DE10050951A1 - A method for collecting, organizing, processing, transfer and archiving of single- and multi-dimensional digital data, in particular stationary and moving image data - Google Patents

A method for collecting, organizing, processing, transfer and archiving of single- and multi-dimensional digital data, in particular stationary and moving image data

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Abstract

The invention relates to a method for recording, organizing, processing, transmitting and archiving one-dimensional and multi-dimensional digital data of any type (e.g. still or moving image data). The inventive method combines a reversible (lossless) compression with the use of a processing module, which increases the attainable compression rates without changing relevant components of the signal or, alternatively, a module is used for adaptively selecting an appropriate quantization parameter for an optimal lossy (irreversible) compression and carries out a structured buffering of the input data with priority-controlled processing. The inventive method is for use, among other things, in the fields of telemedicine, digital radiological image processing, image archiving, video surveillance, and video recording.

Description

Gegenwärtige Kompressionssysteme (siehe z. B. DE 196 26 615 A1) bestehen im Wesentlichen aus folgenden Teilprozessen: Current compression systems (. See, for example, DE 196 26 615 A1) mainly consist of the following sub-processes:

Dekorrelation decorrelation

Sie hat die Aufgaben, die vorliegenden Daten in einen anderen Darstellungsbereich zu überführen, in welchem die Energie der Daten auf möglichst wenige, sogenannte Transformationskoeffizienten konzentriert ist. She has the task of converting existing data to another display area, where the power of the data to as few, so-called transform coefficients is concentrated. Zum Einsatz kommen hierfür Transformationen oder prädiktive Techniken. Are used for this transformation or predictive techniques.

Quantisierung quantization

Sie wird verwendet, wenn irrelevante Datenbestandteile entfernt werden sollen. It is used when irrelevant data components should be removed. Die Zahlengenauigkeit der Transformationskoeffizienten wird hierbei herabgesetzt. The number accuracy of the transformation coefficient is reduced in this case. Viele Transformationskoeffizienten werden zu Null quantisiert. Many transform coefficients are quantized to zero. Die Quantisierung ermöglicht hohe Kompressionsraten, verändert jedoch die digitale Information. The quantization allows high compression rates, but changed the digital information. Der Codierungsprozess wird durch den Verlust an Informationen irreversibel. The encoding process is irreversible due to the loss of information.

Präcodierung Präcodierung

Sie nutzt verbliebene oder durch die Quantisierung neu hinzugekommenen statistischen Bindungen zwischen den Transformationskoeffizienten für eine Umstrukturierung der Daten. It uses remaining or newly added by quantization statistical links between the transformation coefficients for a restructuring of the data. Resultat ist eine Symbolfolge mit möglichst geringer Entropie. The result is a sequence of symbols with the lowest possible entropy.

Entropiecodierung entropy

Sie codiert die Symbolfolge und erzeugt einen Bitstrom, der die Dateninformation in einer kompakten Form mit möglichst geringem Speicherplatzbedarf enthält. It encodes the symbol sequence and generates a bit stream that contains the data information in a compact form with minimal memory requirements.

Gegenwärtige Systeme der elektronischen Datenverarbeitung für den Transport und die Archivierung verarbeiten die empfangenen Daten sequentiell. Current systems of electronic data processing for the transport and archiving process the received data sequentially. Manche Systeme führen weitere Datenmodifikationen durch wie z. Some systems carry more data modifications such. B. verlustfreie oder verlustbehaftete Datenkompressionen. B. lossless or lossy data compression. Diese werden entweder sequentiell nach dem Empfang der Daten abgearbeitet, nach dem Empfang eines vollständigen Datensatzes, aufgrund einer manuellen Aufforderung, zu bestimmten Zeitpunkten oder nach einem bestimmten Zeitraum. These will be either processed sequentially after the receipt of the data, after receiving a complete data set, due to a manual request, at specific times or after a certain period of time.

Die komprimierten oder nativ abgelegten Daten können nach verschiedenen Kriterien weitergeleitet oder abgerufen werden. The compressed or native stored data can be forwarded or retrieved by different criteria.

