JP4111367B2 - ３次元画像の階層符号化方法および階層伝送復号方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は３次元画像の階層符号化方法および階層伝送復号方法に関し、特にＣＴ、MRIなどから発生する大量の３次元医用画像を、ネットワーク環境において高速に伝送するに好適な３次元画像の階層符号化方法および階層伝送復号方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＴ、ＭＲＩなどの技術革新により、放射線科等において３次元医用画像画像データが大量に取得できるようになってきており、３次元ＣＧを用いてこれらの画像を立体的に表示するビューアが開発、実用化されている。この３次元ビューアは、ＣＴ、ＭＲＩの機能の一部として実装されているものが多い。
【０００３】
一方、近年のネットワークの発達により、放射線科内だけでなく、病院内の他科や、病院外においてもこれらの３次元医用データを利用したいという要求が高まってくるものと予想される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、放射線科内における画像の蓄積、管理を目的としたシステムの規格であるＤＩＣＯＭ(Digital Imaging and Communications in Medicine)では、ネットワーク上にある画像を手元のビューアで表示したい場合に、一旦、シリーズ内の画像ファイル全てをビューアに持ってくる必要があるため、ＣＴ、ＭＲＩ画像のようにシリーズ内に画像が大量に存在する場合等では、伝送に大きな時間がかかってしまうという問題がある。また、計算機の発達により演算が高速に行えるようになったとはいえ、大量のデータをレンダリングして、立体的に表示するにはかなりの時間がかかってしまうという問題がある。
【０００５】
本発明は、前記した問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、３次元の画像を従来より短時間で伝送でき、また受信側では必要とする解像度の画像データを従来より短時間で取得し、立体的に、かつ階層的に表示できる３次元画像の階層符号化方法および階層伝送復号方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記した目的を達成するために、本発明は、複数の２次元画像からなる３次元画像を複数個のブロックに分割し、前記各ブロックを３次元ウェーブレット分解するに際し、ｘ、ｙ、ｚ軸方向それぞれに対して、ウェーブレット分解フィルタを個別に切り替え、ｚ軸方向に使用するウェーブレット分解フィルタを、３次元画像を構成する２次元断面画像の断面の間隔に応じて切り替え、該３次元ウェーブレット分解されたブロック内の最低周波数ブロックは空間的予測を行い、該空間的予測により得られた予測誤差を符号化し、一方前記最低周波数ブロック以外のブロックは空間的予測をすることなく符号化し、該符号化したデータをファイルに纏めて出力するようにした３次元画像の階層符号化方法を提供する点に第１の特徴がある。
【０００７】
この特徴によれば、３次元医用データ等の大量の３次元データの伝送を、従来より大幅に短縮することができるようになる。また、３次元ビューアに立体的に表示するのに、短時間で表示できるデータを提供することができるようになる。
【０００８】
また、本発明は、前記３次元画像の階層符号化方法により生成されたファイルを蓄積するサーバと、画像を表示するためのクライアントを備え、該クライアントは低解像度ブロックの表示要求コマンドを発呼し、サーバは蓄積しているファイル中の該低解像度ブロックに対応するデータブロックを検出し、該検出したデータブロックを前記クライアントに伝送し、該クライアントは受信したデータを復号処理して３次元ビューアに表示するようにした点に第２の特徴がある。
【０００９】
この特徴によれば、まず画像の全体の３次元画像を、低解像度で、かつ短時間に表示できるようになり、画像の全体像を短時間で把握することができるようになる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。図１は、本発明の概念を示すブロック図である。
図から明らかなように、本発明は、ＣＴ画像などの複数の２次元画像からなる３次元データを入力する構造化処理部１と、該構造化処理部１で形成された構造化ファイルを蓄積・伝送する蓄積・伝送部２と、伝送されてきた３次元データを受信し再生する再生処理部３とから構成されている。
【００１１】
前記構造化処理部１は、前記３次元データを、ブロック化かつ階層化し、かつ必要な解像度で必要な部分のボリュームデータのみを伝送、表示できるように構造化し、次いで、該構造化したデータをファイル化して構造化ファイルを作成する処理を行う。また、前記蓄積・伝送部２は、構造化された３次元データを、階層的、部分的に再生処理部３に伝送し、再生処理部３は、受信した該３次元データを復号して再生する処理を行う。
【００１２】
次に、前記構造化処理部１、蓄積・伝送部２、および再生処理部３の処理の詳細を、順次説明する。まず、構造化処理部１の処理を説明する。
【００１３】
図２は、該構造化処理部１の機能の概要を示すブロック図である。該構造化処理部１は、図示されているように、入力ファイルとしての３次元ボクセルデータが入力するブロック分割部１１、ウェーブレト(Wavelet)分解部１２、予測モデリング部１３、エントロピー符号化部１４、および出力処理部１５から構成されている。
【００１４】
前記ブロック分割部１１は、図３に示されているような、ブロック分割モジュール１１１から構成することができる。該ブロック分割モジュール１１１には、３次元ボクセルデータ１１２が入力する。該３次元ボクセルデータ１１２は、図４（ａ）に示されているように、ｘ，ｙ空間に存在する２次元画像Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・、Ｐｎをｚ軸方向に重ね合わせた３次元データ(データサイズ：iImgSizeX,iImgSizeY,iImgSizeZ)と定義される。該３次元ボクセルデータ１１２をブロック分割する、ｘ、ｙ、ｚ方向のそれぞれのブロックサイズの大きさをそれぞれ、iBlockSizeX、iBlockSizeY、iBlockSizeZとすると、該ブロックサイズのデータは、該ブロック分割モジュール１１１の外部から与えられる。
