JP6975137B2 - 高速かつ効率的な画像圧縮及び解凍のための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、データの圧縮及び解凍に関し、特に、例えばデジタル病理学で用いられるような大きな画像に関する。

デジタル画像データ処理の進歩に伴い、ますます応用分野が広がっており、各々が満たすべき分野特有の要件を持つ。例示的な適用分野としてのデジタル病理学の分野において、病理学的分析に必要な解像度を保証するために大量のデータを処理しなければならない。大量のデータに対処するために、画像データの圧縮は通常不可欠である。従来、予測符号化及びDCT（離散コサイン変換）を使用する符号化のような様々な技術が提案されており、頻繁に用いられている。近年、ウェーブレット変換を用いた情報圧縮方法が盛んに研究され、例えばJPEG2000フォーマットで利用されている。

ウェーブレット変換は、サブバンドが水平方向、垂直方向及び対角線方向に分割されているマルチ階層サブバンド分割に基づいている。第３の階層まで分割された帯域を有することは、図１に示されるように１０個のサブバンドの結果となる。ここで、3LL、3LH、3HL、3HHの各々は、最下位階層のサブバンドであり、2LH、2HL、2HHの各々は、次の上位階層のサブバンドであり、1LH、1HL、1HHの各々は、最上位階層のサブバンドである。更に、LHは、水平方向にローパスフィルタ処理され、垂直方向にハイパスフィルタ処理されたサブバンドであり、HLは、水平方向にハイパスフィルタ処理され、垂直方向にローパスフィルタ処理されたサブバンドであり、HHは、水平方向及び垂直方向の両方においてハイパスフィルタリングされたサブバンドである。

JPEGと比較して、ウェーブレット変換符号化を利用しているJPEG2000フォーマットは、ブロック構造に起因する歪み及び雑音がより少なくなる。ウェーブレット変換自体は圧縮効果を有さず、したがって、サブバンド係数の圧縮を可能にするエントロピ符号化と組み合わせて使用されることが多い。データ圧縮技法は、一般に、データ品質と符号化速度との間のトレードオフを処理する。

例えば、JPEGは低品質を提供し、簡単な方法でロスレスにすることはできない。一方、JPEG2000のような高度な圧縮形式は、JPEGに比べて遅い。限定的ではないが、デジタル病理学のような応用に対して、市販のＰＣ上のリアルタイム画像圧縮が、ユーザによるオンザフライ分析を可能にするために望ましい。JPEG2000は、そのようなリアルタイム画像圧縮を可能にするために、特注のハードウェア圧縮コーデックを必要とする。

本発明の目的は、ネットワーク上の画像通信に特に重要である帯域幅使用と画像品質との間の動的なトレードオフを提供しながら、高速かつ効率的な圧縮を可能にする改良された画像圧縮を提供することである。

この目的は、独立請求項に規定された対象により解決される。

本発明の第１の態様において、画像データを符号化する方法が提供され、この方法は、前記画像データのデジタル画像表現を取得するステップと、前記画像表現の直列化（serialized）されたビットプレーンを生成するステップと、ゼロランシンボル及びランレングスを示す値によって各ビットプレーン内の０ビットシーケンスをランレングス符号化（run-length encoding）するステップと、符号語を生成するようにローカルコンテキストを共有する各ビットプレーン内のビット及び前記ゼロランシンボルを最適プレフィックス符号化（optimal prefix encoding）するステップであって、前記ローカルコンテキストが所定の数の近隣ビットによって与えられるステップと、各符号化されたビットプレーンに対して前記符号語を順次的に記憶するステップとを有する。

本発明は、それぞれのｎビット画素表現の特定のビットを表すビットプレーンを直列化するという考えに基づき、例えば、最上位ビットのビットプレーンから最下位ビットのビットプレーンまで次の上位ビットのビットプレーンが続く。各プレーン内のビットは、ランレングスであり、後で最適プレフィックス符号化される。結果として得られた符号語は、次いで、順番に出力される。このアプローチの根底にある主な側面は、圧縮率に対する速度及び単純さである。提案されたコーダは、EBCOTにおいてJPEG2000に対して使用されるような複雑なビットプレーンコーダよりも約１０％低い効率である。一方、これは１０倍速い。また、これは、ASIC又はFPGAに実装されるように最適化される。更に、各ビットプレーンのそれぞれの第１のビットに対するポインタをデータストリーム内のそれぞれの画像のヘッダに記憶することにより、前記画像を漸進的に解凍し、例えば、所定数の最下位ビットプレーンを考慮しないことにより低品質画像を生成することが可能である。前記画像データのこのような部分解凍は、破損した画像ではないが、より低い品質の画像を生じ、これは、特定の状況、例えば迅速なレビューに対して、十分でありうる。したがって、好適な実施例において、この方法は、ビットストリーム内のそれぞれの画像のヘッダセクションにおいて前記ビットストリーム内の各圧縮ビットプレーンの第１のビットに対するポインタを提供することを含む。

