JPH06232764A - データ圧縮装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】順次的に関連するデータをその情報内容を完全
に維持した上で圧縮する。 【構成】個々のピクセルによって表されるディジタル形
式のビデオ・イメージ・データは、第１ピクセル位置に
ついて基準値を定義し相次ぐピクセル値を基準値からの
偏差に基づいてコード化し、このようにコード化された
ピクセルをカウントすることによって圧縮される。コー
ド化のビット数を各ピクセル値に伴う元ビット・カウン
トより少なくすることによって圧縮が行われる。基準値
またはコード化範囲は元イメージ・データの情報内容を
維持するために必要に応じて調整される。本発明はマル
チメディア・ファイルについても使用可能であり、この
場合コード化は１ピクセルまたは複数ピクセルの時間的
関係に基づいて行われる。 【効果】有効な圧縮比と元イメージに対する良好な整合
性が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般的に言ってデータ圧
縮に関する。更に具体的には、本発明は元の情報内容を
完全に保ったままイメージ型のデータを圧縮する装置お
よび方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】データ圧縮、特にイメージ・データに関
するデータ圧縮は永年の間研究の対象となっている。コ
ンピュータ・ワークステーションにおけるグラフィック
スの使用の増大およびこれに伴う大量のデータの貯蔵の
結果、最近においてこの分野における関心が再燃し増大
してきている。データ貯蔵における圧縮の使用を動機ず
けたもう一つの技術動向は高解像度多色のビデオ・ディ
スプレイおよびこれに伴うピクセル数およびピクセル当
たりのデータの増大に由来している。

【０００３】データ圧縮のもう一つの側面は不正確な圧
縮および解圧縮によって劣化することのある情報の保存
に関する。例えば、医療分野におけるビデオ・イメージ
の使用の増大、およびこれに伴う高解像度および多色デ
ータ使用の増大は情報源が貯蔵、取りだしおよび伝送し
やすいばかりでなく、貯蔵、取りだし、伝送されたとき
に元の情報内容を完全に保っていることが必要である。
多くの既存の圧縮装置および方法はこの点に関し成功し
ていない、というのは、情報内容よりも情報量が重視さ
れるからである。

【０００４】イメージ・データの圧縮装置および方法の
例が従来技術に見られる。米国特許第４，３６９，４６
３号はデータ圧縮のために隣接ピクセル情報をエラー・
フィードバック型予測器で使用する量子化装置について
述べている。ＩＢＭテクニカル・ディスクロージュア・
ブレティン第２９巻第１号、１９８６年６月、第３７５
ないし３７８頁の「対数領域差動パルス・コード変調」
と題する論文はその表題で示された形のビデオ・イメー
ジ・データ圧縮について述べている。ＩＢＭテクニカル
・ディスクロージュア・ブレティン第２２巻第７号、１
９７９年１２月、第２９８０ないし２９８５頁の「ディ
ジタル・グレイ・レベル・イメージの垂直参照コーディ
ング」と題する論文は垂直方向の冗長特性を用いたグレ
イ・スケール・イメージ・データ圧縮につぃいて述べて
いる。米国特許第４，５３２，６５１号は、イメージ圧
縮を行うために隣接ピクセル情報に依存してデータの下
位有効ビットを選択的にかつ恒久的に除去するグレイ・
スケール・フィルタを用いている。

【０００５】米国特許第４，５４６，３８５号はビット
面を使用し、ビット面間の比較によって決められる白黒
領域の縁においてのみグレイ・スケール・データを保存
するイメージ・データ圧縮を開示している。米国特許第
４，７２５，８８５号は各ピクセル位置に割り当てられ
る縮小された大きさ範囲の選択を調整するために履歴デ
ータを使用するデータ圧縮を述べている。最後に、米国
特許第５，０８１，４５０号は個々の調整されたより大
きな群のレベルの色調および光度を組み合わせることに
よってビデオ・データを圧縮している。