【００１５】
該ブロック分割モジュール１１１に前記ブロックサイズデータが与えられると、該ブロック分割モジュール１１１は、図３および図４(b)に示されているように、該ブロックサイズに従がって、入力の３次元ボクセルデータからボクセルを切り出し、１ブロックとする。すなわち、ブロック(０，０，０)、ブロック(０，０，１)、・・・、ブロック(Nbx，Nby，Nbz)が順次切り出される。なお、該(Nbx，Nby，Nbz)は、次式により求めることができる。
Nbx＝iImgSizeX／iBlockSizeX （小数点以下は切り捨て）
Nby＝iImgSizeY／iBlockSizeY （小数点以下は切り捨て）
Nbz＝iImgSizeZ／iBlockSizeZ （小数点以下は切り捨て）
なお、前記の式が割り切れない時には、その余りで最後のブロックを構成する。
【００１６】
以上のようにしてブロック分割されると、該ブロックはウェーブレト分解部１２（図２参照）に入力する。図５は、ウェーブレト分解モジュールのブロック図を示す。該ウェーブレト分解モジュール１２１には、前記ブロック(０，０，０)、ブロック(０，０，１)、・・・、ブロック(Nbx，Nby，Nbz)の内の任意のブロック（x，y，z）、例えば前記ブロック(０，０，０)、ブロック(０，０，１)等が入力する。該ウェーブレト分解モジュール１２１には、外部から、分解の繰り返し回数Ｎが与えられる。ただし、Ｎは次の条件を満足する数である。
N≦log2（iMinBlockSize）
ここに、iMinBlockSize＝min（iBlockSizeX，iBlockSizeY，iBlockSizeZ）である。
【００１７】
前記ウェーブレト分解モジュール１２１は、ｘ、ｙ、ｚ方向それぞれに対して、個別の変換を使用して３次元ウェーブレット分解を行うことができる。ウェーブレト分解モジュール１２１には、外部から、ｘ、ｙ、ｚ方向それぞれに使用するウェーブレト変換フィルタを特定するコードFilterX，FilterY，FilterZが与えられる。該コードは、入力信号の特性に応じて適応的に切り替える。特に、ｚ軸方向にかけるウェーブレト変換フィルタは、３次元画像を構成する２次元画像の重なりの間隔に応じて切り替えるのが好適である。例えば、その実装例として、２次元画像の重なりの間隔が広い場合には、タップ長のウェーブレト変換フィルタを、間隔が狭い場合にはタップ長が長いウェーブレト変換フィルタを使用するのがよい。
【００１８】
図６は、２次元データ配列に対して、ウェーブレト分解を施した時の概念図を示す。図示されているように、２次元データ配列２１にウェーブレト分解を施すと、低周波成分L（n）２１ａと高周波成分H(n)２１ｂが得られる。
【００１９】
また、図７は、３次元ウェーブレト分解モジュール１２１の内部の構成を示す機能ブロック図である。
３次元の該ウェーブレト分解モジュール１２１は、入力してくるBlock x，y，z１２２に対して、第１〜第Ｎ階層のウェーブレット変換を第１階層から順に第Ｎ階層まで行う。すなわち、第１階層の３次元ウェーブレット分解は、前記コードFilterX,FilterY,FilterZに従って前記Block x，y，z１２２を３次元ウェーブレット分解し、最低周波数ブロックFblock x，y，z，1，LLL〜最高周波数ブロックFblock x，y，z，1，HHHを出力する。また、第２階層の３次元ウェーブレット分解は、前記コードFilterX，FilterY，FilterZに従って前記最低ブロック周波数Fblock x，y，z，1，LLLを３次元ウェーブレット分解し、第２階層の最低周波数ブロックFblock x，y，z，2，LLL〜最高周波数ブロックFblock x，y，z，2，HHHを出力する。 以下、同様にして、第３、第４，・・・、第Ｎ階層の３次元ウェーブレット分解が行われる。
【００２０】
次に、前記３次元ウェーブレット分解の第ｎ（ｎ＝１，２，３，・・・，Ｎ）階層の機能を図８のブロック図を参照して説明する。前記３次元ウェーブレット分解の第ｎ階層は、図示されているように、複数個のフィルタ選択が可能な１次元ウェーブレット分解フィルタＦ１〜Ｆ８から構成されており、ｎ＝１の時にはBlock x，y，zが、またｎ＝２，３，・・・，Ｎの時には各階層の最低周波数ブロックFblock x，y，z，n-1，LLLが、前記フィルタＦ１に入力する。これらの入力は、まず前記コードFilterXにより指定されたウェーブレットフィルタを用いて、低周波数信号（Ｌ）と高周波数信号（Ｈ）に分解される。次に、その低周波数信号（Ｌ）および高周波数信号（Ｈ）は、それぞれ、前記コードFilterYにより指定されたウェーブレットフィルタＦ２、Ｆ３を用いて、低周波数信号（Ｌ）と高周波数信号（Ｈ）に分解される。さらに、該フィルタＦ２，Ｆ３で分解されたそれぞれの 低周波数信号（Ｌ）および高周波数信号（Ｈ）は、それぞれ、前記コードFilterZにより指定されたウェーブレットフィルタＦ４〜Ｆ７を用いて、低周波数信号（Ｌ）と高周波数信号（Ｈ）に分解される。そして、前記フィルタＦ４からは、最低周波数ブロックFblock x，y，z，n，LLLとFblock x，y，z，n，LLHが、また、前記フィルタＦ５からはFblock x，y，z，n，LHLとFblock x，y，z，n，LHHが、また、前記フィルタＦ６からはFblock x，y，z，n，HLLとFblock x，y，z，n，HLHが、さらに前記フィルタＦ７からはFblock x，y，z，n，HHLと最高周波数ブロックFblock x，y，z，n，HHHが、出力される。
【００２１】
図９は、上記のようにして３次元ウェーブレト分解されたブロックの概念図を示す。同図（ａ）は３次元ウェーブレト分解をされるブロック、同図(ｂ)はｘ方向にウェーブレット変換をかけて得られたブロック、同図(ｃ)はｙ方向にウェーブレット変換をかけて得られたブロック、同図(ｄ)はｚ方向にウェーブレット変換をかけて得られたブロックを示している。
【００２２】
