JP2005252556A - 注目画素値選択型符号化装置および復号装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高階調CT画像のビット精度を落とすことなく、また注目画素のみを画像符号化することができる注目画素値選択型符号化装置を提供することにある。
【解決手段】 画像データの各画素に対して画素値がある範囲内に存在するかどうかを判定し、該範囲内の画素に対してのみ高精度の符号化を行い、範囲外の画素に対しては低い精度の符号化を行うようにした。すなわち、LOI判定部１は、画像データａからLOIウィンドウに含まれる注目画素を決定し、部分量子化部２は、該LOIウィンドウに含まれると判定された画素に対しては高精度の量子化、それ以外の画素には荒い量子化を行う。量子化により得られた量子化変換係数ｂは、エントロピー符号化部３において符号化される。ファイル生成部４は、該符号化ビット列ｃをマスク情報および量子化比率とともにファイル化し、符号化ファイルｄとして出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明はディジタル画像処理の分野に属し、特にCT画像の効率符号化を実現するのに好適な注目画素値選択型の符号化装置および復号装置に関するものである。

CT画像データでは、画素値が放射線の吸収係数を表しているため、部位や臓器により、画素値がある程度決まっている。CT画像を用いて画像診断する際は、医師が注目する部位や臓器を読み取るために、特定のCT値を持つ部分のみが輝度階調を持って表示されるようビューアにて画素値から表示輝度値への階調変換を行って表示する。一般の表示系の輝度階調は１コンポーネントあたり８bit精度なので、１６または１２bitのCT値を８bitに階調変換して表示することになる。

一般に下記の式(1)により画素データ中の画素値ｐ（ｘ、ｙ）と表示輝度値Ｉ（ｘ、ｙ）とを線形的に対応付けて表示を行う。ある画素の画素値があるウィンドウ（以降「表示ウィンドウ」とする）内に入る場合のみ、８bitの輝度階調を持って表示される。
Ｉ（ｘ、ｙ）＝０ ：ｐ（ｘ、ｙ）≦ｗ_ｍｉｎ
＝２５５（ｐ（ｘ、ｙ）−ｗ_ｍｉｎ）／（ｗ_ｍａｘ−ｗ_ｍｉｎ）
：ｗ_ｍｉｎ≦ｐ（ｘ、ｙ）＜ｗ_ｍａｘ
＝２５５ ：ｗ_ｍａｘ＜ｐ（ｘ、ｙ）
・・・・・・・・式(1)

一般に上記表示ウィンドウはウィンドウの幅Ｗ（＞０）とウィンドウ中心Ｌで表され、ウィンドウの上限および下限はそれぞれ、ｗ_ｍｉｎ＝Ｌ−Ｗ／２，ｗ_ｍａｘ＝Ｌ＋Ｗ／２として計算される。図１３に、式(1)により決定される画素値と表示輝度値の関係を示す。また、撮影された画像はある程度注目する臓器が決まっているため、注目する画素値のウィンドウをある程度特定することが可能である。

なお、信号を変換係数に分解し、送信する変換データと送信しない変換データとを区別するためのマスクデータを作ること、および該変換係数を階層的に順序付けるようにすることが、特許文献１に開示されている。

また、ROIを包含する領域の画像をその周囲の画像より高画質に符号化する画像処理装置は、特許文献２に開示されている。
特表２００１−５１３６０８号公報 特開２００２−１３５７８２号公報

一方、CTは一度の撮影で発生する画像の数が大量であり、蓄積や伝送を考えた場合、現在の符号化方式よりもより高効率な符号化が望まれている。画像中の特定部位など、画像診断の際に重要となる部分を優先的に符号化するROI（Region of Interest)という考え方がある。このROIの問題は、該ROIをどのように特定するかということである。

これに対しては医師が自ら指定する方法や画像自動認識技術を利用するなどの方法が考えられるが、画像の空間的な領域を選択する以上、領域特定方法の精度の問題がある。すなわち、該ROIの中には、画像診断には必要のない部分がある程度の割合で含まれることになる。