Das Problem bei bekannten Verfahren zur Kompression von Bilddaten und anderen Signalen ist der Widerspruch von hohen Kompressionsraten einerseits und hoher Rekonstruktionsqualität andererseits. The problem with the known method of compressing image data and other signals is the contradiction of high compression rates one hand and high reconstruction quality on the other. Die beste Qualität wird durch reversible Kompression unter Ausschluss der Quantisierung erzielt. The best quality is achieved by reversible compression to the exclusion of the quantization. Die Kompressionsraten sind hierbei im Allgemeinen jedoch am geringsten, insbesondere dann, wenn die Daten einen Rauschanteil aufweisen, der zum Beispiel durch das Aufnahmeverfahren bedingt sein kann. However, the compression rates are in this case at least in general, particularly if the data have a noise component that, for example, the recording method can be caused.

Ein weiteres Problem besteht darin, dass für bestimmte Anwendungen (z. B. in der Medizin) irreversible (verlustbehaftete) Codierungsschemata nicht erwünscht oder nicht zulässig sind und damit die erzielbaren Kompressionsraten begrenzt sind. Another problem is that for certain applications (eg. B. medicine) are irreversible (lossy) encoding schemes is not desired or is not allowed, thereby limiting the achievable compression ratios.

Des weiteren ist es in bekannten verlustbehafteten Kompressionssystemen (mit Quantisierung) schwierig, einen optimalen Wert für die Stärke der Irrelevanzreduktion zu finden. Furthermore, it is known lossy compression systems (with quantization) difficult to find an optimal value for the strength of irrelevance. Ursache ist der stark variierende Anteil irrelevanter Informationen. The reason is the highly variable proportion of irrelevant information. Als irrelevant werden alle Signalbestandteile bezeichnet, die für die Auswertung der Daten (z. B. das Betrachten von Bildern) nicht erforderlich sind. All signal components are referred to as irrelevant, are not required for the evaluation of the data (eg. as the viewing of images). Ein moderater Quantisierungsparameter kann zwar für eine bestimmte Klasse von Signalen gute bis sehr gute Rekonstruktionsqualitäten garantieren, verhindert jedoch für Signale mit anderen Eigenschaften eine optimale Kompression. Although a moderate quantization can guarantee good to very good reconstruction quality for a certain class of signals, but prevents for signals with different properties optimal compression. Eine zu starke Quantisierung kann im Gegensatz hierzu eine zu hohe Beeinträchtigung der Qualität bei bestimmten Daten führen. An excessive quantization can cause the contrary, an excessive deterioration of the quality of certain data.

Systeme zur verlustbehafteten und verlustfreien Datenkompression benötigen für die Codierung und Encodierung einen erheblichen Rechen- und damit Zeitaufwand. Systems for lossy and lossless data compression require a significant computational and time spent on coding and encoding. Dieser kann z. This can eg. B. bei großen Bilddatenvolumen im medizinischen Bereich zu teilweise erheblichen unerwünschten Verzögerungen führen. with large volume of image data in the medical field as leading to sometimes considerable unwanted delays.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung, Organisation, Verarbeitung, Übertragung und Archivierung von ein- und mehrdimensionalen, digitalen Daten insbesondere stehender und bewegter Bilddaten. The invention relates to a method for collecting, organizing, processing, transfer and archiving of single- and multi-dimensional digital data, in particular stationary and moving image data.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein- und mehrdimensionale Daten insbesondere Bilddaten wirtschaftlich zu erfassen, zu organisieren, zu verarbeiten, zu übertragen und zu archivieren. The invention is based on the object, on and especially to capture multidimensional data image data economical to organize, process, transmit, and archive. Die Wirtschaftlichkeit ist z. The economy is such. B. durch kurze Prozesszeiten, geringen Speicherplatzbedarf und einfachen Zugriff gekennzeichnet. B., in low memory footprint and easy access by short process times.