図５のウエェーブレット分解モジュール１２１は、指定された回数Ｎだけ、最低周波数成分ブロック（ＬＬＬ）を再帰的に３次元ウェーブレット分解し、図１０に示されているような階層構造を作成して出力する。図１０においては、Ｎ階層に分解された周波数成分ブロックは、Fblock x，y，z，N，xxxで表記されている。ここで、Ｎ＝１，２，３，・・・であり、XXXはブロックの周波数（ＬＬＬ，ＬＬＨ，ＬＨＬ，ＬＨＨ、ＨＬＬ，ＨＬＨ，ＨＨＬ，ＨＨＨのいずれか）を表している。
【００２３】
前記のようにして３次元ウェーブレット分解されたブロックの内の、最低周波数ブロックFblock x，y，z，N，LLLは、図２の予測モデリング部１３に入力する。一方、該ブロックFblock x，y，z，N，LLL以外のブロックは、エントロピー符号化部１４に入力する。該予測モデリング部１３は、近傍点による空間的予測を行う。図１１は、参照する近傍点を示している。注目画素ｘが存在する平面の１つ前の平面の画素を、ｊ，ｇ，ｋ，ｆ，ｅ，ｈ，ｍ，ｉ，ｌとし、該注目画素ｘが存在する平面の画素を、ｃ，ｂ，ｄ，ａとすると、予測式として次の８個の式Ｐが用いられ、その全ての場合について予測誤差が求められる。そして、その中から、予測誤差２乗の累積値が最小の予測式が採用される。
Ｐ＝０(予測なし)
Ｐ＝ａ
Ｐ＝ｂ
Ｐ＝ｃ
Ｐ＝（ａ＋ｂ）／２
Ｐ＝ａ＋ｂ‐ｃ
Ｐ＝ｅ
Ｐ＝（ａ＋ｂ＋ｅ）／３
【００２４】
以上の処理により、予測誤差ブロックFblock’x，y，z，N，LLLが得られる。該予測誤差ブロックFblock’x，y，z，N，LLLは、エントロピー符号化部１４に送られる。なお、前記したように、３次元ウェーブレット分解されたブロックの内の、最低周波数ブロックFblock x，y，z，N，LLLのみを予測モデリングする理由は、該最低周波数ブロック内では、隣接画素間の相関が高く、予測モデリングをすることによりデータの圧縮が期待できるのに対して、他のブロックは高周波成分を含んでいるから、大した圧縮を期待できないからである。また、本実施形態では最低周波数ブロックのみを予測モデリングするようにしたが、本発明はこれに限定されず、該最低周波数ブロックを含む低周波数ブロックであってもよい。
【００２５】
次に、エントロピー符号化部１４の機能を説明する。本実施形態では、簡易性、高速性を考慮して、グロムライス(Golomb−Rice)符号(以下、GR符号と記す)を使用する。前記したように、該エントロピー符号化部１４には、３次元ウェーブレット分解されたブロック(以下、ウェーブレット変換係数ブロックと呼ぶ)Fblock x，y，z，n，xxxが入力する。ウェーブレット変換係数は、負の数も取り得るが、GR符号は正の数のみの符号化を行うため、次式により変換する。ここで、δは変換係数である。
M(δ)＝２δ（δ≧０の時）
＝２｜δ｜‐１(δ＜０の時)
【００２６】
図１２に、k＝１、k＝４の時のGR符号の例を示す。本実施形態では、ウェーブレット変換係数ブロック毎に、最適なｋの値を用いて、GR符号化を行う。あるシンボル集合Sに対する最適なｋの値ｋsは集合の統計的性質に基づき、次式により求めることができる。
ｋs＝min｛κ｜２κ≧A/N｝ (ただし、κ＝１，２，・・・，K)
ここで、Aはその集合S内の全てのシンボルの和、Nは集合S内のシンボル数を示す。なお、本実施形態では、ｋsの範囲は、ｋs＝１、２、・・・、Kとし、ｋsの情報として、ウェーブレット変換係数ブロックブロック毎にBｋ（ビット）を付加する。ただし、BkはlogzKを切り上げた正の整数とする。エントロピー符号化部１４では、上記の式で求めたｋsを用いて、ウェーブレット変換係数ブロック毎に変換係数をGR符号にて符号化する。この出力は、符号化データブロックDx，y，z，n，XXXとなる。
【００２７】
次に、出力処理部１５の処理を説明する。該出力処理部１５は、データをまとめて、図１３に示されているような、１つのファイルを生成する働きをする。該ファイルは、ヘッダを有し、該ヘッダには、画像サイズ（iImgSizeX，iImgSizeY，iImgSizeZ）６バイト、画素表現１バイト、ブロックサイズ（iBlockSizeX，iBlockSizeY，iBlockSizeZ）６バイト、および分解の繰り返し数Ｎバイトが記入される。
【００２８】
また、該ファイルには、ブロック毎に、ブロックヘッダとして、下記のフィールドが付加される。
・ブロック検出信号：３バイト
・ウェーブレットの階層：１バイト
・ウェーブレットの周波数帯：３ビット
・ブロックのアドレス（ｘ座標）：[log2［iImgSizeX／iBlockSizeX］]ビット
・ブロックのアドレス（ｙ座標）：[log2［iImgSizeY／iBlockSizeY］]ビット
・ブロックのアドレス（ｚ座標）：[log2［iImgSizeZ／iBlockSizeZ］]ビット
・GRパラメータ：３ビット
・ただし、[ ]は、切り上げを表す。
以上の構成のファイルは、図２の出力処理部１５から、構造化ファイルとして出力される。
【００２９】
次に、図１の蓄積・伝送部２と再生処理部３の機能を説明する。本実施形態では、遠隔地における３次元ビューアのようなアプリケーションを想定する。該蓄積・伝送部２と再生処理部３は、構造化されたデータが蓄積されているサーバと、３次元画像を表示するためのクライアントにて構成されている。
【００３０】
構造化されたデータファイル内のデータは、オリジナルの３次元データを空間領域でブロック分割し、各ブロックを３次元ウェーブレット分解した変換係数を符号化したものである。図１４は、３次元ウェーブレット分解の階層数Nを３とした場合の概念図である。
【００３１】
前記蓄積・伝送部２と再生処理部３は、ユーザからの次のような要求に対応することができる。（１）低解像度で、全体の画像を表示する(最初のみ)。（２）該全体の画像の中の特定部分の解像度を上げる。（３）同じ解像度で、別の領域を表示する。
【００３２】
ユーザが前記(１)の要求をする場合には、クライアントは、低解像度ブロックLLLNの表示要求コマンドをサーバに発呼する。そうすると、サーバは、ファイル中のLLLNに対応するデータブロックを検出し、該ブロックLLLNをクライアントに伝送する。クライアントは、受信したデータに対して復号処理を行い、該LLLNのボクセル値を得る。次いで、該ボクセル値を３次元ビューアに渡して、該低解像度画像を表示する。該復号処理の機能ブロック図を、図１５に示す。
【００３３】