一方、符号化効率の改善を目的として、医師が画像診断の際に用いた、ビット精度を８bitに落とした表示階調画像のみを符号化、保存しておくことで、蓄積量を大幅に低減できることが予想できる。しかしこのような手法では、符号化画像は固定階調でしか復号表示できないため、後日別の医師が階調を変換して表示したいというニーズに対応できない。また、当然完全にもとのビット精度（１２または１６ビット）の画像に戻すことは不可能である。

本発明は、前記した従来技術に鑑みてなされたものであり、その目的は、必要のある画素に対してのみ高精度の符号化を行うことができ、蓄積量を低減できる注目画素値選択型符号化装置を提供することにある。また、他の目的は、高階調CT画像のビット精度を落とすことなく画像符号化を行うことができる注目画素値選択型符号化装置を提供することにある。また、他の目的は、該符号化装置で符号化されたデータを元のビット精度まで戻すことができる復号装置を提供することにある。

前記した目的を達成するために、本発明は、注目画素値選択型符号化装置において、画像データの各画素に対して画素値がある範囲内に存在するかどうかを判定し、該範囲内の画素に対してのみ高精度の符号化を行い、範囲外の画素に対しては低い精度の符号化を行うようにした点に第１の特徴がある。

また、本発明は、画像データの各画素に対して画素値がある範囲内に存在するかどうかを判定する注目画素値判定部と、該注目画素値判定部により作成されたマスク情報をもとに選択された特定の画素に、指定された量子化比率に基づく精度の量子化を行う部分量子化部と、該部分量子化部より得られた量子化変換係数を符号化するエントロピー符号化部と、該エントロピー符号化部により符号化されたデータ、前記マスク情報および量子化比率を含むデータをファイル化するファイル生成部とを具備した点に第２の特徴がある。

また、さらに、画像データの画素の配列に対して周波数変換を施す周波数変換部と、該注目画素値判定部により作成されたマスク情報に対して、前記周波数変換と同様の周波数変換を施す形状変換部と、該周波数変換されたマスク情報をもとに、前記周波数変換部から出力された変換係数のうちの選択された係数に、指定された量子化比率に基づく精度の量子化を行う部分量子化部とを具備した点に第３の特徴がある。

また、前記周波数変換されたマスク情報をもとに、前記量子化部から出力された量子化変換係数のうちの選択された特定の係数を重要ビット側にシフトする部分シフト部と、符号化の対象となる量子化変換係数群をビットプレーンに分割し、該ビットプレーンをさらに細かく分割して階層的に符号器を行うビットプレーン符号化部とを備えた点に第４の特徴がある。

また、前記部分シフト部は、前記選択された係数のシフト量を、本来の係数のダイナミックレンジ以上の値とし、前記ファイル生成部がファイル化するデータには、前記マスク情報を含まないようにした点に第５の特徴がある。

さらに、復号装置において、符号化ビット列をビットプレーン復号するビットプレーン復号部と、該ビットプレーン復号部により再生された量子化変換係数より、形状変換マスクを再生する形状変換マスク再生部と、該形状変換マスク再生部により再生された形状変換マスクを用いて、特定された係数の逆シフトを行う逆部分シフト部とを具備した点に第６の特徴がある。

請求項１〜５の発明によれば、例えば画像診断などに必要のある部分（例えば、骨や臓器など）の画素に対してのみ高精度の符号化を行うことができるようになる。換言すれば、例えば画像診断などに必要のない部分（例えば、骨や臓器などの周辺部分）の画素に対しては、完全に高精度の符号化は行われなくなる。このため、高効率な符号化が実現される。また、該高精度の符号化を、高階調CT画像のLOI内部の画素を高品質に保ったまま行うことができるようになる。

また、画素に対しては高精度の符号化、それ以外の画素に関しては高圧縮の符号化を行うことにより、注目表示ウィンドウの画質を落とすことなく圧縮データサイズを小さくし、全体として符号化効率を改善することができる。

また、画像診断の際に重要となる部分等の必要な注目画素のみを、優先的に高精度の符号化ができ、必要のない部分は一切高精度の符号化はされなくなる。

また、請求項６，７の発明によれば、形状変換マスクを自分自身で再生することができる。

以下に、本発明を図面を参照して説明する。本発明は、従来のROIのように特定の領域に存在する画素を優先的に高精度で符号化するのではなく、特定の画素値または輝度を有する画素を優先的に高精度で符号化するLOI（LOI；Level of Interest）という全く新しい考え方を提案するものである。なお、該LOIは、特定の“輝度範囲”を意味する。