好適な実施例において、前記０ビットシーケンス内の０ビットの量を記憶するために使用されるビットの量は、それぞれのデータセットに対して最適化される。小さいゼロランに対して、これは、ゼロランが符号化されないが、２以上のゼロだけの結果となりうる。大きなランは、特定の応用及び発生回数、例えばゼロパターンに依存して、複数の小さなランに分割されうる。

好適な実施例において、前記ローカルコンテキストは、Ｎ次元データセット内の近隣ビット、例えば3D変換画像のような３Ｄデータセット内の２×２×２ビットのローカリティ（locality）を有する。

好適な実施例において、前記所定数の近隣ビットは、バイトシンボルにマッピングされ、前記所定数のビットは、効率的な計算単位である。例えば、コンピュータ／チップの効率的な計算単位が８ビットである場合、ローカリティのビット量は、効率的な８ビット＝１バイトのシンボルテーブルを有するように８に設定される。

好適な実施例において、この方法は、結果のビットストリームのヘッダセクションにおいてそれぞれの情報を提供することによって、ゼロ係数のみを有するビットプレーンをマスキングするステップを更に含む。

好適な実施例において、デジタル画像表現を得ることは、変換係数により画像表現を生成するような前記画像データの変換符号化を含む。変換符号化は、関連付けられた近隣ピクセル（例えば、ウェーブレット、エッジレット（edgelet）、ブラッシュレット（brushlet）、コサインパケット等）をもたらすいかなる変換も有しうる。

好適な実施例において、前記変換符号化は、ウェーブレット変換符号化である。ウェーブレット変換符号化から受信された係数は、量子化されてもされなくてもよい。

本発明の他の態様において、画像データを符号化する装置が提供され、前記装置は、前記画像データのデジタル画像表現を取得し、
前記画像表現の直列化されたビットプレーンを生成し、
ゼロランシンボル及びランレングスを示す値によって各ビットプレーン内の０ビットシーケンスをランレングス符号化し、
符号語を生成するようにローカルコンテキストを共有する各ビットプレーン内のビット及び前記ゼロランシンボルを最適プレフィックス符号化し、前記ローカルコンテキストが所定数の近隣ビットによって与えられ、
各符号化されたビットプレーンに対して前記符号語を順次的に出力する
ように構成される。

更に他の態様において、復号する方法が提供され、前記方法は、
ビットストリームのヘッダセクションから前記ビットストリーム内のそれぞれの画像に属する複数の圧縮ビットプレーンの各々の第１のビットに対するポインタを取得するステップであって、各ビットプレーンが、所望の画質に基づいて、０ランレングス及び画素値を表す最初のｎビット値の特定のビットを表すプレフィックス符号化されたデータを有する当該ステップと、プレフィックス復号を適用することにより所定数のビットプレーンを復号するステップと、前記ヘッダセクションに含まれる前記ポインタを使用して前記所望の画質を得るのに必要とされるビットプレーンにランレングス復号するステップとを有する。最初のクイックレビューにとって十分でありうる低品質画像について、３つの最下位ビットプレーンは、結果画像が完全な再構成と比較してより高速に提供されうるように、画像復号から破棄されてもよい。

本発明の更なる態様において、処理ユニットにおいて実行可能なコンピュータプログラムが提供され、前記コンピュータプログラムは、前記処理ユニットにおいて実行される場合に、前記処理ユニットに、本発明の上記の態様による方法において規定される方法を実行させるプログラムコード手段を有する。

請求項１の画像データを符号化する方法、請求項８の装置、請求項１４の復号する方法及び請求項１５のコンピュータプログラムは、特に、従属請求項において規定されるような、同様の及び／又は同一の好適な実施例を有する。

本発明の好適な実施例は、従属請求項又は上記の実施例とそれぞれの独立請求項との任意の組合せであることができると理解されたい。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施例を参照して説明され、明らかになるであろう。

