JP2014212374A - 画像符号化装置、画像符号化方法、画像符号化プログラムおよび記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】ＲＯＩ符号化を行う場合に、興味領域の符号化効率を向上させることができるようにする。【解決手段】特定の興味領域内の画素値を興味領域外に対称的に複製する対称拡張部１と、複製された興味領域外の画素値も含めて、興味領域内の各注目画素およびその周辺画素の画素値を用いたフィルタリング処理により各注目画素のウェーブレット係数を算出するウェーブレット変換部２と、興味領域内のウェーブレット係数を符号化する符号化処理部４とを備え、興味領域外に複製した画素値が興味領域内に織り込まれる形で興味領域内のウェーブレット係数を算出し、興味領域内のウェーブレット係数のみを対象として興味領域の符号化を行うようにすることにより、興味領域の符号化および復号に必要な画素数を興味領域の画素数と完全に一致させ、非興味領域を含めた広い範囲を対象として符号化を行う必要をなくす。【選択図】図１

Description

本発明は、画像符号化装置、画像符号化方法、画像符号化プログラムおよび記録媒体に関し、特に、画像中の特定の興味領域を符号化する技術に関するものである。

近年、画像に対する高精細化の要求がますます高まってきており、画像を構成する画素数は増加傾向の一途にある。一方で、こうした高精細画像のデータ量を減らして取り扱いを容易にするために、画像を圧縮することが行われている。画像圧縮のアルゴリズムとしては、現在のところ、JPEG（Joint Photographic Experts Group）が最も広く使われている。また、２００１年に国際標準となったJPEG2000も広く使われている。

JPEGとJPEG2000とを比較して最も大きく異なる点の１つは、変換方法である。すなわち、JPEGは離散コサイン変換（ＤＣＴ：Discrete Cosine Transform）を用い、JPEG2000は離散ウェーブレット変換（ＤＷＴ：Discrete Wavelet Transform）を用いている。ＤＷＴはＤＣＴに比べて、高圧縮領域における画質が良いという特徴を有している。

また、JPEG2000には、画像中の特定の興味領域について復号品質を調整する方法として、ＲＯＩ（region of interest）符号化が採用されている。具体的には、図７に示すように、興味領域ではビットシフトを行うことによって階調数を上げた状態で高品質の符号化を行う。例えば、医用画像においては、診断にとって背景は不要となる場合があるため、診断にとって必要な部分だけを興味領域としてＲＯＩ符号化することにより、データ量を削減することが可能である。

しかしながら、ウェーブレット変換を伴うＲＯＩ符号化では、興味領域の境界付近において、その周囲に位置する非興味領域の画素にも、ウェーブレット変換によるフィルタリング処理の影響が波及する。そのため、興味領域の境界付近では、興味領域の外側も含めた広い範囲の画素を対象として画像データを符号化する必要があった。このため、興味領域の個数が増加するに従って符号化効率の低下を招くという問題があった。

図８は、この問題点を模式的に示す図である。図８（ａ）は、興味領域１０１内の画素とその周辺領域（非興味領域）１０２の画素とを一部取り出した状態を示している。図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す画素値に対してウェーブレット変換のフィルタリング処理を行った結果を示している。ここで示したフィルタリング処理は、注目画素およびその隣接画素を含む３画素における画素値の平均値を計算するものである。

例えば、興味領域１０１の真ん中の画素を注目画素とした場合、元の画素値“１１９”はフィルタリング処理によって“１２０”（＝（１２０＋１１９＋１２１）／３）というウェーブレット係数となる。同様に、非興味領域１０２の左端の画素（興味領域１０１に隣接している画素）を注目画素とした場合、元の画素値“０”はフィルタリング処理によって“４０．３”（＝（１２１＋０＋０）／３）というウェーブレット係数となる。

このように、興味領域１０１の境界付近では、その周囲にある非興味領域１０２の画素にもフィルタリング処理の影響が波及する。なお、ここでは説明を簡略化するために３画素の平均値を計算する例を示したが、実際にはこれより多くの画素を用いてフィルタリング処理を行っているため、フィルタリング処理の影響が及ぶ非興味領域１０２の範囲は広くなる。ＲＯＩ符号化では、興味領域１０１だけでなく、その外側の非興味領域１０２でフィルタリング処理の影響が及ぶ領域も含めた広い範囲を対象として符号化しなければならないため、その分だけ符号化効率の低下を招いている。

