CN101064850B - 图像压缩装置和图像压缩方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种能够提高3D图像的无损压缩的压缩比的图像压缩装置、图像压缩程序和图像压缩方法。该图像压缩装置包括：图像划分部，其将3D图像分为多个压缩单位，每个压缩单位是具有预定大小的3D区域；像素选择部，对于由图像划分部获得的每个压缩单位，像素选择部按照预定顺序将所述压缩单位中的像素顺序地选为目标像素，并且将位于所述目标像素的附近的预定范围内的像素选为参照像素；预测误差计算部，其基于由像素选择部选择的参照像素的像素值，计算由像素选择部选择的目标像素的像素值的预测值，并且计算所述预测值与由像素选择部选择的目标像素的像素值之间的差，作为预测误差；和熵编码部，其对由预测误差计算部计算的预测误差执行熵编码。

Description

图像压缩装置和图像压缩方法
技术领域
本发明涉及一种对3D图像执行无损压缩的图像压缩装置、图像压缩程序和图像压缩压缩方法。
背景技术
诸如CT(计算断层照相装置)或MR(磁共振)的成像诊断装置的性能近来已经提高。例如，这使得能够以小于1毫米这样小的层间隔(sliceinterval)对人体的截面进行成像。使用这种成像诊断装置，每一次检查可以获得由多个帧构成的多层图像(multislice image)作为扫描图像。通过顺序地扫描截面图像(帧)同时针对每个层间隔改变垂直于截面图像的轴的坐标，来获得多层图像。当层间隔减小时，每一次检查可获得的多层图像的帧数会增加到几百至上千，这相当于几百兆(字节)的数据容量。
扫描的多层图像被存储在安装于医疗机构的计算机室中的图像服务器中，并在读取时或体检时通过网络传送到客户机终端以供显示或参考。在法律上要求将体检中使用的医用图像保存一段长的时间，从而要存储的图像数据的量逐年增加。因此，对于增加图像服务器中数据的存储量而言，医用图像的压缩很关键。此外，强烈要求不降低质量地存储扫描的医用图像，因此，通常使用无损(可逆)压缩方法。
应用于医用图像的传统无损图像压缩方法的示例包括无损JPEG(联合图像专家组)、JPEG-LS(无损)、JPEG 2000等。目前，无损JPEG使用得最为广泛，而JPEG 2000被部分地使用。
无损JPEG使用从目标像素的三个相邻像素之中选择的一至三个像素，来计算目标像素的预测值，并对计算出的预测值和目标像素的真实值之间的差进行哈夫曼编码。定义有七种预测方法，并为每幅图像选择一个预测器(predictor)。压缩比取决于图像的类型，在医用图像的情况下大约为1/2至1/3。
JPEG 2000对图像进行离散小波变换(DWT)以将其变换到频率空间，并为经变换的数据建模以提高熵编码效率，然后进行算术编码处理。JPEG 2000对医用图像的压缩比为大约1/3至1/4，这比无损JPEG的压缩比高。
JPEG-LS根据目标像素的四个相邻像素计算目标像素的预测值，并对预测误差进行格罗母-赖斯(Golomb-Rice)编码。根据目标像素的值，为每个像素从三种预测方法之中选择一种预测方法。JPEG-LS对医用图像的压缩比与JPEG 2000对医用图像的压缩比差不多。
上述无损图像压缩方法是对逐幅图像进行压缩的算法。目前，提出了一种使用3D DWT的方法，作为压缩帧之间存在相关性的医用图像(诸如多层CT/MR图像)的方法。该方法实现了比逐幅图像进行压缩的上述方法更高的压缩比。
作为与本发明相关的现有技术，已知一种图像数据压缩方法，其对构成多层断层图像或运动图像的帧图像进行压缩(例如，参见专利文献1：日本专利申请特开第2005-245922号)。
多层CT/MR图像是通过以下步骤获得的图像：使用放置在人体外部的传感器来检测透过人体的X射线辐射的剂量或者来自植入人体的放射性物质的辐射剂量，并且例如在测量截面上重建人体的X射线的吸收分布，以使身体内部的组织的状况可视化。多层CT/MR图像与通过直接对目标拍照而获得的自然图像大大不同。
特别地，多层CT/MR图像可能包括由传感器和重建处理所引起的噪声，这种噪声在自然图像中通常是不存在的。在多层CT图像中引起的辐射噪声是所述噪声的明显示例。
在使用传统图像压缩方法对包括这种自然图像中不存在的噪声的医用图像进行压缩的情况下，与自然图像的情况相比，压缩效率变低，因而使其难以实现高的图像压缩比。
从局部来看，自然图像在像素值之间的连续性高。上述难以实现高的图像压缩比的问题是由以下事实导致的：传统图像压缩方法基于自然图像的该特征。当对自然图像进行DWT时，在经变换的数据中，像素值的分布趋向于偏向频率空间的低频分量移，该趋势越强，压缩比就变得越高。另一方面，包括噪声的医用图像比自然图像含有更多的高频分量，从而频率空间中的偏向程度变得比自然图像中的小，这导致压缩比减小。
