JP2816230B2 - 画像データの圧縮装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明はｘ線画像などの医用画像を圧縮する場合に
適用して好適な階調画像データの圧縮装置に関し、特に
最適な量子化幅によって画像データを圧縮処理すること
ができるようにした画像データの圧縮装置に関する。

［発明の背景］ 例えば、ｘ線画像などの医用画像は、医師による診
断、治療を目的とするため、この医用画像をデジタル化
するには特に高いデジタル変換精度が要求される。

そのため、医用画像の画像データをデジタル化する場
合は、デジタル変換された情報量も膨大なものとなる。
例えば、大角サイズのフィルムで撮影した胸部ｘ線単純
撮影画像（階調画像データ）をレーザスキャナーを用い
てデジタル化すると、その情報量（記憶容量）は１画像
あたり４〜5Mバイト程度となる。

これに伴って、この画像データを保管したり、通信回
線を用いて伝送したりする際のランニングコストや伝送
時間を考慮すると、画像データを一旦圧縮して保存して
おいた方が得策である。

画像データの圧縮技術としては、従来より可逆圧縮技
術と非可逆圧縮技術とが知られている。

前者は、原画像を圧縮・伸張して得られる復元画像
が、原画像と完全に一致する圧縮技術であって、その圧
縮率は1/2〜1/3程度である。

これに対して、後者、つまり非可逆圧縮処理の場合に
は、復元画像には多少の誤差が生じるが、圧縮率は1/5
以上になる。そのため、近年画質保存制に優れた非可逆
圧縮処理の研究が盛んに行なわれている。

非可逆圧縮処理の一つとして、直交変換を使用した圧
縮処理がある。このうち、コサイン変換符号化は、コサ
イン変換と呼ばれる変換を用いて画像データを圧縮する
技術である。

コサイン変換は、フーリエ変換、アダマール変換など
で代表される直交変換の一つであり、これを用いたとき
最も圧縮効率のよい符号化が行えることが知られてい
る。

コサイン変換符号化は、コサイン変換することによっ
て画像データの性質が、より圧縮し易い形に変換され
る。したがって、画像ごとにまちまちな濃度分布をもつ
画像データの性質を、画像依存性のないある一定の性質
に変換できることになる。一定の性質とは、ゼロにピー
クをもつラプラス分布になるという性質である。

例えば、１画像をＰ・Ｑ（Ｐ・Ｑは分割数）個のブロ
ックに分割し、その１ブロックのブロック画像をデジタ
ル化して得られた画像データの各画素レベル（濃度レベ
ル）に対する発生頻度は、ブロック画像の画像内容によ
って第７図Ａあるいは第８図Ａに示すように相違する。

しかし、これをコサイン変換すると第７図Ａのブロッ
ク画像も、第８図Ａに示すブロック画像も、第７図Ｂあ
るいは第８図Ｂのような係数分布（ラプラス分布）に変
換されるため、画質依存性のない形に変換することがで
きる。

ここに、ラプラス分布の横軸はコサイン変換によって
得られる交流成分の変換係数値であり、縦軸は発生頻度
数である。

変換係数値は実数であるから、これに対する丸め処理
つまり、量子化処理を行なえば、係数を表わすレベル数
が減少する。量子化された変換係数値はその後符号化さ
れることによって画像データの圧縮を達成できる。

第９図はこのようなコサイン変換符号化による画像デ
ータ圧縮装置の概要を示す要部の系統図である。

圧縮対象となる上述した医用画像などの階調画像デー
タ（本例では、１画素当りのビット数を10ビットとす
る）はフレームメモリ２に格納されており、これより画
像データが分割ブロック単位で読み出される。本例で
は、ブロックサイズＮがライン方向、カラム方向に対
し、夫々16画素に分割されている。

読み出されたブロック画像データ（濃度データ）は、
直交変換装置として機能する本例では２次元ディスクリ
ートコサイン変換装置（2D−DCT）20に供給されて、画
像データｆ（i,j）（j,j＝0,1,・・・15）がコサイン変
換されて１ブロック当り256個の変換係数が得られる。
変換係数は１個の直流成分（DC成分）と、残り255個の
交流成分（AC成分）とで構成される。

次に、こうして得られた256個の変換係数のうち直流
成分を除く255個の変換係数（交流成分）は、量子化装
置50に供給されて、量子化幅制御回路３から出力された
所定の量子化幅で量子化され、その後、符号化装置60で
符号化されることによって画像データが圧縮される。符
号化は例えばハフマン符号か、ランレングス符号、算術
符号などを使用すればよい。

符号データは端子70から送信されるか、若しくはメモ
リ（図示しない）に格納される。

このように変換符号化処理においては、変換係数値を
丸め処理することによって、高い圧縮率を得ている。変
換係数を丸め処理する際に使用される丸め幅は量子化幅
と呼ばれる。