図１は、本発明の第１実施形態の注目画素値領域選択型符号化装置（以下、LOI符号化器と記す）の要部の構成を示すブロック図である。

注目画素値判定部（以下、LOI判定部と記す）１には、幅W、中心画素値Lが入力され、LOIウィンドウが形成される。また、部分量子化部２およびファイル生成部４には、量子化比率が設定される。

CT画像データａが入力してくると、該画像データａはLOI判定部１および部分量子化部２に入力する。LOI判定部１は、該画像データａからLOIウィンドウに含まれる注目画素を決定する。ここでは、下式によりLOIウィンドウに含まれる画素の位置（ｘ、ｙ）を表すLOIマスク情報Ｍ（ｘ、ｙ）が作成される。
Ｍ（ｘ、ｙ）＝１ ：ｗ_ｍｉｎ≦ｐ（ｘ、ｙ）≦ｗ_ｍａｘ
＝０ ：上記以外
上記マスク情報Ｍ（ｘ、ｙ）は部分量子化部に送られる。

前記部分量子化部２は、該マスク情報Ｍ（ｘ、ｙ）によりLOIウィンドウに含まれると判定された画素に対しては高精度の量子化、それ以外の画素には荒い量子化を行う。このため、ROIの中には画像診断には必要のない部分が全く含まれないことになる。

この量子化の度合いは、外部から量子化比率として入力が可能である。例えば、前記量子化比率を（２／４）にして、LOIウィンドウに含まれると判定された画素ｑに対しては量子化ステップ幅を小さく、逆に含まれないと判定された画素ｒに対しては量子化ステップ幅を大きく（例えば、２倍に）する。これにより、例えば前記画素ｑに対しては、画素ｒに対して行う量子化よりも２倍精度の高い量子化を行うことができるようになる。このため、LOIウィンドウに含まれる画素ｑは、高階調CT画像の高品質を保ったまま量子化される。なお、前記LOIマスクを上式のように2値ではなく、3値以上にすることにより（図２参照）、多段階の量子化精度を設定することも可能となる。

量子化により得られた量子化変換係数ｂは、エントロピー符号化部３において符号化される。該エントロピー符号化部３から出力された符号化ビット列ｃは、ファイル生成部４に送られる。該ファイル生成部４は、該符号化ビット列ｃをマスク情報および量子化比率とともにファイル化し、符号化ファイルｄとして出力する。

この符号化ファイルを保存しておくことで、蓄積量を大幅に低減できる。また、後述の復号器（図３）で復号すると、注目領域（LOI）の画像に対しては元のビット精度の画像にまで、完全に戻すことができるようになる。後述する各実施形態のLOI符号化器においても同様である。

次に、前記LOI符号化器により作成された符号化ファイルｄを復号する復号器（以下、LOI復号器と記す）の構成を図３を参照して説明する。

ファイル解析部５は、符号化ファイルｄを解析してマスク情報、量子化比率および符号化ビット列ｃを抽出する。符号化ビット列ｃはエントロピー復号部６にて復号され量子化変換係数ｂが得られる。部分逆量子化部７は、マスク情報をもとにLOIウィンドウに含まれる画素かそうでないかを判定し、LOIウィンドウ内の画素の場合、LOIウィンドウ外の画素の場合、それぞれにおいて適切な量子化ステップを用いて逆量子化する。

以上により、LOIウィンドウに含まれる画素は高階調CT画像のLOI内部の画素は高精度、含まれない画素は低い精度で量子化された画像ｅが再生される。

次に、本発明の第２実施形態を、図４、図５および図６を参照して説明する。この実施形態は、LOI符号化器が、ウェーブレット変換などの周波数変換を用いた符号化に適用したものである点に特徴がある。なお、これらの図において、図１および図３と同一または同等物には同じ符号が付されている。