此外，因为医用图像需要不降低图像质量地(即，以上述无损方式)进行压缩，所以不能对医用图像进行涉及降低图像质量的图像处理，诸如对频率分量进行量化以减少信息量的图像处理。这使得难以获得医用图像的更高的压缩比。
如上所述，因为成像诊断装置的技术进步而引起了多层图像的数量(即其数据量)的急剧增加，所以需要用无损方式以更高的压缩比对多层图像进行压缩。
发明内容
已作出本发明以解决上述问题，并且本发明的目的是提供一种能够提高由3D图像的无损压缩所实现的压缩比的图像压缩装置、图像压缩程序和图像压缩方法。
为了解决以上问题，根据本发明的第一方面，提供了一种对由多个帧构成的3D图像执行无损压缩的图像压缩装置，该图像压缩装置包括：图像划分部，其将3D图像分为多个压缩单位，每个压缩单位是具有预定大小的3D区域；像素选择部，对由图像划分部获得的各压缩单位，像素选择部按照预定顺序将所述压缩单位中的像素顺序地选为目标像素，并且将位于所述目标像素附近预定范围内的像素选为参照像素；预测误差计算部，其基于由像素选择部选择的参照像素的像素值，计算由像素选择部选择的目标像素的像素值的预测值，并且计算所述预测值与由像素选择部选择的目标像素的像素值之间的差，作为预测误差；和熵编码部，其对由预测误差计算部计算的预测误差执行熵编码。
在根据本发明的图像压缩装置中，预测误差计算部通过对将所述多个参照像素中的每一个的像素值乘以加权因子而获得的各个值进行累加，来计算目标像素的预测值，将所述加权因子计算为使每个压缩单位中的预测误差为最小。
根据本发明的图像压缩装置还包括压缩数据输出部，其将与3D图像相关的信息、由预测误差计算部计算出的加权因子、以及由熵编码部输出的熵编码的结果作为压缩数据进行输出。
根据本发明的图像压缩装置还包括压缩条件确定部，其确定参照像素的数量和位置，以使由压缩数据输出部输出的压缩数据的大小为最小。
在根据本发明的图像压缩装置中，压缩条件确定部确定压缩单位的大小，以使由压缩数据输出部输出的压缩数据的大小为最小。
根据本发明的图像压缩装置还包括解压缩部，其基于由压缩数据输出部输出的压缩数据，以与预测误差计算部所采用的相同的方式计算目标像素的预测值，通过与熵编码部所执行的熵编码相对应的解码处理来计算目标像素的预测误差，并且基于目标像素的预测值和预测误差，恢复目标像素的原始像素值。
在根据本发明的图像压缩装置中，图像划分部比较构成图像的多个帧中相同位置的像素值，以检测要从压缩目标中排除的区域，像素选择部从检测出的区域之外的像素之中选择目标像素和参照像素。
在根据本发明的图像压缩装置中，像素选择部选择位于与包括目标像素的帧相同的帧中的该目标像素附近的预定范围内的像素，并且还在包括所述目标像素的帧附近的预定范围内的帧中选择与所述目标像素相同的位置处的像素附近的预定范围内的像素。
在根据本发明的图像压缩装置中，像素选择部从与目标像素最接近的像素开始选择参照像素，直到参照像素的数量达到预定数量为止。
在根据本发明的图像压缩装置中，所述3D图像是其相邻帧之间存在相关性的图像。
根据本发明的第二方面，提供了一种使计算机能构对由多个帧构成的3D图像执行无损压缩的图像压缩程序，包括以下步骤：图像划分步骤，其将3D图像分为多个压缩单位，每个压缩单位是具有预定大小的3D区域；像素选择步骤，对通过图像划分步骤获得的每个压缩单位，按照预定顺序将所述压缩单位中的像素顺序地选为目标像素，并且将位于所述目标像素附近的预定范围内的像素选为参照像素；预测误差计算步骤，其基于通过像素选择步骤选择的参照像素的像素值，计算通过像素选择步骤选择的目标像素的像素值的预测值，并且计算所述预测值与通过像素选择步骤选择的目标像素的像素值之间的差，作为预测误差；和熵编码步骤，其对通过预测误差计算步骤计算出的预测误差执行熵编码。
在根据本发明的图像压缩程序中，预测误差计算步骤通过对将所述多个参照像素中的每一个的像素值乘以加权因子而获得各个值进行累加，来计算目标像素的预测值，将所述加权因子计算为使每个压缩单位中的预测误差为最小。
根据本发明的图像压缩程序还包括熵编码步骤之后的压缩数据输出步骤，其将与3D图像相关的信息、通过预测误差计算步骤计算的加权因子、以及通过熵编码步骤输出的熵编码的结果作为压缩数据进行输出。
根据本发明的图像压缩程序还包括图像划分步骤之前的压缩条件确定步骤，其确定参照像素的数量和位置，以使由压缩数据输出步骤输出的压缩数据的大小为最小。
在根据本发明的图像压缩程序中，压缩条件确定步骤确定压缩单位的大小，以使由压缩数据输出步骤输出的压缩数据的大小为最小。
根据本发明的图像压缩程序还包括解压缩步骤，其基于由压缩数据输出步骤输出的压缩数据，以与预测误差计算步骤所采用的相同的方式计算目标像素的预测值，通过与熵编码步骤所执行的熵编码相对应的解码处理来计算目标像素的预测误差，并且基于目标像素的预测值和预测误差，恢复目标像素的原始像素值。