また、特に変換係数がゼロに丸められる量子化処理を
係数の足きりと呼び、このときの量子化幅の1/2の値を
足きり閾値Ｓと呼ぶ。足きり閾値Ｓを用いて係数をゼロ
に丸める処理は、スレショールドコーディングという名
でよく知られているが、広い意味で量子化の１つとして
考えることができる。

［発明が解決しようとする課題］ さて、量子化処理においては、量子化が復元画像の画
質を決定するため、量子化幅Ｗをいかに最適に決定する
かが、最も重要である。

従来では、各ブロックの変換係数（交流成分）の分布
が、ゼロにピークを持つラプラス分布であると仮定し、
交流成分の２乗和（分散）や、その正の平方根（標準偏
差）を計算したり、変換係数の絶対値（振幅）の和など
を計算し、その結果から係数の分布の広がりを推定し、
ブロック毎に最適と思われる足きり閾値Ｓや、量子化幅
Ｗを算出していた。

ここで、ブロックサイズが非常に大きいとき、例え
ば、画像全体を１つのブロックとして考えたときには、
変換係数（交流成分）の分布がラプラス分布によく近似
できるため、上述した仮定が成立する。

しかし、ブロックサイズが画像に対して小さいとき、
例えば、ブロックサイズが上述したように、16×16の場
合などでは、交流成分の個数が255個と少なく、分布の
形状に凸凹が生じるため、ラプラス分布に近似するには
無理がある。

従って、交流成分の分散や、標準偏差や、振幅の和な
どの統計量が、交流成分の分布の広がりや、形状（特に
ゼロ付近の形状）の推定に好ましくない結果を招くこと
は容易に推察できる。

例えば、第10図及び第11図のように、分布の形状が非
常に似ている２つのブロックA,Bにおいて、ブロックＢ
には、非常に少数であるが、振幅の大きな成分が存在す
るのに対し、ブロックＡにはさほど大きな振幅の成分が
存在しないときには、以下のような算出結果となってし
まう。つまり、ブロックＢの上記統計量（交流成分の分
散や、標準偏差や、振幅の和など）は、ブロックＡの同
様な統計量に対して、非常に大きな値をとる。係数値の
絶対値（振幅）の平均値SAMについて具体的に示せば、
ブロックＡでは1.393であるのに対し、ブロックＢでは
7.865となってしまう。

その結果、ブロックＡとブロックＢの分布の形状は異
なるものと推定されてしまい、異なる量子化幅Ｗや足き
り閾値Ｓが割り当てられるという不都合が生じていた。

特に、ブロックＢの場合のように、振幅の大きな成分
の存在するブロックでは、不当に大きな量子化幅Ｗや足
きり閾値Ｓが割り当てられることが多く、これによって
復元画像がボケ、しばしばこれが、ブロックアーチファ
クトの原因となっていた。ブロックアーチファクトと
は、ブロックの境目が目立つようになる現象をいう。

このようなブロックアーチファクトは、特に診断を目
的とする医用画像において大きなデメリットとなってい
る。

そこで、この発明では交流成分の分布がラプラス分布
から外れている場合や、非常に大きな交流成分が存在す
る場合でも、分布の形状を正確に把握でき、各ブロック
に最適な量子化幅や足きり閾値を割り当てることが可能
な、画像データの圧縮装置を提供するものである。

［課題を解決するための手段］ 上述の課題を解決するため、この発明においては、デ
ジタル化された階調画像データを複数のブロックに分割
し、各ブロックの画像毎に直交変換を施して得られる変
換係数値を量子化したのち、符号化するようにした画像
データの圧縮装置において、各ブロックのブロック画像
に関する変換係数値の量子化幅を、絶対値が所定閾値以
下の変換係数の値を算術演算して得られる統計量に基づ
いて決定する量子化幅決定手段を備えるものである。

［作用］ 第３図Ｂに示すように、絶対値が閾値Ｋ（以下、この
閾値を係数選択閾値Ｋと呼ぶ）以下となる交流成分が選
択され、選択された成分のみを用いて量子化幅Ｗや足き
り閾値Ｓを決定するための統計量の計算が行なわれる。

このように所定の閾値Ｋ以下の係数の値を算術演算し
て得られる統計量に基でいて量子化幅Ｗなどを決定すれ
ばラプラス分布に合わない係数分布であっても、ブロッ
クＡとＢの分布を正確に把握できる。

係数の分布が正確に把握できれば、夫々のブロックに
対して最適な量子化幅Ｗなどを設定できるため、ブロッ
クアーチファクトを十分に抑制できる。これによって、
高画質な復元画像が得られ、医用画像にも十分適用でき
るようになる。