なお、JPEG2000のウェーブレットフィルタとして可逆ウェーブレットフィルタを用いる場合に、注目するタイルにおいてミラーリング法を用いた画素拡張を行い、その結果に対して可逆ウェーブレット変換を行うようにした技術が知られている（例えば、特許文献１の図２６参照）。この方法を用いることにより、タイル内の全ての画素について、圧縮・伸長処理後の画素値を原画像の画素値と完全に一致させることができる。

特開２００２−３６９２０２号公報

上記特許文献１に記載の技術では、圧縮・伸長した画像について原画像の再現性を向上させることができる。しかしながら、興味領域の符号化効率の低下を解消するための手段は提供していない。

本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、ウェーブレット変換を伴うＲＯＩ符号化を行う場合に、興味領域の符号化効率を向上させることができるようにすることを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明では、画像中の特定の興味領域内の画素値を、興味領域と非興味領域との境界に当たる画素位置を軸として対称的に興味領域外に複製する。そして、興味領域内の画素値および複製された興味領域外の画素値を含めて、興味領域内の各注目画素およびその周辺画素の画素値を用いたフィルタリング処理により各注目画素のウェーブレット係数を算出する。その後、興味領域内のウェーブレット係数についてビットシフトを行い、ビットシフトされた興味領域内のウェーブレット係数のみを対象として興味領域の符号化を行うようにしている。

上記のように構成した本発明によれば、対称拡張によって興味領域外に複製された画素値が興味領域内に織り込まれる形で興味領域内のウェーブレット係数が算出され、興味領域内のウェーブレット係数のみを対象として興味領域の符号化が行われる。興味領域内のウェーブレット係数のみを対象として符号化しても、興味領域外の画素値は興味領域内のウェーブレット係数に織り込み済みなので、復号後に元の画素値を再構成することが可能である。

したがって、興味領域の符号化および復号に必要な画素数は、興味領域の画素数と完全に一致し、非興味領域を含めた広い範囲を対象として符号化を行う必要がなくなる。これにより、興味領域の符号化効率を向上させることができる。画像内の興味領域の数が多くなるほど符号化効率の向上効果は大きくなり、画像の圧縮率を格段に向上させることができる。

本実施形態による画像符号化装置の機能構成例を示すブロック図である。 本実施形態による対称拡張部の処理内容を説明するための図である。 本実施形態による対称拡張部の処理内容を説明するための図である。 本実施形態によるウェーブレット変換部の処理内容を説明するための図である。 本実施形態によるビットシフト部の処理内容を説明するための図である。 本実施形態による画像復号装置の機能構成例を示すブロック図である。 ＲＯＩ符号化によるビットシフトを説明するための図である。 従来の問題点を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態による画像符号化装置の機能構成例を示すブロック図である。本実施形態の画像符号化装置は、JPEG2000のように画像に対してウェーブレット変換を伴うＲＯＩ符号化を行うものであって、その機能構成として、対称拡張部１、ウェーブレット変換部２、ビットシフト部３および符号化処理部４を備えている。

上記各機能ブロック１〜４は、ハードウェア、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ソフトウェアの何れによっても構成することが可能である。例えばソフトウェアによって構成する場合、上記各機能ブロック１〜４は、実際にはコンピュータのＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えて構成され、ＲＡＭやＲＯＭ、ハードディスクまたは半導体メモリ等の記録媒体に記憶された画像符号化プログラムが動作することによって実現される。

したがって、上記各機能ブロック１〜４の機能は、画像符号化プログラムを例えばＣＤ−ＲＯＭのような記録媒体に記録し、コンピュータに読み込ませることによって実現できるものである。画像符号化プログラムを記録する記録媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭ以外に、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、光ディスク、光磁気ディスク、ＤＶＤ、不揮発性メモリカード等を用いることができる。また、画像符号化プログラムをインターネット等のネットワークを介してコンピュータにダウンロードすることによっても実現できる。

対称拡張部１は、 画像中の特定の興味領域内の画素値を、興味領域と非興味領域との境界に当たる画素位置を軸として対称的に興味領域外に複製する。図２および図３は、この対称拡張部１の処理内容を説明するための図である。図２において、１０は画像全体を示し、１１は当該画像１０の中に特定した任意の興味領域１１を示している。なお、ここでは説明の簡便のため、興味領域１１を１つのみ示しているが、複数あってもよい。

図３（ａ）は、興味領域１１内の画素とその周辺領域（非興味領域）１２の画素とを一部取り出した状態を示している。図３（ｂ）は、興味領域１１内の画素値を非興味領域１２に複製（対称拡張）した状態を示している。すなわち、興味領域１１と非興味領域１２との境界に当たる画素位置１１_-0を対称軸として、その１つ左側にある興味領域１１内の画素位置１１_-1の画素値“１１９”を、境界から１つ右側にある非興味領域１２内の画素位置１２_-1に複製している。