在根据本发明的图像压缩程序中，图像划分步骤比较构成图像的多个帧中相同位置的像素值，以检测要从压缩目标中排除的区域，像素选择步骤从检测出的区域之外的像素之中选择目标像素和参照像素。
在根据本发明的图像压缩程序中，像素选择步骤选择位于与包括目标像素的帧相同的帧中的该目标像素附近的预定范围内的像素，并且还选择包括所述目标像素的帧附近的预定范围内的帧之中位于与所述目标像素相同的位置处的像素附近的预定范围内的像素。
在根据本发明的图像压缩程序中，像素选择步骤从与目标像素最接近的像素开始选择参照像素，直到参照像素的数量达到预定数量为止。
根据本发明的第三方面，提供了一种对由多个帧构成的3D图像执行无损压缩的图像压缩方法，所述方法包括以下步骤：图像划分步骤，其将3D图像分为多个压缩单位，每个压缩单位是具有预定大小的3D区域；像素选择步骤，对于通过图像划分步骤获得的每个压缩单位，按照预定顺序将所述压缩单位中的像素顺序地选为目标像素，并且将位于所述目标像素附近的预定范围内的像素选为参照像素；预测误差计算步骤，其基于通过像素选择步骤选择的参照像素的像素值，计算通过像素选择步骤选择的目标像素的像素值的预测值，并且计算所述预测值与通过像素选择步骤选择的目标像素的像素值之间的差，作为预测误差；和熵编码步骤，其对通过预测误差计算步骤计算出的预测误差执行熵编码。
根据本发明，可以提高由3D图像的无损压缩所实现的压缩比。
附图说明
图1是示出了根据本发明实施例的图像压缩装置的构造的示例的框图；
图2是示出了在根据实施例的图像压缩装置中执行的压缩处理的操作的示例的框图；
图3是示出了在根据实施例的图像压缩装置中执行的压缩处理的操作的示例的流程图；
图4是示出了根据实施例的光栅扫描顺序的示例的图；
图5是示出了根据实施例的帧内编码处理中选择的参照像素的示例的图；
图6是用于在根据实施例的帧内编码处理中计算预测值的公式；
图7是用于在根据实施例的帧内编码处理中计算预测误差的公式；
图8是用于在根据实施例的帧内编码处理中计算误差估计值的公式；
图9是示出了在根据实施例的帧间编码处理中选择的参照像素的示例的图；
图10是用于在根据实施例的帧间编码处理中计算预测值的公式；
图11是用于在根据实施例的帧间编码处理中计算预测误差的公式；
图12是用于在根据实施例的帧间编码处理中计算误差估计值的公式；
图13是示出了根据实施例的压缩数据的结构的示例的图；
图14是示出了由根据实施例的图像压缩装置执行的压缩条件确定处理的操作的示例的流程图；以及
图15是示出了由根据实施例的图像压缩装置执行的解压缩处理的操作的示例的流程图。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的实施例。
根据本发明实施例的图像压缩装置的特征在于，将由多个帧构成的多层图像分为多个组，每个组都具有预定数量的帧，将每个帧分为多个块，将包括在(块垂直大小×块水平大小×每组的帧数)中的像素设置为压缩单位，并且对目标像素的值进行预测，以使压缩单位中的每个像素的总预测误差的熵变得最小。
此外，在该图像压缩装置中，对多个帧中相同的块位置进行相同的预测。这使得包括在多层图像中的噪声的局部改变能够有规则，并使得帧之间的像素值的连续性或相似性能够被反映在对像素值的预测中。因此，可以提高预测精度使预测误差值集中在0附近，使熵编码效率提高。
在CT成像装置中，与人体相对布置的X射线源和用于检测X辐射的检测器以螺旋方式转动，基于由检测器检测到的X射线的透射，将人体的不同部位之间对X射线吸收的差可视化为亮度值。因为CT成像装置在转动的同时进行扫描，所以获得圆形成像区。该圆形成像区的外部在成像区之外，从而其具有相同的值(例如0)。
在多层图像中，上述外部区域在所有帧上存在于相同的位置上。图像压缩装置检测其中的像素值在多个帧中持续相同的区域，从而在输出区域信息时从压缩区域中排除该被检测出的区域，从而减少要被压缩的像素的数量并且提高压缩效率。
此外，该图像压缩装置从位于目标像素附近并因而与目标像素的相关性较高的像素之中选择要用来预测目标像素值的参照像素，以提高预测精度。因为参照像素的位置必须能够在解压缩时被参考，所以参照像素必须从已被压缩(或者已被解压缩(在解压缩处理的情况下))的像素之中选择。在图像压缩装置根据光栅扫描顺序进行压缩的情况下，根据光栅扫描的顺序，在目标像素之前的像素之中选择参照像素。
此外，该图像压缩装置设置参照像素的像素值的权值，并把通过将每个参照像素的像素值乘以其权值而获得的每个值累加，从而计算出目标像素的预测值。此外，该图像压缩装置将一组权值用于上述各压缩单位，并将权值确定为使预测误差为最小，所述预测误差是压缩单位中各目标像素值与其预测值之间的差。这使得图像的局部连续性或相似性和帧之间的像素值的连续性或相似性反映到预测中，从而提高压缩比。