次に、ユーザが前記（２）の要求をする場合には、クライアントは、ユーザから要求のあった特定空間領域を、階層Mに拡大する要求コマンドをサーバに発呼する。該発呼の前に、その領域の階層M以下のデータが既に転送されていて、そのボクセルデータLLLM+1が復号済みであるかどうか確認し、該ボクセルデータLLLM+1が転送されていない場合には、該データも転送要求して復号する。
【００３４】
サーバは、前記発呼を受信すると、要求のあった空間領域を復号するために必要なデータブロック（ LLHM+1,LHLM+1,LHHM+1,HLLM+1,HLHM+1,LHHM+1,HHHM+1に対応するデータブロック）を検出し、該検出したブロックをクライアントに伝送する。
【００３５】
クライアントは、受信したデータをブロック毎に復号することにより、各領域ブロックのウェーブレット変換係数（ LLHM+1,LHLM+1,LHHM+1,HLLM+1,HLHM+1,LHHM+1,HHHM+1）を得、既に存在するボクセルデータ値LLLM+1と合わせて、逆ウェーブレット変換することにより、階層Mのボクセル値LLLMを得る。該復号処理の機能ブロック図を、図１６に示す。クライアントは、該LLLMを３次元ビューアに渡して、画像を表示する。
【００３６】
以上の処理により、ユーザは、低解像度で表示された全体の画像の中の特定領域を拡大して高解像度でビューアに表示できるようになる。
【００３７】
次に、ユーザが前記(３)の要求をする場合には、クライアントは，要求のあった特定空間領域のデータ要求コマンドを発呼する。該発呼の前に、その領域の現階層（階層Mとする）より下のデータが既に転送されていて、そのボクセルデータLLLM+1が復号済みであるかどうか確認し、該ボクセルデータLLLM+1が転送されていない場合には、まず該データを転送要求して復号する。
【００３８】
サーバは，該発呼を受信すると、要求のあった空間領域を復号するために必要なデータブロック（LLHM+1,LHLM+1,LHHM+1,HLLM+1,HLHM+1,LHHM+1,HHHM+1に対応するデータブロック）を検出し、ブロックをクライアントに伝送する。
【００３９】
クライアントは、受信したデータをブロック毎に復号することにより、各領域ブロックのウェーブレット変換係数（ LLHM+1,LHLM+1,LHHM+1,HLLM+1,HLHM+1,LHHM+1,HHHM+1）を得、既に存在するボクセルデータ値LLLM+1と合わせて、逆ウェーブレット変換することにより、階層Mのボクセル値LLLMを得る。該復号処理の機能ブロック図は、前記図１６に示されている。クライアントは、該LLLMを３次元ビューアに渡して、画像を表示する。
【００４０】
以上の処理により，ユーザは、現在表示されている画像の別の領域を，同じ解像度でビューアに表示できるようになる。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１〜２の発明によれば、３次元医用データ等の大量の３次元データを大きく圧縮できるようになる。また、このため、該３次元データの伝送を、従来より大幅に短縮することができるようになる。また、３次元ビューアに立体的に表示するのに、短時間で表示できるデータを提供することができるようになる。
【００４２】
また、請求項３〜５の発明によれば、３次元データを短時間に、かつ階層的に表示できるようになる。また、ユーザが要求する空間的領域を任意に選択して、該空間的領域をユーザが要求する解像度で立体表示できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の概念を示すブロック図である。
【図２】 図１の構造化処理部の詳細を示すブロック図である。
【図３】 ブロック分割部の機能を示すブロック図である。
【図４】 ブロック分割の一例の説明図である。
【図５】 ウェーブレット分解モジュールのブロック図である。
【図６】 ２次元ウェーブレット分解の概念図である。
【図７】 ３次元ウェーブレット分解モジュールの内部の機能ブロック図である。
【図８】 ３次元ウェーブレット分解第ｎ階層の機能ブロック図である。
【図９】 ３次元ウェーブレット分解の概念図である。
【図１０】 ３次元ウェーブレット分解により得られる階層化を示す図である。
【図１１】 空間的予測において参照する近傍点を示す図である。
【図１２】 ＧＲ符号の一例を示す図である。
【図１３】 構造化ファイルの概念図である。
【図１４】 ３次元ウェーブレット分解の階層数Ｎを３にした場合の階層化を示す図である。
【図１５】 第１の復号処理の説明図である。
【図１６】 第２の復号処理の説明図である。
【符号の説明】
１・・・構造化処理部、２・・・蓄積・伝送部、３・・・再生処理部、１１・・・ブロック分割部、１２・・・ウェーブレット分解部、１３・・・予測モデリング部、14・・・エントロピー符号化部、１５・・・出力処理部。
【発明の属する技術分野】
この発明は３次元画像の階層符号化方法および階層伝送復号方法に関し、特にＣＴ、MRIなどから発生する大量の３次元医用画像を、ネットワーク環境において高速に伝送するに好適な３次元画像の階層符号化方法および階層伝送復号方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＴ、ＭＲＩなどの技術革新により、放射線科等において３次元医用画像画像データが大量に取得できるようになってきており、３次元ＣＧを用いてこれらの画像を立体的に表示するビューアが開発、実用化されている。この３次元ビューアは、ＣＴ、ＭＲＩの機能の一部として実装されているものが多い。
【０００３】
一方、近年のネットワークの発達により、放射線科内だけでなく、病院内の他科や、病院外においてもこれらの３次元医用データを利用したいという要求が高まってくるものと予想される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、放射線科内における画像の蓄積、管理を目的としたシステムの規格であるＤＩＣＯＭ(Digital Imaging and Communications in Medicine)では、ネットワーク上にある画像を手元のビューアで表示したい場合に、一旦、シリーズ内の画像ファイル全てをビューアに持ってくる必要があるため、ＣＴ、ＭＲＩ画像のようにシリーズ内に画像が大量に存在する場合等では、伝送に大きな時間がかかってしまうという問題がある。また、計算機の発達により演算が高速に行えるようになったとはいえ、大量のデータをレンダリングして、立体的に表示するにはかなりの時間がかかってしまうという問題がある。