ウェーブレット変換部２は、興味領域１１内の画素値および対称拡張部１により複製された非興味領域１２の画素値を含めて、興味領域１１内の各注目画素およびその周辺画素の画素値を用いたフィルタリング処理により各注目画素のウェーブレット係数を算出する。図４は、このウェーブレット変換部２の処理内容を説明するための図である。なお、図４（ａ）は、対称拡張部１による処理結果を示しており、図３（ｂ）と同じ内容になっている。

図４（ｂ）は、図４（ａ）のように対称拡張した画素値に対してフィルタリング処理を行った結果を示している。ここで示したフィルタリング処理は、注目画素およびその隣接画素を含む３画素における画素値の平均値を計算するものである。例えば、興味領域１１の真ん中の画素位置１１_-1を注目画素とした場合、元の画素値“１１９”はフィルタリング処理によって“１２０”（＝（１２０＋１１９＋１２１）／３）というウェーブレット係数となる。また、興味領域１１の一番右端の画素位置１１_-0を注目画素とした場合、元の画素値“１２１”はフィルタリング処理によって“１１９．７”（＝（１１９＋１２１＋１１９）／３）というウェーブレット係数となる。

このようなフィルタリング処理により、非興味領域１２の画素位置１２_-1に対称拡張された画素値“１１９”は、興味領域１１内の画素位置１１_-0のウェーブレット係数に織り込まれる。そこで、興味領域１１に対してＲＯＩ符号化を行う際に、画素値を対称拡張した非興味領域１２の画素位置１２_-1におけるウェーブレット係数は“０”とする。すなわち、興味領域１１以外の非興味領域１２については注目画素を設定したフィルタリング処理を行わず、ウェーブレット係数の値を“０”とする。

なお、ここではフィルタリング処理として３画素の平均値を計算する例を示したが、これは説明を簡略化するために示したものであり、本発明はこの例に限定されない。すなわち、演算内容は平均値処理でなくてもよいし、演算対象とする画素数は３画素より多くてもよい。ウェーブレットフィルタのフィルタ長に応じて、対称拡張部１において対称拡張する画素数も増える。

ビットシフト部３は、ウェーブレット変換部２により算出された興味領域１１内のウェーブレット係数についてビットシフトを行う。図５は、ビットシフト部３の処理内容を説明するための図である。本実施形態の例としては、図５に示すように、興味領域１１の各画素のウェーブレット係数を非興味領域１２のＭＳＢまでビットシフトする。なお、本発明のビットシフトは必ずしもＭＳＢまで行う必要はなく、任意のシフト量でもよい。

興味領域１１においてビットシフトを行うのは、階調数を上げた状態で興味領域１１においては上位ビットを優先的に符号化することで圧縮の品質（復号したした場合の元画像への再現性）を高めるとともに、非興味領域１２においては下位ビットを符号化することによって画像全体の圧縮率を高くするためである。

符号化処理部４は、ビットシフト部３によりビットシフトされた興味領域１１内のウェーブレット係数をＲＯＩ符号化する。上述のように、本実施形態では、対称拡張によって非興味領域１２に複製された画素値が興味領域１１内に織り込まれる形で興味領域１１内のウェーブレット係数が算出され、非興味領域１２についてはウェーブレット係数の値が“０”とされている。よって、符号化処理部４は、興味領域１１についてＲＯＩ符号化を行う際に、興味領域１１内のウェーブレット係数のみを対象として符号化を行えばよい。すなわち、興味領域１１の外側まで範囲を広げてＲＯＩ符号化を行う必要がなく、興味領域１１の符号化効率を上げることができる。

このとき符号化処理部４は、興味領域１１内のウェーブレット係数について符号化した情報（例えば、量子化およびエントロピー符号化などの処理を行った結果の値）に加え、画像内での興味領域１１の位置情報を出力するのが好ましい。更に好ましくは、符号化処理部４は、興味領域１１の位置情報も符号化する。興味領域１１の位置情報を出力するのが好ましい理由は、以下の通りである。

すなわち、図５に示したように興味領域１１についてビットシフトを行うことにより、非興味領域１２においてはＭＳＢより上位側に値が“０”のビット列ができる。通常のJPEG2000によるＲＯＩ符号化では、ＭＳＢ以上に“０”以外のビットが存在する領域を興味領域１１だと判定するため、非興味領域１２の“０”のビット列も符号化する必要がある。そのため、興味領域１１の符号化効率の低下を招いていた。