因为在包含目标像素的当前帧图像和前帧图像之间存在图像的相似性或像素值的连续性，所以在前帧中，同和目标像素的位置相同的位置更接近的像素被认为具有与目标像素更高的相关性。因此，除了参照像素之外，还使用在前帧中的这些像素进行预测，有望进一步提高预测精确度。因为前帧在包含目标像素的帧之前已被压缩/解压缩，所以可以任意选择参照像素的位置。然而，优选地，按照与目标像素的相关性的降序，从前帧中与目标像素位置相同的位置附近的像素之中选择参照像素。
除了通过对预测误差进行熵编码而获得编码数据之外，还有必要存储参照像素的权值，图像压缩装置分配预定数量的比特，用于表示权值。因此，通过确定参照像素的数量，以使将分配给权重的比特数乘以权值数(＝参照像素数)而获得的比特数和通过对预测误差进行熵编码而获得的压缩数据的大小这两者的和变得最小，压缩效率变得最高。
此外，更接近目标像素的像素与目标像素的相关性更高，因而适合用于进行预测。因此，图像压缩装置优先选择目标像素附近的像素，从而提高预测精确度。
接下来将描述根据当前实施例的图像压缩装置的构造。
图1是示出了根据当前实施例的图像压缩装置的构造的示例的框图。该图像压缩装置包括：压缩控制器11、帧内编码部21、和帧间编码部22，这些是用于从多层图像(3D图像)产生压缩数据的压缩处理的组件；和解压缩控制器31、帧内解码部41、和帧间解码部42，这些是用于从压缩数据产生原始多层图像的解压缩处理的组件。
接下来将描述在根据当前实施例的图像压缩装置中所执行的压缩处理的操作。
压缩控制器11预先执行压缩条件确定处理，从而确定使要被压缩的数据的大小最小化的压缩条件，然后利用所确定的压缩条件执行压缩处理。稍后将描述压缩条件确定处理的细节。
图2是示出了在根据当前实施例的图像压缩装置中执行的压缩处理的操作的示例的框图。压缩控制器11从输入的多层图像获取图像信息和区域信息，并将其输出到压缩数据中。此外，压缩控制器11将多层图像的帧分为多个组，将组的第一帧输出到帧内编码部21，并且将组输出到帧间编码部22。帧内编码部21对所述第一帧中的每个块执行作为帧内编码处理的帧内预测和熵编码，并将其结果作为帧内加权因子和帧内编码数据输出到压缩数据中。帧间编码部22对所述组中的帧中每个块执行作为帧间编码处理的帧间预测和熵编码，并将其结果作为帧间加权因子和帧间编码数据输出到压缩数据中。
图3是示出了在根据当前实施例的图像压缩装置中执行的压缩处理的操作的示例的流程图。压缩控制器11将各帧的水平和垂直大小(像素数)、总帧数M、各组的帧数N、每一帧中的块大小(块垂直像素数×块水平像素数)K×K输出到压缩数据中，作为与输入的多层图像相关的图像信息(S101)。以上图像信息是进行数据解压缩所必需的。虽然将块垂直像素数和块水平像素数设置为彼此相等，但是它们也可以互不相同。
然后，压缩控制器11在输入的多层图像的全部M帧中检测具有相同像素值的区域。在例如CT图像的情况下，通常检测作为扫描区域的圆形区域的外围部分。然后，压缩控制器11将检测到的区域中的像素设置为对其不执行编码处理的非压缩区域，并且将剩余区域设置为对其执行编码处理的压缩区域(S102)。可以以组为单位确定非压缩区域。在此情况下，非压缩区域被定义为在全部N帧中都具有相同像素值的区域。
随后，压缩控制器11将在步骤S102中检测到的区域信息输出到压缩数据(S103)。此时，压缩控制器11尽可能地压缩该区域信息。例如，假设压缩区域为圆形，则压缩控制器11将圆心位置和半径像素数输出到压缩数据；假设压缩区域为矩形，则压缩控制器11将矩形的左上角的位置、垂直像素数和水平像素数输出到压缩数据。此外，对于具有任意形状的压缩区域，压缩控制器11将压缩区域内的内部区域设置为“0”并将其外部设置为“1”，并且执行0和1的游程长度(run length)编码。
然后，压缩控制器11将压缩开始位置设置到第一帧(帧号i＝1)(S104)。
后面的步骤S105至S108描述了由帧内编码部21执行的帧内编码处理。
压缩控制器11从M帧中获取N帧(第一帧＝i)，并将这N帧设置为目标组。帧内编码部21将帧i选为目标帧(S105)。
然后，帧内编码部21为目标帧中的每个块确定参照像素的加权因子，以使目标像素的像素值和其预测误差之间的差最小(S106)。更具体地，帧内编码部21将压缩区域内的块选为目标块，按照光栅扫描顺序，顺序地选择目标块中的目标像素，并且为各目标块确定参照像素的加权因子。图4是示出了根据当前实施例的光栅扫描顺序的示例的图。如图4所示，帧内编码部21顺序地从最上一行开始到最下一行逐个地将块中的像素选为目标像素。
图5是示出了根据当前实施例的帧内编码处理中选择的参照像素的示例的图。假设各像素具有根据该扫描顺序的扫描号，则从压缩区域内具有比目标像素的编号小的编号的像素中，选择目标像素附近的预定数量的像素作为参照像素。假设目标像素的像素值为X、参照像素的数量为R、并且为目标像素选择的R个参照像素的像素值为X1至XR。在图5中，将参照像素的数量R设置为6。