【０００６】このような従来技術において用いられた種
々の手法は元情報の全内容の保存を犠牲にしてある程度
の圧縮を達成している。先にも述べたように、圧縮前の
データと解圧縮後のデータとの間の完全な整合性が欠如
していることは、医療分野の場合のように情報内容の正
確性が特定のイメージ領域で極めて重要である場合に
は、受け入れ難いことである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、イメージ・
データを効率的に圧縮および解圧縮するための装置およ
び方法を提供するとともに、情報内容を保持することに
ついての従来技術の欠点を克服するものである。ここで
定義され好適な形で実施されるところによれば、圧縮は
イメージの性質に適合するように圧縮の程度が調整可能
である。この後者の点に関していえば、圧縮率は圧縮さ
れる経路に沿ったイメージの揮発性に応じて調整可能で
ある。比較的に安定な状態にあるイメ−ジ領域にたいし
ては極めて大きな圧縮率が得られる。イメージの動的特
性が増すと圧縮率は減少する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】一つの形態において、本
発明は互いに関連する情報の一連の連続ブロックよりな
るデータを圧縮するための装置に関するものであり、こ
れは第１ブロックのデータから基準となる大きさ（基準
値）を定義するための手段と、第１の範囲内に入る値を
もつ２個以上の連続ブロックをこの基準値と比較するた
めの手段と、第１の範囲よりも小さい第２の範囲を用い
て２個以上の連続ブロックにあるデータの値を再定義す
るための手段と、基準値、再定義されたデータ・ブロッ
クおよびこの再定義されたデータ・ブロックを基準値に
関連ずけるカウント数の組み合わせを用いて圧縮された
データを発生するための手段とよりなるものである。も
う一つの形態においては、本発明は先に述べた装置およ
び方法を用いてデータを解圧縮するための装置および方
法、ならびにここに述べた圧縮方法を用いて貯蔵および
通信を行うシステムに関するものでもある。

【０００９】

【実施例】好適な形として、本発明はＩＢＭ社から一般
に入手できるＲＩＳＣシステム／６０００ワークステー
ションおよびＡＩＸオペレーティング・システムを使用
したコンピュータ・ワークステーションの環境で実現さ
れる。図１に機能ブロックにより示されるように、ワー
クステーションは独立ユニットとして構築されてよい。
本明細書において、イメージは圧縮されてワークステー
ムションの直近にあるハードディスクまたは光ディスク
のような非揮発性記憶装置に貯蔵されまた取り出され
る。現実的により可能性のある環境はローカル・エリア
・ネットワーク（ＬＡＮ）またはワイド・エリア・ネッ
トワーク（ＷＡＮ）のアプリケーションであり、この場
合元イメージ・フレームおよびデータ圧縮論理は一つの
ワークステーションに居住し、解圧縮論理およびイメー
ジ・フレームの貯蔵は遠隔地にある別のワークステーシ
ョンで行われて通信システムを介してＬＡＮまたはＷＡ
Ｎに接続される。何れの場合も本発明の概念に変わりは
ない。

【００１０】本発明はイメージ圧縮の事例を借りて記述
されるが、このアプリケーションはこの形式の圧縮から
大いに利益を得る可能性が高いものである。更に、イメ
ージ・データ圧縮は、可視的イメージをディジタル的に
提示するために大量のデータが必要な場合に特に時宜に
にかなった利点がある。しかしながら、本発明の根底に
ある概念はデータ・ブロックが逐次的に関連付けられ従
ってグループ化に適するようなアプリケーションに広く
適用できる。