【０００５】
本発明は、前記した問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、３次元の画像を従来より短時間で伝送でき、また受信側では必要とする解像度の画像データを従来より短時間で取得し、立体的に、かつ階層的に表示できる３次元画像の階層符号化方法および階層伝送復号方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記した目的を達成するために、本発明は、複数の２次元画像からなる３次元画像を複数個のブロックに分割し、前記各ブロックを３次元ウェーブレット分解するに際し、ｘ、ｙ、ｚ軸方向それぞれに対して、ウェーブレット分解フィルタを個別に切り替え、ｚ軸方向に使用するウェーブレット分解フィルタを、３次元画像を構成する２次元断面画像の断面の間隔に応じて切り替え、該３次元ウェーブレット分解されたブロック内の最低周波数ブロックは空間的予測を行い、該空間的予測により得られた予測誤差を符号化し、一方前記最低周波数ブロック以外のブロックは空間的予測をすることなく符号化し、該符号化したデータをファイルに纏めて出力するようにした３次元画像の階層符号化方法を提供する点に第１の特徴がある。
【０００７】
この特徴によれば、３次元医用データ等の大量の３次元データの伝送を、従来より大幅に短縮することができるようになる。また、３次元ビューアに立体的に表示するのに、短時間で表示できるデータを提供することができるようになる。
【０００８】
また、本発明は、前記３次元画像の階層符号化方法により生成されたファイルを蓄積するサーバと、画像を表示するためのクライアントを備え、該クライアントは低解像度ブロックの表示要求コマンドを発呼し、サーバは蓄積しているファイル中の該低解像度ブロックに対応するデータブロックを検出し、該検出したデータブロックを前記クライアントに伝送し、該クライアントは受信したデータを復号処理して３次元ビューアに表示するようにした点に第２の特徴がある。
【０００９】
この特徴によれば、まず画像の全体の３次元画像を、低解像度で、かつ短時間に表示できるようになり、画像の全体像を短時間で把握することができるようになる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。図１は、本発明の概念を示すブロック図である。
図から明らかなように、本発明は、ＣＴ画像などの複数の２次元画像からなる３次元データを入力する構造化処理部１と、該構造化処理部１で形成された構造化ファイルを蓄積・伝送する蓄積・伝送部２と、伝送されてきた３次元データを受信し再生する再生処理部３とから構成されている。
【００１１】
前記構造化処理部１は、前記３次元データを、ブロック化かつ階層化し、かつ必要な解像度で必要な部分のボリュームデータのみを伝送、表示できるように構造化し、次いで、該構造化したデータをファイル化して構造化ファイルを作成する処理を行う。また、前記蓄積・伝送部２は、構造化された３次元データを、階層的、部分的に再生処理部３に伝送し、再生処理部３は、受信した該３次元データを復号して再生する処理を行う。
【００１２】
次に、前記構造化処理部１、蓄積・伝送部２、および再生処理部３の処理の詳細を、順次説明する。まず、構造化処理部１の処理を説明する。
【００１３】
図２は、該構造化処理部１の機能の概要を示すブロック図である。該構造化処理部１は、図示されているように、入力ファイルとしての３次元ボクセルデータが入力するブロック分割部１１、ウェーブレト(Wavelet)分解部１２、予測モデリング部１３、エントロピー符号化部１４、および出力処理部１５から構成されている。
【００１４】
前記ブロック分割部１１は、図３に示されているような、ブロック分割モジュール１１１から構成することができる。該ブロック分割モジュール１１１には、３次元ボクセルデータ１１２が入力する。該３次元ボクセルデータ１１２は、図４（ａ）に示されているように、ｘ，ｙ空間に存在する２次元画像Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・、Ｐｎをｚ軸方向に重ね合わせた３次元データ(データサイズ：iImgSizeX,iImgSizeY,iImgSizeZ)と定義される。該３次元ボクセルデータ１１２をブロック分割する、ｘ、ｙ、ｚ方向のそれぞれのブロックサイズの大きさをそれぞれ、iBlockSizeX、iBlockSizeY、iBlockSizeZとすると、該ブロックサイズのデータは、該ブロック分割モジュール１１１の外部から与えられる。
【００１５】
該ブロック分割モジュール１１１に前記ブロックサイズデータが与えられると、該ブロック分割モジュール１１１は、図３および図４(b)に示されているように、該ブロックサイズに従がって、入力の３次元ボクセルデータからボクセルを切り出し、１ブロックとする。すなわち、ブロック(０，０，０)、ブロック(０，０，１)、・・・、ブロック(Nbx，Nby，Nbz)が順次切り出される。なお、該(Nbx，Nby，Nbz)は、次式により求めることができる。
Nbx＝iImgSizeX／iBlockSizeX （小数点以下は切り捨て）
Nby＝iImgSizeY／iBlockSizeY （小数点以下は切り捨て）
Nbz＝iImgSizeZ／iBlockSizeZ （小数点以下は切り捨て）
なお、前記の式が割り切れない時には、その余りで最後のブロックを構成する。
【００１６】
以上のようにしてブロック分割されると、該ブロックはウェーブレト分解部１２（図２参照）に入力する。図５は、ウェーブレト分解モジュールのブロック図を示す。該ウェーブレト分解モジュール１２１には、前記ブロック(０，０，０)、ブロック(０，０，１)、・・・、ブロック(Nbx，Nby，Nbz)の内の任意のブロック（x，y，z）、例えば前記ブロック(０，０，０)、ブロック(０，０，１)等が入力する。該ウェーブレト分解モジュール１２１には、外部から、分解の繰り返し回数Ｎが与えられる。ただし、Ｎは次の条件を満足する数である。