Diese Aufgaben werden mit den Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 4 gelöst. These objects are achieved with the method according to claims 1 and 4. FIG.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. The invention is further illustrated by the following examples. Die zugehörigen Figuren zeigen: In the accompanying figures:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines typischen Kompressionssystems, Fig. 1 is a schematic representation of a typical compression system,

Fig. 2: Beispiele für die Kombination von Verarbeitungsmodul und reversibler Kompression zur Verbesserung der Kompressionsleistung Fig. 2: Examples of the combination of processing module and reversible compression to improve the compression performance

Fig. 3: die adaptive Bestimmung von Quantisierungsparameter in verlustbehafteten Kompressionssystemen. Fig. 3: the adaptive determination of quantization parameter in lossy compression systems.

Fig. 4: Flussdiagramm der Datenorganisation FIG. 4 shows the flow chart of Data Organization

Die Lösung der oben genannten Probleme umfasst die Kombination der reversiblen (verlustfreien) Kompression mit einem Verarbeitungsmodul, welches die erreichbaren Kompressionsraten vergrößert ohne relevante Bestandteile des Signals zu verändern, alternativ den Einsatz eines Moduls zur adaptiven Auswahl eines geeigneten Quantisierungsparameters für eine optimale verlustbehaftete (irreversible) Kompression sowie eine strukturierte Pufferung der Eingangsdaten mit prioritätsgesteuerter Abarbeitung. The solution of the above problems comprises the combination of the reversible (lossless) compression with a processing module, which increases without relevant components of the signal to alter the achievable compression ratios, or alternatively the use of a module for adaptive selection of a suitable quantization parameter for optimal lossy (irreversible) compression and a structured buffering the input data with priority controlled execution.

Zunächst wird die Arbeitsweise des Verarbeitungsmoduls für die reversible Kompression erläutert. First, the operation of the processing module for reversible compression is explained.

Ziel der Verarbeitung ist die Aufbereitung der Daten derart, dass eine Erhöhung der anschließenden reversiblen Kompression erreicht werden kann. The aim of processing is the processing of the data such that an increase in the subsequent reversible compression can be achieved. Dies ist aufgrund von in nicht-synthetischen Signalen vorhandenen Irrelevanzen möglich. This is possible due to present in non-synthetic signals irrelevancies. Diese irrelevanten Bestandteile werden im Folgenden als Rauschen bezeichnet. These extraneous components are hereinafter referred to as noise. Um die technische Beschreibung zu vereinfachen, wird der Prozess der Verarbeitung in zwei Teilprozesse unterteilt: To simplify the technical description, the process of processing into two processes is divided:

  • 1. Rauschdetektion: Sie analysiert das Signal hinsichtlich vorhandener Rauschanteile und markiert diese. 1. Noise Detection: It analyzes the signal regarding existing noise components and marks them.
  • 2. Rauscheliminierung: Sie entfernt die markierten Rauschanteile 2. noise elimination: it removes the selected noise components

Die Rauschdetektion kann zum Beispiel durch folgende Operationen durchgeführt werden. The noise detection can be performed, for example by the following operations. Es sei angenommen, dass sich ein vorliegendes Signal S[n, m] aus der tatsächlichen (originalen) Signalinformation S o [n, m] und einem Rauschanteil Z[n, m] zusammensetzt It is assumed that a present signal S [n, m] from the actual (original) signal information S o [n, m] and a noise component Z [n, m] is composed

I[n, m] = I o [n, m] + Z[n, m] I [n, m] = I o [n, m] + Z [n, m]

und das Rauschen nicht impulsartiger Natur ist. and the noise is not impulsive nature. Der Rauschanteil konzentriert sich somit je nach Stärke des Rauschens auf die unteren Bitebenen von S[n, m]. The noise component is thus concentrated, depending on the amount of noise on the lower bit planes of S [n, m]. Aufgabe der Rauschdetektion ist nun, durch geeignete Maßnahmen Bitebenen aufzuspüren, die keine oder nur geringe Korrelation zwischen den Signalwerten erkennen lassen, also keine relevanten Signalinformationen enthalten. The object of the noise detection is now to detect bit planes by appropriate measures, which show little or no correlation between the signal values, ie no relevant signal information.