これに対して、本実施形態のように興味領域１１の位置情報を出力することにより、非興味領域１２のＭＳＢ以上における“０”のビット列を符号化する必要がなくなる。これにより、興味領域１１の符号化効率を向上させることができる。特に、画像中に興味領域１１が複数存在する場合には、符号化効率の向上効果は大きくなる。なお、ＬＳＢからＭＳＢのビットが存在する領域については、興味領域１１でも非興味領域１２でも通常のJPEG2000の方式と同様に符号化する。

図６は、本実施形態による画像復号装置の機能構成例を示すブロック図である。本実施形態の画像復号装置は、図１に示した画像符号化装置によって符号化された画像を復号するものであり、基本的には符号化と逆の処理を実行する。図６に示すように、本実施形態の画像復号装置は、その機能構成として、復号処理部６１、逆ビットシフト部６２、対称拡張部６３およびウェーブレット逆変換部６４を備えている。

上記各機能ブロック６１〜６４は、ハードウェア、ＤＳＰ、ソフトウェアの何れによっても構成することが可能である。例えばソフトウェアによって構成する場合、上記各機能ブロック６１〜６４は、実際にはコンピュータのＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えて構成され、ＲＡＭやＲＯＭ、ハードディスクまたは半導体メモリ等の記録媒体に記憶された画像復号プログラムが動作することによって実現される。

したがって、上記各機能ブロック６１〜６４の機能は、画像復号プログラムを例えばＣＤ−ＲＯＭのような記録媒体に記録し、コンピュータに読み込ませることによって実現できるものである。画像復号プログラムを記録する記録媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭ以外に、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、光ディスク、光磁気ディスク、ＤＶＤ、不揮発性メモリカード等を用いることができる。また、画像復号プログラムをインターネット等のネットワークを介してコンピュータにダウンロードすることによっても実現できる。

復号処理部６１は、符号化処理部４による符号化とは逆の復号処理（例えば、エントロピー復号処理および逆量子化処理）を行うことにより、符号化前のウェーブレット係数を再現する。逆ビットシフト部６２は、復号処理部６１により生成された興味領域１１のウェーブレット係数をＬＳＢからＭＳＢの元のビット範囲に入るようにビットシフトする。

対称拡張部６３は、対称拡張部１と同様の処理をウェーブレット係数に対して行う。ウェーブレット逆変換部６４は、ウェーブレット変換部２によるフィルタリング処理とは逆の処理を行うことにより、ウェーブレット変換前の画素値を再現する。

以上詳しく説明したように、本実施形態では、画像中における特定の興味領域内の画素値を、興味領域と非興味領域との境界に当たる画素位置を軸として対称的に興味領域外に複製する。そして、興味領域内の画素値および複製された興味領域外の画素値を含めて、興味領域内の各注目画素およびその周辺画素の画素値を用いたフィルタリング処理により各注目画素のウェーブレット係数を算出する。その後、興味領域内のウェーブレット係数についてビットシフトを行い、ビットシフトされた興味領域内のウェーブレット係数のみを対象として興味領域の符号化を行うようにしている。

このように構成した本実施形態の画像符号化装置によれば、興味領域の符号化および復号に必要な画素数は、興味領域の画素数と完全に一致し、非興味領域を含めた広い範囲を対象として符号化を行う必要がなくなる。これにより、興味領域の符号化効率を向上させることができる。

また、本実施形態の画像符号化装置では、興味領域内のウェーブレット係数について符号化した情報に加え、興味領域の位置情報を出力するようにしている。これにより、興味領域のビットシフトによって生じた非興味領域のＭＳＢ以上における“０”のビット列を符号化する必要がなくなるので、興味領域の符号化効率を更に向上させることができる。画像内の興味領域の数が多くなるほど符号化効率の向上効果は大きくなり、画像の圧縮率を格段に向上させることができる。

なお、上記実施形態では、本発明の主眼である興味領域におけるＲＯＩ符号化について説明をしたが、非興味領域についてはJPEG2000による通常の符号化を行えばよい。

また、上記実施形態では、興味領域の境界付近において横方向に画素値の対称拡張を行う例について説明したが、同様の方法により縦方向に画素値の対称拡張を行うようにしてもよい。

その他、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１ 対称拡張部
２ ウェーブレット変換部
３ ビットシフト部
４ 符号化処理部
１１ 興味領域
１２ 非興味領域