作为加权因子确定方法的示例，已知一种使用多次回归分析或最小平方法的方法。假设目标像素的预测值为P、参照像素的加权因子为W1至WR、预测误差为E，预测误差的估计值为e、每个块的像素数为F(F＝K×K)、每个块中的F个像素的值为X1至XF、预测值的常数项为C，则可以用图6至8中示出的公式来表示这些参数之间的关系。图6是根据当前实施例在帧内编码处理中用于计算预测值的公式。图7是根据当前实施例在的帧内编码处理中用于计算预测误差的公式。图8是根据当前实施例在的帧内编码处理中用于计算误差估计值的公式。
帧内编码部21使用目标帧的每个块中的F个像素和图8所示的公式来计算e，然后计算加权因子W1至WR和常数项C，以使e最小。可以将常数项C设置为0以减少参数的数量。然后，帧内编码部21将所确定的加权因子W1至WR作为帧内加权因子输出到压缩数据。预先确定用于表示加权因子的比特精确度，以使在计算预测值时产生的计算误差落入预定范围内。
然后，帧内编码部21将目标帧中的像素顺序地选为目标像素，根据图6所示的公式基于在步骤S106中获得的加权因子以及参照像素的值，来计算预测值，并且根据图7所示的公式来计算目标像素的预测值和原始像素值之间的预测误差(S107)。然后，帧内编码部21基于已计算了其预测值的目标像素的位置获得包含该目标像素的块作为目标块，并且选择与该目标块相对应的加权因子(其已在步骤S106被确定)。
帧内编码部21对在步骤S107中计算出的目标帧的预测误差执行熵编码(S108)。预测误差的分布集中在0附近，从而Golomb-Rice编码适于用作熵编码。也可以采用其他编码方法，诸如哈夫曼(Huffman)编码或算术编码。然后，帧内编码部21将熵编码的结果作为帧内编码数据输出到压缩数据。
下面的步骤S109至S112描述了由帧间编码部22执行的帧间编码处理。
帧间编码部22将目标组中帧i之外的所有帧(即帧i+1至i+N)选为目标帧组(S109)。如果还没有被编码的帧的数量达不到N，则帧间编码部22将剩余的所有帧选为目标帧组。
然后，帧间编码部22为目标帧组中的每个块确定参照像素的加权因子(S110)。加权因子的确定方法与帧内编码处理的情况中的方法相同，但以下几点除外：在目标帧组的各个帧中相同位置的目标块中选择目标像素；假设包含目标像素的帧是目标帧并且目标帧的帧号为j，则从目标帧(j)和直接前帧(j-1)中的预定范围中选择参照像素；以及用于计算误差估计值e的像素存在于N个帧(＝目标组)中。根据光栅扫描顺序，在目标帧组的各个帧中的相同的目标块中顺序地选择目标像素。
图9是示出了在根据当前实施例的帧间编码处理中选择的参照像素的示例的图。从具有比目标像素小的编号的像素之中选择预定数量的接近目标像素的像素作为参照像素，并且还选择直接前帧中位于与目标像素相同的位置的像素及其相邻像素。与帧内编码处理的情况一样，假设目标像素的像素值为X、参照像素的数量为S、并且为目标像素选择的S个参照像素的像素值为X1至XS。在图9中，参照像素的数量设置为11。此外，图9表示了参照像素在包含目标像素的当前帧(j)和直接前帧(j-1)中的位置。
假设目标像素的预测值为P，参照像素的加权因子为W1至WS、预测误差为E，预测误差的估计值为e、每个压缩单位中的像素数为G(G＝K×K×N)、每个压缩单位中的G个像素的值为X1至XG、并且预测值的常数项为C，则可以用图10至12所示的公式来表示这些参数之间的关系。图10是根据当前实施例在帧间编码处理中用于计算预测值的公式。
图11是根据当前实施例在帧间编码处理中用于计算预测误差的公式。图12是根据当前实施例在帧间编码处理中用于计算误差估计值的公式。
帧间编码部22使用目标帧的每个压缩单位中的G个像素和图12所示的公式来计算e，然后计算加权因子W1至WS和常数项C，以使e最小。可以将常数项C设置为0以减少参数的数量。然后，帧间编码部22将所确定的加权因子W1至WS作为帧间加权因子输出到压缩数据。
然后，帧间编码部22根据图10所示的公式，基于在步骤S110中获得的加权因子以及参照像素的值，为目标帧组中的每个像素计算预测值，然后根据图11所示的公式来计算目标像素的预测值和原始像素值之间的预测误差(S111)。与帧内编码处理的情况一样，按照光栅扫描顺序，顺序地选择目标像素。然后，帧间编码部22基于已计算了其预测值的目标像素的位置获得包含该目标像素的块作为目标块，并且选择与该目标块相对应的加权因子(其已在步骤S110进行了确定)。
帧间编码部22对在步骤S111中计算出的目标帧组的预测误差执行熵编码(S112)。与帧内编码处理的情况一样，虽然Golomb-Rice编码适于用作熵编码，但是也可以采用其他编码方法，诸如Huffman编码或算术编码。然后，帧间编码部22将熵编码的结果作为帧间编码数据输出到压缩数据。