N≦log2（iMinBlockSize）
ここに、iMinBlockSize＝min（iBlockSizeX，iBlockSizeY，iBlockSizeZ）である。
【００１７】
前記ウェーブレト分解モジュール１２１は、ｘ、ｙ、ｚ方向それぞれに対して、個別の変換を使用して３次元ウェーブレット分解を行うことができる。ウェーブレト分解モジュール１２１には、外部から、ｘ、ｙ、ｚ方向それぞれに使用するウェーブレト変換フィルタを特定するコードFilterX，FilterY，FilterZが与えられる。該コードは、入力信号の特性に応じて適応的に切り替える。特に、ｚ軸方向にかけるウェーブレト変換フィルタは、３次元画像を構成する２次元画像の重なりの間隔に応じて切り替えるのが好適である。例えば、その実装例として、２次元画像の重なりの間隔が広い場合には、タップ長のウェーブレト変換フィルタを、間隔が狭い場合にはタップ長が長いウェーブレト変換フィルタを使用するのがよい。
【００１８】
図６は、２次元データ配列に対して、ウェーブレト分解を施した時の概念図を示す。図示されているように、２次元データ配列２１にウェーブレト分解を施すと、低周波成分L（n）２１ａと高周波成分H(n)２１ｂが得られる。
【００１９】
また、図７は、３次元ウェーブレト分解モジュール１２１の内部の構成を示す機能ブロック図である。
３次元の該ウェーブレト分解モジュール１２１は、入力してくるBlock x，y，z１２２に対して、第１〜第Ｎ階層のウェーブレット変換を第１階層から順に第Ｎ階層まで行う。すなわち、第１階層の３次元ウェーブレット分解は、前記コードFilterX,FilterY,FilterZに従って前記Block x，y，z１２２を３次元ウェーブレット分解し、最低周波数ブロックFblock x，y，z，1，LLL〜最高周波数ブロックFblock x，y，z，1，HHHを出力する。また、第２階層の３次元ウェーブレット分解は、前記コードFilterX，FilterY，FilterZに従って前記最低ブロック周波数Fblock x，y，z，1，LLLを３次元ウェーブレット分解し、第２階層の最低周波数ブロックFblock x，y，z，2，LLL〜最高周波数ブロックFblock x，y，z，2，HHHを出力する。 以下、同様にして、第３、第４，・・・、第Ｎ階層の３次元ウェーブレット分解が行われる。
【００２０】
次に、前記３次元ウェーブレット分解の第ｎ（ｎ＝１，２，３，・・・，Ｎ）階層の機能を図８のブロック図を参照して説明する。前記３次元ウェーブレット分解の第ｎ階層は、図示されているように、複数個のフィルタ選択が可能な１次元ウェーブレット分解フィルタＦ１〜Ｆ８から構成されており、ｎ＝１の時にはBlock x，y，zが、またｎ＝２，３，・・・，Ｎの時には各階層の最低周波数ブロックFblock x，y，z，n-1，LLLが、前記フィルタＦ１に入力する。これらの入力は、まず前記コードFilterXにより指定されたウェーブレットフィルタを用いて、低周波数信号（Ｌ）と高周波数信号（Ｈ）に分解される。次に、その低周波数信号（Ｌ）および高周波数信号（Ｈ）は、それぞれ、前記コードFilterYにより指定されたウェーブレットフィルタＦ２、Ｆ３を用いて、低周波数信号（Ｌ）と高周波数信号（Ｈ）に分解される。さらに、該フィルタＦ２，Ｆ３で分解されたそれぞれの 低周波数信号（Ｌ）および高周波数信号（Ｈ）は、それぞれ、前記コードFilterZにより指定されたウェーブレットフィルタＦ４〜Ｆ７を用いて、低周波数信号（Ｌ）と高周波数信号（Ｈ）に分解される。そして、前記フィルタＦ４からは、最低周波数ブロックFblock x，y，z，n，LLLとFblock x，y，z，n，LLHが、また、前記フィルタＦ５からはFblock x，y，z，n，LHLとFblock x，y，z，n，LHHが、また、前記フィルタＦ６からはFblock x，y，z，n，HLLとFblock x，y，z，n，HLHが、さらに前記フィルタＦ７からはFblock x，y，z，n，HHLと最高周波数ブロックFblock x，y，z，n，HHHが、出力される。
【００２１】
図９は、上記のようにして３次元ウェーブレト分解されたブロックの概念図を示す。同図（ａ）は３次元ウェーブレト分解をされるブロック、同図(ｂ)はｘ方向にウェーブレット変換をかけて得られたブロック、同図(ｃ)はｙ方向にウェーブレット変換をかけて得られたブロック、同図(ｄ)はｚ方向にウェーブレット変換をかけて得られたブロックを示している。
【００２２】
図５のウエェーブレット分解モジュール１２１は、指定された回数Ｎだけ、最低周波数成分ブロック（ＬＬＬ）を再帰的に３次元ウェーブレット分解し、図１０に示されているような階層構造を作成して出力する。図１０においては、Ｎ階層に分解された周波数成分ブロックは、Fblock x，y，z，N，xxxで表記されている。ここで、Ｎ＝１，２，３，・・・であり、XXXはブロックの周波数（ＬＬＬ，ＬＬＨ，ＬＨＬ，ＬＨＨ、ＨＬＬ，ＨＬＨ，ＨＨＬ，ＨＨＨのいずれか）を表している。
【００２３】
前記のようにして３次元ウェーブレット分解されたブロックの内の、最低周波数ブロックFblock x，y，z，N，LLLは、図２の予測モデリング部１３に入力する。一方、該ブロックFblock x，y，z，N，LLL以外のブロックは、エントロピー符号化部１４に入力する。該予測モデリング部１３は、近傍点による空間的予測を行う。図１１は、参照する近傍点を示している。注目画素ｘが存在する平面の１つ前の平面の画素を、ｊ，ｇ，ｋ，ｆ，ｅ，ｈ，ｍ，ｉ，ｌとし、該注目画素ｘが存在する平面の画素を、ｃ，ｂ，ｄ，ａとすると、予測式として次の８個の式Ｐが用いられ、その全ての場合について予測誤差が求められる。そして、その中から、予測誤差２乗の累積値が最小の予測式が採用される。
Ｐ＝０(予測なし)
Ｐ＝ａ
Ｐ＝ｂ
Ｐ＝ｃ
Ｐ＝（ａ＋ｂ）／２
Ｐ＝ａ＋ｂ‐ｃ
Ｐ＝ｅ
Ｐ＝（ａ＋ｂ＋ｅ）／３
【００２４】