上記した課題を解決するために、本発明では、画像中の特定の興味領域内の画素値を、興味領域と非興味領域との境界に当たる画素位置を軸として対称的に興味領域外に複製する。そして、興味領域内の画素値および複製された興味領域外の画素値を含めて、興味領域内の各注目画素およびその周辺画素の画素値を用いたフィルタリング処理により各注目画素のウェーブレット係数を算出する。その後、興味領域内のウェーブレット係数についてビットシフトを行い、ビットシフトされた興味領域内のウェーブレット係数のみを対象として興味領域の符号化を行い、興味領域内のウェーブレット係数について符号化した情報に加えて興味領域の位置情報を出力するとともに、ビットシフトされていない下位ビットのみを対象として非興味領域の符号化を行うようにしている。

上記のように構成した本発明によれば、対称拡張によって興味領域外に複製された画素値が興味領域内に織り込まれる形で興味領域内のウェーブレット係数が算出され、ビットシフトされた興味領域内のウェーブレット係数のみを対象として興味領域の符号化が行われる。興味領域内のウェーブレット係数のみを対象として符号化しても、興味領域外の画素値は興味領域内のウェーブレット係数に織り込み済みなので、復号後に元の画素値を再構成することが可能である。

したがって、興味領域の符号化および復号に必要な画素数は、興味領域の画素数と完全に一致し、非興味領域を含めた広い範囲を対象として符号化を行う必要がなくなる。これにより、興味領域の符号化効率を向上させることができる。また、興味領域についてはウェーブレット係数について符号化した情報に加えて興味領域の位置情報が出力され、非興味領域については、ビットシフトされていない下位ビットのみを対象として符号化が行われるので、非興味領域の上位ビットを符号化しなくても、復号時に興味領域の位置を特定することができる。画像内の興味領域の数が多くなるほど符号化効率の向上効果は大きくなり、画像の圧縮率を格段に向上させることができる。

Claims (6)

1. 画像に対してウェーブレット変換を伴うＲＯＩ符号化を行う画像符号化装置であって、
   上記画像中の特定の興味領域内の画素値を、興味領域と非興味領域との境界に当たる画素位置を軸として対称的に興味領域外に複製する対称拡張部と、
   上記興味領域内の画素値および上記対称拡張部により複製された上記興味領域外の画素値を含めて、上記興味領域内の各注目画素およびその周辺画素の画素値を用いたフィルタリング処理により上記各注目画素のウェーブレット係数を算出するウェーブレット変換部と、
   上記ウェーブレット変換部により算出された上記興味領域内のウェーブレット係数についてビットシフトを行うビットシフト部と、
   上記ビットシフト部によりビットシフトされた上記興味領域内のウェーブレット係数のみを対象として上記興味領域の符号化を行う符号化処理部とを備えたことを特徴とする画像符号化装置。
2. 上記符号化処理部は、上記興味領域内のウェーブレット係数について符号化した情報に加え、上記興味領域の位置情報を出力することを特徴とする請求項１に記載の画像符号化装置。
3. 上記符号化処理部は、上記興味領域の位置情報を更に符号化することを特徴とする請求項２に記載の画像符号化装置。
4. ウェーブレット変換におけるフィルタリング処理を伴うＲＯＩ符号化を行う画像符号化方法であって、
   上記画像中の特定の興味領域内の画素値を、興味領域と非興味領域との境界に当たる画素位置を軸として対称的に興味領域外に複製する第１のステップと、
   上記興味領域内の画素値および上記第１のステップで複製された上記興味領域外の画素値を含めて、上記興味領域内の各注目画素およびその周辺画素の画素値を用いたフィルタリング処理により上記各注目画素のウェーブレット係数を算出する第２のステップと、
   上記第２のステップで算出された上記興味領域内のウェーブレット係数についてビットシフトを行う第３のステップと、
   上記第３のステップでビットシフトされた上記興味領域内のウェーブレット係数のみを対象として上記興味領域の符号化を行う第４のステップとを有することを特徴とする画像符号化方法。
5. 画像中の特定の興味領域内の画素値を、興味領域と非興味領域との境界に当たる画素位置を軸として対称的に興味領域外に複製する対称拡張手段、
   上記興味領域内の画素値および上記対称拡張手段により複製された上記興味領域外の画素値を含めて、上記興味領域内の各注目画素およびその周辺画素の画素値を用いたフィルタリング処理により上記各注目画素のウェーブレット係数を算出するウェーブレット変換手段、
   上記ウェーブレット変換手段により算出された上記興味領域内のウェーブレット係数についてビットシフトを行うビットシフト手段、および
   上記ビットシフト手段によりビットシフトされた上記興味領域内のウェーブレット係数のみを対象として上記興味領域の符号化を行う符号化処理手段
   としてコンピュータを機能させるための画像符号化プログラム。
6. 請求項５に記載の画像符号化プログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

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