对每个目标组执行上述帧内编码处理和帧间编码处理。此外，以压缩单位为单位来执行帧内编码处理和帧间编码处理的每个步骤，所述压缩单位是通过将目标组分为多个块而获得的3D区域，从而压缩单位中的像素之间的相关性高，由此获得了高压缩效率。
如果完成了对所有M帧的编码(S113中为是)，则压缩控制器11结束压缩处理；如果还有未被编码的任何帧(S113中为否)，则压缩控制器11进行到步骤S114。
然后，压缩控制器11使变量i增加N，变量i表示下一次选择的要编码的第一帧的帧号(S114)，并返回到步骤S105。
根据上述流程，通过重复步骤S105至S114的处理直到完成所有帧的压缩处理为止，输入的由M帧构成的多层医用图像被压缩。
图13是示出了根据当前实施例的压缩数据的结构的示例的图。该图示出了作为压缩处理的结果而被输出的压缩数据。除了上述图像信息和区域信息之外，该压缩数据还包括通过帧内编码处理而获得的帧内加权因子和帧内编码数据、以及通过帧间编码处理而获得的帧间加权因子和帧间编码数据。按组存储帧内加权因子、帧内编码数据、帧间加权因子、和帧间编码数据。
虽然当前实施例中的帧内编码处理是以与帧间编码处理相同的方式执行的，但是可以采用用于2D图像的另一无损压缩处理作为帧内编码处理。
此外，虽然在帧间编码处理中，压缩处理是根据帧号执行的，而参照像素是从当前帧和直接前帧中选出的，但可以不根据帧号而是例如沿着帧号正方向和反方向来执行压缩处理。在此情况下，可以根据方向选择参照像素。此外，根据帧之间的相关性的强度，不仅可以从直接相邻的帧中，还可以从当前帧的两帧或更多帧之前或之后的帧中选择参照像素。
接下来，将描述压缩条件确定处理。
图14是示出了由根据当前实施例的图像压缩装置执行的压缩条件确定处理的操作的示例的流程图。压缩控制器11从压缩条件中选择第一压缩条件(S301)。压缩条件是以下三个参数的组合。
参数1：参照像素的数量和位置(用于步骤S106和S110)
参数2：帧中的块的大小(用于步骤S106和S110)
参数3：组中的帧数(用于步骤S101)
例如，压缩控制器11将参数1和2的组合选为用于帧内编码处理的压缩条件，并且将参数1、2和3的组合选为用于帧间编码处理的压缩条件。压缩控制器11在预定范围内改变每个参数的值，从而获得最佳值。
对于参数1，压缩控制器11按照从最接近目标像素的像素开始的预定顺序，顺序地选择参照像素，从而获得参照像素的数量的最佳值。对于参数2，压缩控制器11从较小的数开始逐渐增加块大小以获得块大小的最佳值。对于参数3，压缩控制器11从较小的数开始逐渐增加组中的帧数，以获得组中的帧数的最佳值。
压缩控制器11使用在步骤S301中选择的压缩条件对待估计的图像执行压缩处理(S302)。然后，压缩控制器11确定所述压缩数据的大小是否是通过使用先前的条件进行压缩处理而获得的压缩数据的大小的最小值。如果该数据大小是最小值(S303中为是)，则压缩控制器11进行到步骤S304；否则(S303中为否)，压缩控制器11进行到步骤S305。
然后，压缩控制器11保持在步骤S302的压缩处理中使用的压缩条件(S304)。即，在所有先前的压缩条件之中，保持该使压缩数据大小为最小的压缩条件。
然后，压缩控制器11确定是否已使用所有的压缩条件来执行压缩处理。如果已使用所有条件进行了压缩处理(S305中为是)，则压缩控制器11进行到步骤S306；否则(S305中为否)，压缩控制器11返回到步骤S301。在步骤S301中，压缩控制器11选择另一些条件的组合，并使用其来执行步骤S302和随后的步骤。
压缩控制器11输出在步骤S301至S305中选择的压缩条件(使用该压缩条件，压缩数据的大小为最小)作为最佳压缩条件(S306)。之后，将该最佳压缩条件用于压缩处理。
通过上述压缩条件确定处理获得的压缩条件是用于待估计图像的最佳条件。因此，该条件可能是同类型的图像的近似最佳压缩条件。在需要使用最佳条件对每个输入的多层图像执行压缩处理的情况下，应该对输入的多层图像执行压缩条件确定处理。在此情况下，在步骤S304中保持压缩数据，在步骤S306中不是输出压缩条件而是输出压缩数据。使用该结构，可以针对每个输入图像输出通过使用最佳压缩条件而被压缩的压缩数据。
接下来，将描述在根据当前实施例的图像压缩装置中执行的解压缩处理的操作。
图15是示出了由根据当前实施例的图像压缩装置执行的解压缩处理的操作的示例的流程图。解压缩控制器31从压缩数据的图像信息中获取输入图像的水平像素数和垂直像素数、总帧数M、被划分的帧数N、块大小K×K像素(S201)。然后，解压缩控制器31从压缩数据的区域信息中获取压缩区域。如果区域信息已编码，则解压缩控制器31对其解码(S202)。
下面的步骤S203至S205描述由帧内解码部41执行的帧内解码处理。