Die Rauscheliminierung schneidet alle gefundenen, verrauschten Bitebenen ab. The noise eliminating cuts off all found, noisy bit planes. Die tatsächliche, nicht oder nur noch leicht verrauschte Signalinformation bleibt somit vollständig erhalten. The actual, not or only slightly noisy signal information thus remains intact.

In diesem Verarbeitungsbeispiel wird die Kompressionssteigerung durch die Reduktion der Zahl der Bitebenen im originalen Bereich ( Fig. 2, links) bzw. transformierten Bereich ( Fig. 2, rechts) erreicht. In this processing example, the compression will increase by reducing the number of bit-planes in the original area (Fig. 2, left) and transformed domain (Fig. 2, right) achieved.

Das Verarbeitungsmodul für die Optimierung der verlustbehafteten Kompression basiert ebenfalls auf einer Rauschdetektion ( Fig. 3) Dieses Modul steuert die adaptive Auswahl eines geeigneten Quantisierungsparameters. The processing module for optimizing the lossy compression is also based on a noise detection (Fig. 3), this module controls the adaptive selection of an appropriate quantization parameter. Je größer der Anteil an irrelevanten Bestandteilen im Signal ist, desto stärker kann das transformierte (dekorrelierte) Signal quantisiert werden, ohne dass die Rekonstruktionsqualität beeinträchtigt ist. The greater the proportion of irrelevant components in the signal, the more the transformed (decorrelated) signal may be quantized without the reconstruction quality is impaired. Die Rauschdetektion kann zum Beispiel ebenfalls mit dem oben beschriebenen Verfahren durchgeführt werden. The noise detection can be, for example, also be carried out with the method described above.

Gelöst werden die oben angeführten Probleme der Datenorganisation, indem Daten, die von einem Datengeber empfangen werden primär in einem Puffer abgelegt werden ( Fig. 4). Be solved the above mentioned problems of the data organization by data received from a data transmitter be primarily stored in a buffer (Fig. 4). Dieser wird nach Regel (1) nur dann sequentiell abgearbeitet, und es werden diverse Datenverarbeitungen vorgenommen, wenn die Auslastung des EDV-Systems einen bestimmten festgelegten oder errechneten absoluten oder relativen Auslastungswert unterschreitet. This will only be processed sequentially according to rule (1), and there are various data processings carried out when the load on the computer system falls below a certain predetermined or calculated absolute or relative load value. Die Systemauslastung kann durch verschiedene Systemleistungsparameter eines EDV-Systems ermittelt werden wie z. The system load can be determined by various system performance parameters of a computer system such. B. die CPU- und Speichernutzung oder die Nutzung von Peripheriegeräten. As the CPU and memory usage, or the use of peripherals.

Nach Regel (2) können bestimmte Daten eine höhere Priorität in der Abarbeitung erhalten. Under Rule (2) certain data may have a higher priority in the processing. Diese höhere Priorität kann eine höhere Priorität der Reihe sein, dh dass bestimmte Daten in der Abarbeitung des Puffers eine relativ höhere Stellung einnehmen. This higher priority may be a higher priority in turn, means that certain data in the execution of the buffer assume a relatively higher position. Im Extremfall ist eine sofortige Abarbeitung möglich. In extreme cases, immediate execution is possible. Bestimmte Daten stellen eine konkrete oder variable möglicherweise auch verkettete Selektion von Daten nach beliebigen Kriterien dar wie z. Certain data are the concrete or variable possibly linked selection of data by any criteria is such. B. nach dem Ursprung der Daten, dem Datenformat, dem Dateninhaber, dem Datenerzeuger, dem Datenempfänger oder anderen. B. according to the origin of the data, the data format, the data controller, the data generator, the data receiver or other.

Nach Regel (3) können bestimmte Daten, eine höhere Abarbeitungspriorität haben, z. Under Rule (3), certain data have a higher execution priority, z. B. werden diese Daten auch in Zeiträumen mit einer höheren Systemauslastung verarbeitet. B. processed this data in periods with higher system utilization. Im Extremfall ist auch die Abarbeitung bei einer 100%igen Systemauslastung möglich. In extreme cases, the execution with a 100% system utilization is possible.