ウェーブレット符号化の原理を示す 本発明の好適な実施例を示す。 本発明の好適な実施例によるデータストリームの例示的な画像ブロックを示す。

図２は、本発明の一実施例を示す。本実施例は、ウェーブレット変換係数の圧縮に関して記載されており、画像符号化の分野で典型的に適用される任意の他の変換符号化、例えば、離散コサイン変換（DCT）が、代わりに使用されてもよい。

前記方法は、非変換符号化画像データに対しても機能する。ウェーブレット変換を使用すると、直列化は、サブバンドの３つのセットを生じ、すなわち、HLは、水平方向にハイパスフィルタリングされ、垂直方向にローパスフィルタリングされたサブバンドであり、LHは、水平方向にローパスフィルタリングされ、垂直方向においてハイパスフィルタリングされたサブバンドであり、HHは、水平方向及び垂直方向の両方においてハイパスフィルタリングされたサブバンドである。

変換符号化の後に受信される係数は、ビットプレーン−直列化される。すなわち、連続番号として画素（この場合、変換係数によって表される）の代わりに、前記係数が、ビットプレーンとして記憶され、各ビットプレーンは、画素信号を表す２進数の各々における所与のビット位置に対応するビットのセットである。例えば、８ビットデータ表現に対して、８つのビットプレーンが存在する。第１のビットプレーンは、最上位ビット（msb）のセットを含み、続いて、第２のビットプレーンは、次の下位ビットを含み、第８のビットプレーンが最下位ビット（lsb）を含むまで同様に続く。このような表現において、前記第１のビットプレーンは、通常、媒体の値の最も粗いが最も重要な近似値を与える。前記ビットプレーンの数が多いほど、最終段階に対する寄与が少なくなる。したがって、ビットプレーンを追加することは、より良い近似を与える。

JPEG2000からのEBCOTのような複雑なビットプレーンコーダを使用する代わりに、非常に単純な最適プレフィックスコーダ、例えば、ハフマンコーダ（Huffman coder）は、前記ビットプレーンのローカルコンテキスト、例えば、本例において近隣の４×２ビット（これは、図２において破線の画素のセットを示す参照番号100によって示されている）として使用される。ローカルコンテキストを共に構成する複数のビットを有することは、前記データ内の非ランダム性を持つパターンを効率的に圧縮することができる。

例えば、前記複数のビットプレーンは、０ランについて分析することができ、これは、ゼロランシンボル及び後に続く前記ランレングスを示す数字によってそれぞれの０ビットシーケンスを置き換えることによりランレングス符号化されることができる。好ましくは、ゼロラン符号化は、複数の非ゼロビットと同じローカルコンテキスト（例えば、４×２ビット）を有し、ゼロである複数のビットのグループに対して作用する。前記ゼロランシンボル及び前記ローカリティを共有するビットプレーンにおける他の全てのビットは、それから、最適プリフィックス符号化される。したがって、残りの複数の（非ゼロ）ビットのローカルコンテキストは、ゼロランレングス符号化によって破壊されない。

前記最適プレフィックスコーダは、ウェーブレット係数において頻繁に発生する０であるビットの大きなパッチに対してはそれほど効率的ではなく、加えて、０のみを使用して、ランレングスコーダ（連続したゼロの数を数え、それらを記憶する）は、圧縮比を大幅に改善する。

更に他のステップにおいて、前記圧縮された係数（最適プレフィックス＋０ランレングス符号化されている）は、ビットプレーンごとに重要度の順に記憶されてもよい。これは、第１のビットプレーンにおいて、符号が記憶され、次のプレーンにおいて最上位ビットが記憶され、最後のプレーンに至ると最下位ビットが記憶されることを意味する。各圧縮されたビットプレーンに前記ヘッダ内の対応するシークテーブルを記憶することにより、前記画像を漸進的に解凍することが可能である。低品質画像の高速生成は、任意の数の最下位ビットプレーンを考慮しないことにより可能にされる。

図３は、本発明の好適な実施例による画像ブロックシーケンスを示す。ヘッダセクションにおいて、前記ビットプレーンに関する情報、前記シークテーブル及びエントロピコーダ（例えば、ハフマンテーブル）、並びにオプションとしてビットプレーン全体がゼロエントリのみを有する場合にビットマスクが提供される。ウェーブレット符号化から生じる３つのサブバンドの各々について、LH、HL及びHHは、ｎビット係数表現の符号に関する第１のビットプレーンに続き、次いで最上位ビットに対するビットプレーンが続き、ここでは全てのサブバンドに対してビット８の後にビット７が続き、ビット0まで続く。