LOI判定部１においては、第１実施形態で説明したと同様のLOIマスク情報が作成される。画像データａは符号化される前に周波数変換部１１にて周波数変換され、変換係数ｆとなる。形状変換部１２は、LOIマスク情報に対して、前記と同様の周波数変換を行い、どの変換係数ｆがLOIウィンドウに含まれる画素と関連するかを示す、変換係数領域でのLOIマスク（以下、形状変換マスクと記す）を作成する。形状変換マスク作成の様子を図５に示す。いま、前記LOI判定部１で作成されたマスク情報が符号１３を付したもの（例えば、黒で塗りつぶされたｋの部分が１、それ以外は０）であるとすると、前記形状変換部１２で形状変換された形状変換マスクは符号１４を付されたもののようになる。

部分量子化部２は、この形状変換マスクを用いて、第１実施形態で説明したのと同様の部分量子化処理を行う。該部分量子化部２、エントロピー符号化部３およびファイル生成部４の処理は、第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。このため、LOIウィンドウに含まれる画素は、高階調CT画像の高品質を保ったまま符号化される。

図６は、図４のLOI符号化器により生成された符号化ファイルを復号するための、LOI復号器の構成を示す。LOI復号器のファイル解析部５，エントロピー復号部６および部分逆量子化部７の動作は、図３の動作と同一または同等であるので説明を省略する。本実施形態では、部分逆量子化部７が形状変換後マスク情報、量子化比率に基づいて量子化変換係数ｂを部分逆量子化し、変換係数ｆを再生する。逆変換部８は、該変換係数ｆを逆変換して画像ｅを再生する。

この実施形態においても、第１実施形態と同様に、LOIウィンドウに含まれる画素（例えば、図５のｋに含まれる画素）は高精度、含まれない画素は低精度の画像ｅが再生される。

次に、本発明の第３実施形態を、図７、図８および図９を参照して説明する。この実施形態は、エントロピー符号化器としてビットプレーン符号化器２３を用い、部分的な量子化精度の制御を係数のビットシフトで実現した点に特徴がある。なお、これらの図において、図４および図６と同一または同等物には、同じ符号が付されている。

LOI判定部１には、幅W、中心画素値Lが入力され、部分シフト部２２，ファイル生成部４には、シフト量が外部から設定される。また、周波数変換部１１，LOI判定部１および形状変換部１２は、図４で説明したのと同様の動作を行うので、説明を省略する。

該周波数変換部１１により得られた変換係数ｆは、量子化部２１にて通常の手法で量子化される。これにより量子化変換係数ｂが得られ、形状変換マスクを用いて特定された量子化変換係数のみ、部分シフト部２２にて重要ビット側にシフト、例えばシフトアップされる。これにより、後段のビットプレーン符号化部２３において、該シフトアップされた量子化係数が優先的に符号化されることとなる。このビットシフトの様子を図８に示す。図８に示されているように、前記形状変換マスクに含まれる量子化変換係数１５（斜線で塗りつぶした部分）が、符号１６に示されているようにシフトアップされる。

次に、ビットプレーン符号化部２３は、上位ビットから下位ビットに向けて符号化を行う。外部からレート指定２４があった場合には、生成された符号が指定されたビット量に達した時点で符号の生成を打ち切る。このため、重要な画像に対しては高ビットの符号化ができ、逆に重要でない画像に対しては符号の生成を打ち切ることができるので、効率的な符号化をすることができる。このため、LOIに含まれる画素は、LOIに含まれない画素に比べて高精度に符号化される。生成された符号化ビット列ｃは形状変換マスク情報およびシフト量とともに、ファイル生成部４にてファイル化される。

次に、図９を参照して、LOI復号器の構成と動作を説明する。なお、図６と同一または同等物には、同じ符号が付されている。

ファイル解析部５において符号化ファイルｄを解析し、形状変換後マスク情報、シフト量および符号化ビット列ｃを抽出する。符号化ビット列ｃはビットプレーン復号部２５にて復号され、量子化変換係数ｂが得られる。ビットプレーン復号部２５では、外部からレート２６を指定することにより、指定されたビット量だけビット列を復号した時点で復号を打ち切ることが可能である。

逆部分シフト部２７において、前記形状変換後マスク情報をもとにLOIウィンドウに含まれる係数かそうでないかが判定され、LOIウィンドウ内の係数の場合、シフト量だけ係数がシフトダウンされる。すなわち、図８において、量子化変換係数１６が、符号１５へシフトダウンされる。その後、逆量子化部２８で逆量子化、逆変換部８で逆変換が行なわれ、画像ｅが再生される。