Besonders vorteilhaft für die Erfindung sind, folgende Punkte: are particularly advantageous for the invention, the following points:
Das Verfahren ist auf sämtlichen Computersystemen einsetzbar. The method can be used on all computer systems.

Das vorgestellte Beispiel zur Rauschdetektion und -elimierung modifiziert die Daten auch bei mehrmaliger Anwendung nur einmal. The presented example for noise detection and -elimierung modifies the data even after repeated application only once. Rauschanteile die einmal entfernt wurden, kön nen nicht ein zweites mal detektiert werden. Noise components that were once removed Kings, not nen a second time are detected.

Eine Adaptation der Kompression an die variierende Charakteristik von Dateninhalten zur weiteren Kompressionsoptimierung ist möglich. An adaptation of the compression of the varying characteristics of data contents for further compression optimization is possible.

Anwendung findet das Verfahren ua in der Telemedizin, in der digitalen radiologischen Bildverarbeitung, in der Bildarchivierung, Videoüberwachung und Videoaufzeichnung. Application, the method is among others in telemedicine, in the digital radiological image processing in the image archiving, video surveillance and video recording.

Claims (7)

1. Verfahren zur Erfassung, Organisation, Verarbeitung, Übertragung und Archivierung von ein- und mehrdimensionalen digitalen Daten insbesondere stehender und bewegter Bilddaten dadurch gekennzeichnet , dass die reversible Kompression mit einem Verarbeitungsmodul kombiniert wird, wobei dieses Modul aus Irrelevanzdetektion und -eliminierung besteht. 1. A method for collecting, organizing, processing, transfer and archiving characterized by single and multi-dimensional digital data, in particular stationary and moving image data that the reversible compression is combined with a processing module, said module consists of Irrelevanzdetektion and elimination.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Irrelevanzdetektion im originalen Datenbereich durchgeführt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the Irrelevanzdetektion is carried out in the original data area.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Irrelevanzeliminierung im originalen oder im transformierten Bereich durchgeführt wird. 3. The method according to claim 1, characterized in that the Irrelevanzeliminierung is carried out in the factory or in the transformed domain.
4. Verfahren zur Erfassung, Organisation, Verarbeitung, Übertragung und Archivierung von ein- und mehrdimensionalen, digitalen Daten insbesondere stehender und bewegter Bilddaten dadurch gekennzeichnet, dass die verlustbehaftete Kompression durch eine Adaptation der Quantisierung, basierend auf einer Irrelevanzdetektion, ergänzt wird. 4. A process for collecting, organizing, processing, transfer and archiving of single- and multi-dimensional digital data, in particular stationary and moving image data characterized in that the lossy compression on a Irrelevanzdetektion, supplemented by an adaptation of the quantization based.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4 insbesondere zur optimierten Erfassung, Organisation, Verarbeitung, Übertragung und Archivierung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenverarbeitung gebunden ist an die Unterschreitung einer bestimmten Systemauslastung. 5. The method of claim 1 or 4, in particular for the optimized collecting, organizing, processing, transfer and archiving, characterized in that a data processing is bound to the undershooting of a particular system usage.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4 insbesondere zur optimierten Erfassung, Organisation, Verarbeitung, Übertragung und Archivierung, dadurch gekennzeichnet, dass bestimmte Daten auch bei anderen Systemauslastungen verarbeitet werden. 6. The method of claim 1 or 4, in particular for the optimized collecting, organizing, processing, transfer and archiving, characterized in that certain data are processed with other system loads.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4 insbesondere zur optimierten Erfassung, Organisation, Verarbeitung, Übertragung und Archivierung, dadurch gekennzeichnet, dass bestimmte Daten in einer anderen Priorität abgearbeitet werden. 7. The method of claim 1 or 4, in particular for the optimized collecting, organizing, processing, transmission and archiving, characterized that certain data be processed in a different priority.
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