［実 施 例］ 続いて、この発明にかかる画像データの圧縮装置の一
例を、上述した医用画像の圧縮装置に適用した場合に付
き、第１図以下を参照して詳細に説明する。

第１図において、端子11にはフレームメモリ２よりブ
ロック単位で読み出された画像データが供給される。こ
の画像データは、２次元ディスクリートコサイン変換装
置20に供給されてコサイン変換が実行される。

すなわち、濃度情報であるデジタル化された入力画像
データｆ（i,j）（i,j＝0,1,2,3,・・・,N−1,Nは例え
ば16）が、空間周波数がu,vで表わされる変換係数値Ｆ
（u,v）（u,v＝0,1,2,3,・・・,N−1,Nは例えば16）に
変換される。

変換係数Ｆ（u,v）は、Ｎ×Ｎ個の係数値を格納でき
るバッファメモリ（この例では、FIFO）30に順次格納さ
れると共に、分布推定装置40に供給される。

分布推定装置40では、入力された変換係数Ｆ（u,v）
の交流成分と所定の閾値Ｋとを用いて、量子化幅Ｗと足
きり閾値Ｓが決定される。量子化幅Ｗと足きり閾値Ｓと
をどのように決定するかについては後述する。

量子化幅Ｗと足きり閾値Ｓは、量子化装置50に供給さ
れると共に、これには、バッファメモリ30から読み出さ
れた変換係数Ｆ（u,v）が供給され、量子化幅Ｗと足き
り閾値Ｓを参照して量子化が実行される。

量子化を終えた変換係数Ｆ′（u,v）は、符号化装置6
0において符号化され、端子70よりその符号データが出
力される。

第２図は分布推定装置40の一実施例を示すブロック図
であり、絶対値回路42、係数選択回路43、演算回路44及
びROM47で構成されている。

２次元ディスクリートコサイン変換装置20より出力さ
れた変換係数Ｆ（u,v）は絶対値回路42においてその絶
対値|F（u,v）｜に変換される（第３図A,B参照）。絶対
値出力は係数選択回路43に入力する。

係数選択回路43は量子化幅Ｗなどを決定するときに使
用される係数値を制限するためのもので、これには端子
48を通じて、係数選択閾値Ｋ（第３図Ｂ参照）が与えら
れている。

係数選択閾値Ｋとしては、予め定められた閾値を使用
することもできれば、所定の演算を行なってそのブロッ
クごとに閾値を算出したものを使用してもよい。本例で
は、前者の例であって、以下のようにして定められた閾
値が使用されるものとする。

いま、画像データのビット数をｎ、ブロックのサイズ
をＮとしたときに与えられる変換係数のうち交流成分の
ダイナミックレンジDnを、 で定義したとき、係数選択閾値Ｋの値はダイナミックレ
ンジDnの 0.50/2048〜10.0/2048 ・・・（２） 程度に設定するのが好ましい。その理由は後述する。

このようにして設定された係数選択閾値Ｋを使用して
絶対値|F（u,v）｜が比較され、この例では、絶対値|F
（u,v）｜が、係数選択閾値Ｋ以下の絶対値|Fa（u,v）
｜と、係数選択閾値Ｋより大きい絶対値|Fb（u,v）｜と
に分類され、このように分類して選択された交流成分の
絶対値|Fa（u,v）｜（第10図及び第11図参照）のみが次
の演算回路44に送給される。

係数選択回路43ではさらに、出力された係数Fa（u,
v）の個数Ｍがカウントされる。

演算回路44では、絶対値|Fa（u,v）｜に対して所定の
演算処理が施される。

所定の演算処理とは、量子化幅Ｗや足きり閾値Ｓを決
定するための統計量を算出するための処理であって、こ
の統計量としては選択された交流成分の分散や、標準偏
差や、振幅の平均値などを使用できる。

本例では、回路構成の簡略化を図るためなどの目的か
ら、振幅の平均値SAMを使用した場合である。したがっ
て、演算回路44は加算器45と平均値回路46とで構成さ
れ、この平均値処理のときに上述した個数Ｍが使用され
る。

算出された演算結果Ｙ（本例では平均値SAM）はROM47
にアドレス参照信号として供給され、ここに格納された
量子化幅Ｗ及び足きり閾値Ｓのうちの特定の量子化幅Ｗ
と足きり閾値Ｓ（第６図参照）とが参照される。

さて、第４図は係数選択閾値Ｋと振幅平均値SAMとの
関係を示すものであって、係数分布は第10図及び第11図
のものを例示する。同図は係数選択閾値Ｋをダイナミッ
クレンジDnの1/Zとしたときの平均値SAMを示したもの
で、Ｚ＝１は係数選択閾値Ｋを用いていないときの平均
値SAMを示す。

この図より明らかなように、係数選択閾値Ｋとして、
（２）式を満足するように設定して、使用される変換係
数値の上限を選択すれば、第10図及び第11図のように、
両者とも係数分布がラプラス分布に近似しない場合であ
っても、夫々の平均値SAMはほぼ同じ値をとることがわ
かる。