以上の処理により、予測誤差ブロックFblock’x，y，z，N，LLLが得られる。該予測誤差ブロックFblock’x，y，z，N，LLLは、エントロピー符号化部１４に送られる。なお、前記したように、３次元ウェーブレット分解されたブロックの内の、最低周波数ブロックFblock x，y，z，N，LLLのみを予測モデリングする理由は、該最低周波数ブロック内では、隣接画素間の相関が高く、予測モデリングをすることによりデータの圧縮が期待できるのに対して、他のブロックは高周波成分を含んでいるから、大した圧縮を期待できないからである。また、本実施形態では最低周波数ブロックのみを予測モデリングするようにしたが、本発明はこれに限定されず、該最低周波数ブロックを含む低周波数ブロックであってもよい。
【００２５】
次に、エントロピー符号化部１４の機能を説明する。本実施形態では、簡易性、高速性を考慮して、グロムライス(Golomb−Rice)符号(以下、GR符号と記す)を使用する。前記したように、該エントロピー符号化部１４には、３次元ウェーブレット分解されたブロック(以下、ウェーブレット変換係数ブロックと呼ぶ)Fblock x，y，z，n，xxxが入力する。ウェーブレット変換係数は、負の数も取り得るが、GR符号は正の数のみの符号化を行うため、次式により変換する。ここで、δは変換係数である。
M(δ)＝２δ（δ≧０の時）
＝２｜δ｜‐１(δ＜０の時)
【００２６】
図１２に、k＝１、k＝４の時のGR符号の例を示す。本実施形態では、ウェーブレット変換係数ブロック毎に、最適なｋの値を用いて、GR符号化を行う。あるシンボル集合Sに対する最適なｋの値ｋsは集合の統計的性質に基づき、次式により求めることができる。
ｋs＝min｛κ｜２κ≧A/N｝ (ただし、κ＝１，２，・・・，K)
ここで、Aはその集合S内の全てのシンボルの和、Nは集合S内のシンボル数を示す。なお、本実施形態では、ｋsの範囲は、ｋs＝１、２、・・・、Kとし、ｋsの情報として、ウェーブレット変換係数ブロックブロック毎にBｋ（ビット）を付加する。ただし、BkはlogzKを切り上げた正の整数とする。エントロピー符号化部１４では、上記の式で求めたｋsを用いて、ウェーブレット変換係数ブロック毎に変換係数をGR符号にて符号化する。この出力は、符号化データブロックDx，y，z，n，XXXとなる。
【００２７】
次に、出力処理部１５の処理を説明する。該出力処理部１５は、データをまとめて、図１３に示されているような、１つのファイルを生成する働きをする。該ファイルは、ヘッダを有し、該ヘッダには、画像サイズ（iImgSizeX，iImgSizeY，iImgSizeZ）６バイト、画素表現１バイト、ブロックサイズ（iBlockSizeX，iBlockSizeY，iBlockSizeZ）６バイト、および分解の繰り返し数Ｎバイトが記入される。
【００２８】
また、該ファイルには、ブロック毎に、ブロックヘッダとして、下記のフィールドが付加される。
・ブロック検出信号：３バイト
・ウェーブレットの階層：１バイト
・ウェーブレットの周波数帯：３ビット
・ブロックのアドレス（ｘ座標）：[log2［iImgSizeX／iBlockSizeX］]ビット
・ブロックのアドレス（ｙ座標）：[log2［iImgSizeY／iBlockSizeY］]ビット
・ブロックのアドレス（ｚ座標）：[log2［iImgSizeZ／iBlockSizeZ］]ビット
・GRパラメータ：３ビット
・ただし、[ ]は、切り上げを表す。
以上の構成のファイルは、図２の出力処理部１５から、構造化ファイルとして出力される。
【００２９】
次に、図１の蓄積・伝送部２と再生処理部３の機能を説明する。本実施形態では、遠隔地における３次元ビューアのようなアプリケーションを想定する。該蓄積・伝送部２と再生処理部３は、構造化されたデータが蓄積されているサーバと、３次元画像を表示するためのクライアントにて構成されている。
【００３０】
構造化されたデータファイル内のデータは、オリジナルの３次元データを空間領域でブロック分割し、各ブロックを３次元ウェーブレット分解した変換係数を符号化したものである。図１４は、３次元ウェーブレット分解の階層数Nを３とした場合の概念図である。
【００３１】
前記蓄積・伝送部２と再生処理部３は、ユーザからの次のような要求に対応することができる。（１）低解像度で、全体の画像を表示する(最初のみ)。（２）該全体の画像の中の特定部分の解像度を上げる。（３）同じ解像度で、別の領域を表示する。
【００３２】
ユーザが前記(１)の要求をする場合には、クライアントは、低解像度ブロックLLLNの表示要求コマンドをサーバに発呼する。そうすると、サーバは、ファイル中のLLLNに対応するデータブロックを検出し、該ブロックLLLNをクライアントに伝送する。クライアントは、受信したデータに対して復号処理を行い、該LLLNのボクセル値を得る。次いで、該ボクセル値を３次元ビューアに渡して、該低解像度画像を表示する。該復号処理の機能ブロック図を、図１５に示す。
【００３３】
次に、ユーザが前記（２）の要求をする場合には、クライアントは、ユーザから要求のあった特定空間領域を、階層Mに拡大する要求コマンドをサーバに発呼する。該発呼の前に、その領域の階層M以下のデータが既に転送されていて、そのボクセルデータLLLM+1が復号済みであるかどうか確認し、該ボクセルデータLLLM+1が転送されていない場合には、該データも転送要求して復号する。
【００３４】
サーバは、前記発呼を受信すると、要求のあった空間領域を復号するために必要なデータブロック（ LLHM+1,LHLM+1,LHHM+1,HLLM+1,HLHM+1,LHHM+1,HHHM+1に対応するデータブロック）を検出し、該検出したブロックをクライアントに伝送する。
【００３５】
クライアントは、受信したデータをブロック毎に復号することにより、各領域ブロックのウェーブレット変換係数（ LLHM+1,LHLM+1,LHHM+1,HLLM+1,HLHM+1,LHHM+1,HHHM+1）を得、既に存在するボクセルデータ値LLLM+1と合わせて、逆ウェーブレット変換することにより、階層Mのボクセル値LLLMを得る。該復号処理の機能ブロック図を、図１６に示す。クライアントは、該LLLMを３次元ビューアに渡して、画像を表示する。
【００３６】
以上の処理により、ユーザは、低解像度で表示された全体の画像の中の特定領域を拡大して高解像度でビューアに表示できるようになる。
【００３７】