この実施形態においても、第１、第２実施形態と同様に、LOIウィンドウに含まれる画素はシフトアップされ例えば１６ビットで符号化、および復号されるので、高精度で再生され、また含まれない画素は低い精度で再生される。

また、本実施形態は、符号化されたビットストリームの前方から後方へ順次復号していく段階で、 LOIに含まれる画素から優先的に高品質に再生されるようなビットストリームを生成する階層符号化機能を有している。また、図９の復号器は、ビットプレーン復号部を有しているので、復号を途中でうちきることにより、LOIに含まれる画素だけを再生させることが可能となる。

次に、本発明の第４実施形態を、図１０、図１１および図１２を参照して説明する。この実施形態のLOI符号化器は、部分シフト部２２でのシフト量を量子化係数のダイナミックレンジ以上にすることで形状変換マスクの情報を復号器側に送ることなく復号できるようにした点に特徴がある。

すなわち、部分シフト部２２では、図１１に示されているように、シフト量を量子化係数のダイナミックレンジ以上にする最大部分シフト法により、特定の係数、例えば形状変換マスクを用いて特定された量子化変換係数３１（斜線で塗りつぶした部分）をダイナミックレンジ以上の符号３２へシフトアップする。ファイル生成部４は、符号化ビット列ｃとシフト量とを共にファイル化するが、形状変換マスク情報は符号化ファイルには含まれない。なお、上記以外の点は、図７の動作と同じであるので、説明を省略する。

次に、図１０のLOI符号化器４により生成された符号化ファイルを復号するためのLOI復号器の構成と動作を、図１２を参照して説明する。

ファイル解析部５において符号化ファイルを解析し、シフト量および符号化ビット列ｃを抽出する。符号化ビット列ｃはビットプレーン復号部２５にて復号され、量子化変換係数ｂが得られる。ビットプレーン復号部２５では、図９でのそれと同様、外部からレート２６を指定することにより、指定されたビット量だけビット列を復号した時点で復号を打ち切ることが可能である。

形状変換マスク再生部４１では、LOI復号された量子化係数から形状変換マスクを再生する。この再生は、シフトアップされていない本来の量子化係数のダイナミックレンジのビット数をBとすると、復号された量子化係数のうち上位Bビットが有意である係数が存在する部分が形状変換LOIマスクであることから行うことができる。逆部分シフト部２７では、該形状変換マスクにより特定された係数をシフトダウンする。すなわち、図１１の逆シフトをする。その後の手順は、図９と同じであるので説明を省略する。

本実施形態においても、前記第３実施形態と同様に、符号化されたビットストリームの前方から後方へ順次復号していく段階で、 LOIに含まれる画素から優先的に高品質に再生されるようなビットストリームを生成する階層符号化機能を有している。また、図１２の復号器は、ビットプレーン復号部を有しているので、復号を途中で打ち切ることにより、LOIに含まれる画素だけを再生させることが可能となる。

さらに、形状変換マスク情報を復号器側に送る必要がないので、符号化器から復号器に送るデータ量を低減することができる。

本発明の第１実施形態のLOI符号化装置の構成を示すブロック図である。 LOI判定部が作成するマスク情報の一例の説明図である。 第１実施形態に対応する復号装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態のLOI符号化装置の構成を示すブロック図である。 形状変換部が作成する形状変換マスク情報の一例の説明図である。 第２実施形態に対応する復号装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態のLOI符号化装置の構成を示すブロック図である。 部分シフト部の動作の説明図である。 第３実施形態に対応する復号装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第４実施形態のLOI符号化装置の構成を示すブロック図である。 部分シフト部の動作の説明図である。 第４実施形態に対応する復号装置の構成を示すブロック図である。 表示ウィンドウの説明図である。

符号の説明

１・・・LOI判定部、２・・・部分量子化部、３・・・エントロピー符号化部、４・・・ファイル生成部、１１・・・周波数変換部、１２・・・形状変換部、２１・・・量子化部、
２２・・・部分シフト部、２３・・・ビットプレーン符号化部、２５・・・ビットプレーン復号部、２７・・・逆部分シフト部、４１・・・形状変換マスク再生部。