平均値SAMが同じであるときには、参照される量子化
幅Ｗ及び足きり閾値Ｓは何れも同じ値となる。つまり、
上述したような係数の分布推定を行なうときには、係数
分布を正確に把握できることになる。

平均値SAMの値が相違するときには、それに対応した
量子化幅Ｗと足きり閾値ＳとがROM47より参照される
が、個数Ｍが所定の値以下になった場合には、量子化幅
Ｗ、足きり閾値Ｓとも一定値が選択されるようになって
いる。

これは、Ｍの値が非常に小さいということは、変換係
数の交流成分の分布が大変広いことを示すため、このよ
うなときには量子化幅Ｗ及び足切り閾値Ｓを一定値に制
限した方がよいからである。

なお、第10図及び第11図に示すような係数分布の場合
には、ＫがDnの0.25/2048であっても、ブロックＡとＢ
との誤差は僅少となるが、この場合には、使用すべき変
換係数の個数Ｍが余りにも少なすぎるから、本例ではこ
れ以上の値に選定したものである。

量子化幅Ｗ及び足きり閾値Ｓによって変換係数値が量
子化される。すなわち、第５図に示すように、振幅が足
きり閾値Ｓ以下の変換係数値は全てゼロ（ao）に量子化
され、各量子化幅ｗ内の変換係数値Ｆ（u,v）は夫々対
応する値±ai（ｉ＝1,2,3,・・・）に量子化される。

なお、この量子化処理において、量子化すべき変換係
数値を予め誤差の生じない程度の量子化幅Woで量子化
し、これによって得られる変換値をさらに上述した量子
化幅Ｗと足きり閾値Ｓとによって量子化するようにして
もよい。

量子化出力はさらに第１図に示すように、符号化装置
60において符号化される。本例では、ゼロに量子化され
た値をランレングス符号に符号化すると共に、それ以外
に量子化された値をハフマン符号に符号化される。ラン
レングス符号の場合には、B1符号を使用することができ
る。

ハフマン符号のみによって符号化してもよい。

上述した係数選択閾値Ｋは分布推定装置40においての
み使用されるものであるから、量子化される変換係数値
の個数（周波数帯域）は何等制限されない。勿論、他の
理由によって変換係数値そのものが制限を受ける場合は
別である。

［発明の効果］ 以上説明したように、ブロック画像毎に直交変換を施
して得られる変換係数値を量子化する場合、この発明に
おいては、絶対値が所定閾値以下の係数の値を算術演算
して得られる統計量に基づいて、各ブロックにおけるブ
ロック画像の量子化幅を決定するようにしたものであ
る。

これによれば、そのブロック画像に関する変換係数値
の分布形状に適応した量子化幅によってブロック画像を
量子化することができる。

そのため、係数分布がラプラス分布から外れるような
場合であっても、近似する分布形状の場合には類似する
形状として推定されため、量子化幅や足きり閾値を適切
に決定できる特徴を有する。

したがって、量子化幅や足きり閾値の不適切な設定に
よって発生していなブロックアーチファクトを抑制でき
るから、従来よりもより高画質化した画像データの圧縮
が可能になる。

したがって、この発明にかかる画像データの圧縮装置
は、上述したように高画質化が要求される医用画像を対
象とした圧縮装置などに適用して極めて好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る画像データの圧縮装置の一例を
示す要部の系統図、第２図は分布推定装置の具体例を示
す系統図、第３図は係数分布を示す図、第４図は係数選
択閾値と振幅の平均値との関係を示す図、第５図は量子
化の様子を示す図、第６図は分布推定結果と量子化幅及
び足きり閾値との関係を示す図、第７図及び第８図は夫
々画素レベルと係数分布との関係を示す特性図、第９図
は従来の画像データの圧縮装置の系統図、第10図及び第
11図は夫々ラプラス分布から外れた係数分布の図であ
る。 ２……フレームメモリ 20……２次元ディスクリートコサイン変換装置 30……バッファメモリ 40……分布推定装置 42……絶対値回路 43……係数選択回路 44……演算回路 45……加算器 46……平均値回路 47……ROM 50……量子化装置 60……符号化装置

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H04N 7/24 - 7/68 H04N 1/41 - 1/419

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】デジタル化された階調画像データを複数の
   ブロックに分割し、各ブロックの画像毎に直交変換を施
   して得られる変換係数値を量子化したのち、符号化する
   ようにした画像データの圧縮装置において、 上記各ブロックのブロック画像に関する変換係数値の量
   子化幅を、絶対値が所定閾値以下の上記変換係数の値を
   算術演算して得られる統計量に基づいて決定する量子化
   幅決定手段を備えることを特徴とする画像データの圧縮
   装置。