帧内解码部41像压缩处理的情况一样来确定目标帧，并且从压缩数据中获取各块的帧内加权因子W1至WR(S203)。为各个块存储了一组加权因子W1至WR。在此示例中，与压缩处理的示例的情况一样，参照像素的数量R被设置为6。
帧内解码部41对经熵编码的目标帧的预测误差进行解码(S204)。
帧内解码部41按上述光栅扫描顺序对在步骤S204中解码的预测误差进行扫描，根据图6所示的公式，使用在步骤S203中获取的加权因子来计算预测值P，并且将该预测值P与预测误差相加，以恢复原始像素值(S205)。
下面的步骤S206至S208描述由帧间解码部42执行的帧间解码处理。
帧间解码部42像压缩处理的情况一样来确定目标帧组，并且从压缩数据中获取帧间加权因子W1至WS。为各个块存储了一组加权因子W1至WS。在此示例中，与压缩处理的示例的情况一样，将参照像素的数量S设置为11(S206)。
然后，帧间解码部42对帧间编码数据进行解码以获取熵编码的预测误差。在此情况下，与作为目标帧组的N-1个帧相对应的预测误差被解码(S207)。
然后，帧间解码部42按上述光栅扫描顺序对在步骤S207中解码的每个目标帧组的预测误差进行扫描，根据图10所示的公式，使用在步骤S206中获取的加权因子来计算预测值P，并且将该预测值P与预测误差相加，以恢复原始像素值(S208)。
如果完成了对所有M帧的解压缩处理(S209中为是)，则解压缩控制器31结束该流程；如果还有未被解压缩的任何帧(S209中为否)，则解压缩控制器31返回到步骤S203。通过重复步骤S203至步骤S209的处理直到完成对所有M帧的解码处理为止，由M帧构成的原始多层医用图像被恢复。
虽然已应用根据当前实施例的图像压缩装置来压缩作为3D图像的多层CT/MR图像(其中2D图像(xy平面)沿着深度方向(Z轴方向)排列)，但也可应用其来压缩这样的3D图像，在该3D图像中，2D图像(xy坐标)沿着时间方向(t坐标)排列。即，当使用基于当前实施例的图像压缩装置来压缩包括由2D图像帧(在这些2D图像中，在给定帧和其相邻帧之间存在预定的相关性)构成的帧组的3D图像时，可以获得本发明的优点。
该图像压缩装置可以由压缩控制器11、帧内编码部21和帧间编码部22构成。在此情况下，可以提供由解压缩控制器31、帧内解码部41和帧间解码部42构成的图像解压缩装置。
如上所述，根据基于当前实施例的压缩和解压缩处理，可以实现比使用传统3D DWT的无损压缩方法更高的3D图像压缩比。即，与传统的无损压缩方法相比，可减少用于存储图像数据的存储容量，有助于增加存储的图像的数量以及减少用于存储图像的存储装置的花费。
可以将根据当前实施例的图像压缩装置容易地应用于图像处理装置以改善其性能。图像处理装置的示例包括：信息处理装置，诸如执行图像处理软件应用程序的PC(个人计算机)或服务器；图像诊断装置，诸如CT或MR；图像拾取装置，诸如数字静态相机或视频相机；等等。
此外，可以提供使构成图像压缩装置的计算机能够执行上述步骤的程序作为图像压缩程序。通过将上述程序存储在计算机可读存储介质中，可以使构成图像压缩装置的计算机能够执行该程序。这里提到的计算机可读介质包括：安装在计算机中的内部存储装置，诸如ROM或RAM；便携式存储介质，诸如CD-ROM、软盘、DVD盘、磁光盘、或IC卡；存有计算机程序的数据库；另一计算机及其数据库；和网线上的传输介质。
图像划分部和压缩条件确定部对应于实施例中提到的压缩控制器11。像素选择部、预测误差计算部、熵编码部对应于实施例中提到的帧间编码部22或帧内编码部21。压缩数据输出部对应于实施例中提到的压缩控制器11、帧内编码部21和帧间编码部22。解压缩部对应于实施例中提到的解压缩控制器31、帧内解码部41和帧间解码部42。
图像划分步骤对应于实施例中提到的步骤S101、S102和S104。图像选择步骤对应于实施例中提到的步骤S106和S110。预测误差计算步骤对应于实施例中提到的步骤S106、S107、S110和S111。熵编码步骤对应于实施例中提到的步骤S108和S112。压缩数据输出步骤对应于步骤S101、S103、S106、S108、S110和S112。压缩条件确定步骤对应于实施例中提到的压缩条件确定处理。解压缩步骤对应于实施例中提到的解压缩处理。

Claims (19)

1.一种对3D图像数据执行无损压缩的图像压缩装置，包括：
图像划分部，其将3D图像数据分为多个数据单位，所述3D图像数据包括多个帧，这些帧分别是间隔预定距离的截面图像，所述多个数据单位中的各数据单位具有大小相同的N个块，N为整数，所述N个块分别位于所述多个帧中的N个帧的相同位置处；
像素选择部，其按照预定顺序顺序地将所述多个数据单位中的一个数据单位的像素选为目标像素，并且将位于所述目标像素附近的预定范围内的像素选为参照像素；
预测误差计算部，其依据所述参照像素的像素值，计算目标像素值的预测值，并且计算作为所述预测值与所述目标像素值之间的差的预测误差，所述目标像素值为所述目标像素的像素值；和