Claims (7)

1. 画像データの各画素に対して画素値がある範囲内に存在するかどうかを判定し、該範囲内の画素に対してのみ高精度の符号化を行い、範囲外の画素に対しては低い精度の符号化を行うようにしたことを特徴とする注目画素値選択型符号化装置。
2. 画像データの各画素に対して画素値がある範囲内に存在するかどうかを判定する注目画素値判定部と、
   該注目画素値判定部により作成されたマスク情報をもとに選択された特定の画素に、指定された量子化比率に基づく精度の量子化を行う部分量子化部と、
   該部分量子化部より得られた量子化変換係数を符号化するエントロピー符号化部と、
   該エントロピー符号化部により符号化されたデータ、前記マスク情報および量子化比率を含むデータをファイル化するファイル生成部とを具備したことを特徴とする注目画素値選択型符号化装置。
3. 画像データの画素の配列に対して周波数変換を施す周波数変換部と、
   該画像データの各画素に対して画素値がある範囲内に存在するかどうかを判定する注目画素値判定部と、
   該注目画素値判定部により作成されたマスク情報に対して、前記周波数変換と同様の周波数変換を施す形状変換部と、
   前記周波数変換されたマスク情報をもとに、前記周波数変換部から出力された変換係数のうちの選択された係数に、指定された量子化比率に基づく精度の量子化を行う部分量子化部と、
   該部分量子化部より得られた量子化変換係数を符号化するエントロピー符号化部と、
   該エントロピー符号化部により符号化されたデータ、前記周波数変換されたマスク情報および前記量子化比率を含むデータをファイル化するファイル生成部とを具備したことを特徴とする注目画素値選択型符号化装置。
4. 画像データの画素の配列に対して周波数変換を施す周波数変換部と、
   該周波数変換部から出力された変換係数を量子化する量子化部と、
   該画像データの各画素に対して画素値がある範囲内に存在するかどうかを判定する注目画素値判定部と、
   該注目画素値判定部により作成されたマスク情報に対して、前記周波数変換と同様の周波数変換を施す形状変換部と、
   前記周波数変換されたマスク情報をもとに、前記量子化部から出力された量子化変換係数のうちの選択された特定の係数を重要ビット側にシフトする部分シフト部と、
   符号化の対象となる量子化変換係数群をビットプレーンに分割し、該ビットプレーンをさらに細かく分割して階層的に符号器を行うビットプレーン符号化部と、
   前記ビットプレーン符号化部により符号化されたデータ、前記周波数変換されたマスク情報およびシフト量を含むデータをファイル化するファイル生成部とを具備し、
   前記ビットプレーン符号化部は、ビットプレーン符号化の際に外部から指定された符号量とほぼ等しい大きさの符号を生成することを特徴とする注目画素値選択型符号化装置。
5. 前記部分シフト部は、前記選択された係数のシフト量を、本来の係数のダイナミックレンジ以上の値とし、
   前記ファイル生成部がファイル化するデータには、前記マスク情報を含まないことを特徴とする請求項３に記載の注目画素値選択型符号化装置。
6. 請求項５の注目画素値選択型符号化装置からのファイル化された符号化データを復号する復号装置であって、
   前記ファイル化された符号化データを解析し、符号化ビット列とシフト量を得るファイル解析部と、
   前記符号化ビット列をビットプレーン復号するビットプレーン復号部と、
   該ビットプレーン復号部により再生された量子化変換係数より、形状変換マスクを再生する形状変換マスク再生部と、
   該形状変換マスク再生部により再生された形状変換マスクを用いて、特定された係数の逆シフトを行う逆部分シフト部と、
   該逆部分シフト部で得られた量子化変換係数を逆量子化する逆量子化部と、
   該逆量子化部で得られた変換係数を逆変換して画像を再生する逆変換部とを具備したことを特徴とする復号装置。
7. 前記ビットプレーン復号部は、ビットプレーン復号の際に外部から指定された符号量とほぼ等しい大きさの符号を復号することを特徴とする請求項６に記載の復号装置。
   

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