Claims (12)

1. 画像データを符号化する方法であって、前記方法は、
   前記画像データのデジタル画像表現を取得するステップと、
   前記画像表現の直列化されたビットプレーンを生成するステップと、
   ゼロランシンボル及びランレングスを示す値によって各ビットプレーン内の複数の０ビットシーケンスをランレングス符号化するステップと、
   ローカルコンテキストが所定数の隣接ビットによって与えられ、前記所定数の隣接ビットがそれぞれ、バイトシンボルにマッピングされ、前記ローカルコンテキストを共に構成する、各ビットプレーン内の複数のビット及び前記ゼロランシンボルをハフマン符号化して符号語を生成するステップと、
   各符号化されたビットプレーンに対する前記符号語を順次的に出力するステップと、
   を有し
   前記各ビットプレーンは、画素信号を表す複数の２進数の各々における所与のビット位置に対応する複数のビットのセットであり、
   前記デジタル画像表現を取得するステップは、前記画像データを変換符号化して変換係数によって画像表現を生成し、
   前記変換係数はビットプレーンごとに重要度の順に記憶される、
   方法。
2. ビットストリーム内のそれぞれの画像のヘッダセクションにおいて前記ビットストリーム内の各圧縮ビットプレーンの第１のビットに対するポインタを提供するステップ、
   を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記０ビットシーケンス内の０ビットの量を記憶するために使用されるビットの量が、それぞれのデータセットに対してゼロビットパターンの評価に基づいて選択され、
   前記ローカルコンテキストが、Ｎ次元データセットにおける隣接ビットを有する、
   請求項１に記載の方法。
4. 前記所定数の隣接ビットが、８ビットの倍数である、請求項１に記載の方法。
5. 結果として生じるビットストリームのヘッダセクションにおいてそれぞれの情報を提供することにより、ビットプレーンをゼロビットエントリのみでマスキングするステップを有する、請求項１に記載の方法。
6. 前記変換符号化が、ウェーブレット変換符号化であり、及び／又はウェーブレット変換符号化から受信された前記係数が、量子化される、請求項１に記載の方法。
7. 画像データを符号化するための装置において、前記装置が、
   前記画像データのデジタル画像表現を取得し、
   前記画像表現の直列化されたビットプレーンを生成し、
   ゼロランシンボル及びランレングスを示す値によって各ビットプレーン内の０ビットシーケンスをランレングス符号化し、
   ローカルコンテキストが所定数の隣接ビットによって与えられ、前記所定数の隣接ビットがそれぞれ、バイトシンボルにマッピングされ、前記ローカルコンテキストを共に構成する、各ビットプレーン内の複数のビット及び前記ゼロランシンボルをハフマン符号化して符号語を生成し、
   各符号化されたビットプレーンに対する前記符号語を順次的に出力し、
   前記各ビットプレーンは、画素信号を表す複数の２進数の各々における所与のビット位置に対応する複数のビットのセットであり、
   前記画像データを変換符号化して変換係数によって画像表現を生成し、
   前記変換係数はビットプレーンごとに重要度の順に記憶される、
   ように構成される装置。
8. 前記装置が、ビットストリームのヘッダセクションにおいて前記ビットストリーム内の各圧縮ビットプレーンの第１のビットに対するポインタを提供するように構成される、請求項７に記載の装置。
9. 前記装置が、それぞれのデータセットに対して、ゼロビットパターンの評価に基づいて選択される前記０ビットシーケンス内の０ビットの量を記憶するために使用されるビット量を選択するように構成され、及び／又は前記ローカルコンテキストが、Ｎ次元データセットにおける隣接ビットを有する、請求項７に記載の装置。
10. 前記装置が、前記所定数の隣接ビットをバイトシンボルにマッピングするように構成され、前記所定数の隣接ビットが、８ビットの倍数にセットされ、及び／又は前記装置が、結果として生じるビットストリームのヘッダセクションにおいてそれぞれの情報を提供することによって、ゼロエントリのみでビットプレーンをマスクするように構成される、請求項７に記載の装置。
11. 前記変換符号化が、ウェーブレット変換形式の符号化であり、及び／又は前記変換符号化から受信された係数が、量子化される、請求項７に記載の装置。
12. 処理ユニットにおいて実行可能なコンピュータプログラムにおいて、前記コンピュータプログラムが前記処理ユニットにおいて実行される場合に、前記処理ユニットに、請求項１乃至６に記載の方法を実行させるプログラムコード手段を有するコンピュータプログラム。

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