次に、ユーザが前記(３)の要求をする場合には、クライアントは，要求のあった特定空間領域のデータ要求コマンドを発呼する。該発呼の前に、その領域の現階層（階層Mとする）より下のデータが既に転送されていて、そのボクセルデータLLLM+1が復号済みであるかどうか確認し、該ボクセルデータLLLM+1が転送されていない場合には、まず該データを転送要求して復号する。
【００３８】
サーバは，該発呼を受信すると、要求のあった空間領域を復号するために必要なデータブロック（LLHM+1,LHLM+1,LHHM+1,HLLM+1,HLHM+1,LHHM+1,HHHM+1に対応するデータブロック）を検出し、ブロックをクライアントに伝送する。
【００３９】
クライアントは、受信したデータをブロック毎に復号することにより、各領域ブロックのウェーブレット変換係数（ LLHM+1,LHLM+1,LHHM+1,HLLM+1,HLHM+1,LHHM+1,HHHM+1）を得、既に存在するボクセルデータ値LLLM+1と合わせて、逆ウェーブレット変換することにより、階層Mのボクセル値LLLMを得る。該復号処理の機能ブロック図は、前記図１６に示されている。クライアントは、該LLLMを３次元ビューアに渡して、画像を表示する。
【００４０】
以上の処理により，ユーザは、現在表示されている画像の別の領域を，同じ解像度でビューアに表示できるようになる。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１〜２の発明によれば、３次元医用データ等の大量の３次元データを大きく圧縮できるようになる。また、このため、該３次元データの伝送を、従来より大幅に短縮することができるようになる。また、３次元ビューアに立体的に表示するのに、短時間で表示できるデータを提供することができるようになる。
【００４２】
また、請求項３〜５の発明によれば、３次元データを短時間に、かつ階層的に表示できるようになる。また、ユーザが要求する空間的領域を任意に選択して、該空間的領域をユーザが要求する解像度で立体表示できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の概念を示すブロック図である。
【図２】 図１の構造化処理部の詳細を示すブロック図である。
【図３】 ブロック分割部の機能を示すブロック図である。
【図４】 ブロック分割の一例の説明図である。
【図５】 ウェーブレット分解モジュールのブロック図である。
【図６】 ２次元ウェーブレット分解の概念図である。
【図７】 ３次元ウェーブレット分解モジュールの内部の機能ブロック図である。
【図８】 ３次元ウェーブレット分解第ｎ階層の機能ブロック図である。
【図９】 ３次元ウェーブレット分解の概念図である。
【図１０】 ３次元ウェーブレット分解により得られる階層化を示す図である。
【図１１】 空間的予測において参照する近傍点を示す図である。
【図１２】 ＧＲ符号の一例を示す図である。
【図１３】 構造化ファイルの概念図である。
【図１４】 ３次元ウェーブレット分解の階層数Ｎを３にした場合の階層化を示す図である。
【図１５】 第１の復号処理の説明図である。
【図１６】 第２の復号処理の説明図である。
【符号の説明】
１・・・構造化処理部、２・・・蓄積・伝送部、３・・・再生処理部、１１・・・ブロック分割部、１２・・・ウェーブレット分解部、１３・・・予測モデリング部、14・・・エントロピー符号化部、１５・・・出力処理部。
Claims (5)
- 複数の２次元画像からなる３次元画像を複数個のブロックに分割し、
前記各ブロックを３次元ウェーブレット分解するに際し、ｘ、ｙ、ｚ軸方向それぞれに対して、ウェーブレット分解フィルタを個別に切り替え、ｚ軸方向に使用するウェーブレット分解フィルタを、３次元画像を構成する２次元断面画像の断面の間隔に応じて切り替え、
該３次元ウェーブレット分解されたブロック内の最低周波数ブロックは空間的予測を行い、該空間的予測により得られた予測誤差を符号化し、一方前記最低周波数ブロック以外のブロックは空間的予測をすることなく符号化し、該符号化したデータをファイルに纏めて出力するようにしたことを特徴とする３次元画像の階層符号化方法。 - 請求項１に記載の３次元画像の階層符号化方法において、
前記符号化は、エントロピー符号化であることを特徴とする３次元画像の階層符号化方法。 - 請求項１または２に記載の３次元画像の階層符号化方法により生成されたファイルを蓄積するサーバと、画像を表示するためのクライアントを用いた３次元画像の階層符号化方法において、
該クライアントは低解像度ブロックの表示要求コマンドを発呼し、サーバは蓄積しているファイル中の該低解像度ブロックに対応するデータブロックを検出し、該検出したデータブロックを前記クライアントに伝送し、該クライアントは受信したデータを復号処理して３次元ビューアに表示するようにしたことを特徴とする３次元画像の階層伝送復号方法。 - 請求項３に記載の３次元画像の階層伝送復号方法において、
前記クライアントは、前記３次元ビューアに表示されている特定空間領域を階層M（Mは自然数）に拡大する要求コマンドを発呼し、前記サーバは、該要求のあった空間領域を復号するために必要なデータブロックを検出し、該検出したデータブロックを前記クライアントに伝送し、前記クライアントは、受信したデータをブロック毎に復号することにより、各領域ブロックのウェーブレット変換係数を得、既に存在する低解像度の領域ブロックのデータ値と合わせて逆ウェーブレット変換することにより階層Mのデータを得、該データを３次元ビューアに表示するようにしたことを特徴とする３次元画像の階層伝送復号方法。 - 請求項３または４に記載の３次元画像の階層伝送復号方法において、
前記クライアントは、要求された特定空間領域を階層Q（Qは自然数）で表示する要求コマンドを発呼し、前記サーバは、該要求のあった空間領域を復号するために必要なデータブロックを検出し、該検出したデータブロックを前記クライアントに伝送し、前記クライアントは、受信したデータをブロック毎に復号することにより、各領域ブロックのウェーブレット変換係数を得、既に存在する低解像度の領域ブロックのデータ値と合わせて逆ウェーブレット変換することにより階層Qのデータを得、該データを３次元ビューアに表示するようにしたことを特徴とする３次元画像の階層伝送復号方法。
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