熵编码部，其对所述多个数据单位中的各数据单位中的预测误差执行熵编码。
2.根据权利要求1所述的图像压缩装置，其中
所述预测误差计算部通过对多个值进行累加，来计算所述目标像素的预测值，所述多个值各是通过将所述参照像素的像素值中的各像素值乘以多个加权因子中的各加权因子而获得的，所述预测误差计算部还计算所述多个加权因子以使所述多个数据单位中的各数据单位的预测误差最小。
3.根据权利要求2所述的图像压缩装置，还包括压缩数据输出部，其输出压缩数据，所述压缩数据包括与3D图像数据相关的信息、所述多个加权因子、以及所述熵编码的结果。
4.根据权利要求3所述的图像压缩装置，还包括压缩条件确定部，其确定所述参照像素的数量和所述参照像素的位置，以使所述压缩数据的大小最小化。
5.根据权利要求4所述的图像压缩装置，其中
所述压缩条件确定部至少确定N的值或所述N个块中的各个块的大小，以使所述压缩数据的大小最小化。
6.根据权利要求3所述的图像压缩装置，还包括解压缩部，其从所述压缩数据中获取所述多个加权因子，通过与所述熵编码相对应的解码处理将所述压缩数据解码为所述预测误差，并且基于所述多个加权因子和所解码出的预测误差，恢复目标像素的像素值。
7.根据权利要求1所述的图像压缩装置，其中
所述图像划分部比较构成图像的多个帧中相同位置处的像素值，以检测要从压缩目标中排除的区域，以及
所述像素选择部从检测出的区域之外的区域的像素之中选择所述目标像素和所述参照像素。
8.根据权利要求1所述的图像压缩装置，其中
所述参照像素包括位于包括该目标像素的帧中的所述目标像素附近的预定范围内的像素，并且还包括在包括所述目标像素的帧附近的预定范围内的另一帧中与所述目标像素处于相同的位置处的像素附近的预定范围内的像素。
9.根据权利要求1所述的图像压缩装置，其中
所述像素选择部从与所述目标像素最接近的像素开始选择参照像素，直到参照像素的数量达到预定数量为止。
10.根据权利要求1所述的图像压缩装置，其中
所述多个帧中的相邻帧之间具有相关性。
11.一种对3D图像数据执行无损压缩的的处理的图像压缩方法，所述方法包括以下步骤：
将所述3D图像数据分为多个数据单位，所述3D图像数据包括多个帧，这些帧分别是相隔预定距离的截面图像，所述多个数据单位中的各数据单位具有N个块，N为整数，所述N个块分别位于所述多个帧中的N个帧的相同位置处；
按照预定顺序顺序地将所述多个数据单位中的一个数据单位中的像素选为目标像素，并且将位于所述目标像素附近的预定范围内的像素选为参照像素；
依据所述参照像素的像素值，计算目标像素值的预测值，并且计算作为所述预测值与所述目标像素值之间的差的预测误差，所述目标像素值为所述目标像素的像素值；和
对所述多个数据单位中的各数据单位中的所述预测误差执行熵编码。
12.根据权利要求11所述的图像压缩方法，其中
所述计算通过对多个值进行累加，来计算所述目标像素的预测值，其中所述多个值各是通过将所述参照像素的像素值中的各像素值乘以多个加权因子中的各加权因子而获得的，所述计算还计算所述多个加权因子以使所述多个数据单位中的各数据单位的预测误差最小。
13.根据权利要求12所述的图像压缩方法，所述方法还包括在熵编码之后，输出压缩数据，所述压缩数据包括与所述3D图像数据相关的信息、所述多个加权因子、以及所述熵编码的结果。
14.根据权利要求13所述的图像压缩方法，所述方法还包括在图像划分之前，确定所述参照像素的数量和所述参照像素的位置，以使所述压缩数据的大小最小化。
15.根据权利要求14所述的图像压缩方法，其中
所述确定至少确定N的值或所述N个块中的各个块的大小，以使所述压缩数据的大小最小化。
16.根据权利要求13所述的图像压缩方法，所述方法还包括从所述压缩数据中获取所述多个加权因子，通过与所述熵编码相对应的解码处理将所述压缩数据解码为所述预测误差，并且基于所述多个加权因子和所解码出的预测误差，恢复所述目标像素的像素值。
17.根据权利要求11所述的图像压缩方法，其中
所述划分比较构成图像的多个帧中相同位置处的像素值，以检测要从压缩目标中排除的区域，以及
所述选择从检测出的区域之外的区域中的像素之中选择所述目标像素和所述参照像素。
18.根据权利要求11所述的图像压缩方法，其中
所述参照像素包括位于包括所述目标像素的帧中的所述目标像素附近的预定范围内的像素，并且还包括在包括所述目标像素的帧附近的预定范围内的另一帧中与所述目标像素处于相同的位置处的像素附近的预定范围内的像素。
19.根据权利要求11所述的图像压缩方法，其中
所述参照像素的选择从与所述目标像素最接近的像素开始选择参照像素，直到参照像素的数量达到预定数量为止。
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