Based on Image Decomposition

The use of medical imaging has increased in the last years, especially with magnetic resonance imaging (MRI) and computed tomography (CT). Microarray imaging and images that can be extracted from RNA interference (RNAi) experiments also play an important role for large-scale gene sequence and gene expression analysis, allowing the study of gene function, regulation, and interaction across a large number of genes and even across an entire genome. These types of medical image modalities produce huge amounts of data that, for several reasons, need to be stored or transmitted at the highest possible fidelity between various hospitals, medical organizations, or research units

Improving minimum rate predictors algorithm for compression of volumetric medical images

Medical imaging technologies are experiencing a growth in terms of usage and image resolution, namely in diagnostics systems that require a large set of images, like CT or MRI. Furthermore, legal restrictions impose that these scans must be archived for several years. These facts led to the increase of storage costs in medical image databases and institutions. Thus, a demand for more efficient compression tools, used for archiving and communication, is arising. Currently, the DICOM standard, that makes recommendations for medical communications and imaging compression, recommends lossless encoders such as JPEG, RLE, JPEG-LS and JPEG2000. However, none of these encoders include inter-slice prediction in their algorithms. This dissertation presents the research work on medical image compression, using the MRP encoder. MRP is one of the most efficient lossless image compression algorithm. Several processing techniques are proposed to adapt the input medical images to the encoder characteristics. Two of these techniques, namely changing the alignment of slices for compression and a pixel-wise difference predictor, increased the compression efficiency of MRP, by up to 27.9%. Inter-slice prediction support was also added to MRP, using uni and bi-directional techniques. Also, the pixel-wise difference predictor was added to the algorithm. Overall, the compression efficiency of MRP was improved by 46.1%. Thus, these techniques allow for compression ratio savings of 57.1%, compared to DICOM encoders, and 33.2%, compared to HEVC RExt Random Access. This makes MRP the most efficient of the encoders under study

Algoritmos de compressão sem perdas para imagens de microarrays e alinhamento de genomas completos

Doutoramento em InformáticaNowadays, in the 21st century, the never-ending expansion of information is a major global concern. The pace at which storage and communication resources are evolving is not fast enough to compensate this tendency. In order to overcome this issue, sophisticated and efficient compression tools are required. The goal of compression is to represent information with as few bits as possible. There are two kinds of compression, lossy and lossless. In lossless compression, information loss is not tolerated so the decoded information is exactly the same as the encoded one. On the other hand, in lossy compression some loss is acceptable. In this work we focused on lossless methods. The goal of this thesis was to create lossless compression tools that can be used in two types of data. The first type is known in the literature as microarray images. These images have 16 bits per pixel and a high spatial resolution. The other data type is commonly called Whole Genome Alignments (WGA), in particularly applied to MAF files. Regarding the microarray images, we improved existing microarray-specific methods by using some pre-processing techniques (segmentation and bitplane reduction). Moreover, we also developed a compression method based on pixel values estimates and a mixture of finite-context models. Furthermore, an approach based on binary-tree decomposition was also considered. Two compression tools were developed to compress MAF files. The first one based on a mixture of finite-context models and arithmetic coding, where only the DNA bases and alignment gaps were considered. The second tool, designated as MAFCO, is a complete compression tool that can handle all the information that can be found in MAF files. MAFCO relies on several finite-context models and allows parallel compression/decompression of MAF files.Hoje em dia, no século XXI, a expansão interminável de informação é uma grande preocupação mundial. O ritmo ao qual os recursos de armazenamento e comunicação estão a evoluir não é suficientemente rápido para compensar esta tendência. De forma a ultrapassar esta situação, são necessárias ferramentas de compressão sofisticadas e eficientes. A compressão consiste em representar informação utilizando a menor quantidade de bits possível. Existem dois tipos de compressão, com e sem perdas. Na compressão sem perdas, a perda de informação não é tolerada, por isso a informação descodificada é exatamente a mesma que a informação que foi codificada. Por outro lado, na compressão com perdas alguma perda é aceitável. Neste trabalho, focámo-nos apenas em métodos de compressão sem perdas. O objetivo desta tese consistiu na criação de ferramentas de compressão sem perdas para dois tipos de dados. O primeiro tipo de dados é conhecido na literatura como imagens de microarrays. Estas imagens têm 16 bits por píxel e uma resolução espacial elevada. O outro tipo de dados é geralmente denominado como alinhamento de genomas completos, particularmente aplicado a ficheiros MAF. Relativamente às imagens de microarrays, melhorámos alguns métodos de compressão específicos utilizando algumas técnicas de pré-processamento (segmentação e redução de planos binários). Além disso, desenvolvemos também um método de compressão baseado em estimação dos valores dos pixéis e em misturas de modelos de contexto-finito. Foi também considerada, uma abordagem baseada em decomposição em árvore binária. Foram desenvolvidas duas ferramentas de compressão para ficheiros MAF. A primeira ferramenta, é baseada numa mistura de modelos de contexto-finito e codificação aritmética, onde apenas as bases de ADN e os símbolos de alinhamento foram considerados. A segunda, designada como MAFCO, é uma ferramenta de compressão completa que consegue lidar com todo o tipo de informação que pode ser encontrada nos ficheiros MAF. MAFCO baseia-se em vários modelos de contexto-finito e permite compressão/descompressão paralela de ficheiros MAF