【００１１】本発明は、ラスター・ビデオ表示の走査線
上で近接するピクセル間の変化が各ピクセルに割り当て
られた全範囲（レンジ）よりも小さい動的変化を呈する
という事実にその起源を発する。これは動的基準から比
較的少ない偏移を呈するグループにピクセルをグループ
分けすることを可能にする。ピクセルのこのようにグル
ープ分けされた領域における変化は、より少数のデータ
・ビットを以て量子化され、そのグループを定義するの
に必要な有効データをこれに従って圧縮する。種々の従
来技術の実施形態は集合的に固定値のイメージ値のこの
ようなグループ分けを呈するようにイメージ・データを
圧縮することができるが、その手法は元イメージ情報内
容を完全に維持するものではない。このことは、医療イ
メージのように大量のイメージ・データが存在し、これ
が貯蔵および伝送され、かつそれでも情報内容を不変に
保つ必要性のあるような分野では特に望ましくないこと
である。このことは一般に見られるＸ線のようなグレイ
・スケールのイメージであれ高解像度多色ＣＡＴ走査型
イメージであれ、言えることである。

【００１２】本発明の実施態様を説明する都合上、圧縮
および解圧縮されるイメージはイメージ情報のピクセル
当たり８ビットよりなるラスタ走査グレイ・スケール・
イメージであるものと仮定される。このような白黒イメ
ージですら高解像度表示は１００万ピクセル以上のピク
セルを含み、従って圧縮されない形では少なくとも８メ
ガバイトの貯蔵を要する。ここで目的とすることはイメ
ージ情報の全内容を維持しつつ０、２、または４ビット
形式でピクセル情報のある部分を貯蔵することである。

【００１３】本発明によれば、顕著な変化をしない隣接
ビットがグループ分けされ、イメージ全体に対して定義
されるグレイ・スケールよりも少ないビット数を以てコ
ード化される。説明を続ける都合上、グループのビット
をカウントするカウント・ビット数をｂと定義する。基
準ピクセルに対してｂビットでコード化できるピクセル
の数を累計するためにカウンタが用いらる。通常のラス
タ走査イメージの場合、圧縮はイメージの上左隅から開
始するのが好都合である。第１ピクセルのグレイ・スケ
ール・レベルは第１基準値として選択される。これは圧
縮された第１バイトとして記録される。基準ピクセルを
基準またはゼロ・レベルとしてもちいることによりコー
ド化されるピクセルの数を記録するために、この基準ピ
クセル値に続いて８ビット・バイトが留保される。イメ
ージ中の各ピクセルは相次いでいるものと考えられる。
次のピクセルのグレイ・レベルがＲ＋２^(b-1)−１とＲ
−２^(b-1)＋１との間の領域にある場合（Ｒは基準ピク
セルのグレイ・レベル）、カウントが１だけ増加されそ
のピクセルに付属する差がｂビットでコード化される。
この手順は一連のピクセルがｂビットでコード化可能な
所定範囲以上に基準ピクセルから離れた所に入るまで、
またはカウントが２５５という８ビット限界を超過する
まで続けられる。次いでこのカウントはそのグループ分
けに関連して記録され、そして新しい基準ピクセルが選
択される。この新しい基準ピクセルはその後ｂビットを
用いる以後のコード化のために基準として用いられる。

【００１４】値ｂは定値ではなく、従って圧縮の有効量
を良くするために情報の動的特性がｂレベルの変化を必
要とするような走査の過程において値ｂは調整可能であ
ることに留意されたい。

【００１５】８ビットグレイ・スケール・イメージの場
合、ｂの値はイメージの特性に応じて０、２、または４
の何れかでありうる。例えば、イメージまたはその部分
がほんの僅かしか情報を含んでいない場合、即ちピクセ
ルの大部分が固定レベル即ち背景レベルにある場合には
圧縮の見地からは０にコード化するのが非常に効率的で
ある。他方、イメージ・フレームまたはその部分がかな
りの動的特性を呈する場合にはピクセル当たり４ビット
のコード化が用いられるが、この場合には圧縮率の低下
を伴うことになる。もっとも単純な実施態様は圧縮され
るべき１またはそれ以上のイメージの全体的特性に基づ
いて単一のコード化値ｂを選ぶことである。

【００１６】図２および図３のフロウチャートは前述の
医療イメージのアプリケーションによって典型的に示さ
れたピクセル当たり８ビットの情報で本来定義されるグ
レイ・スケール・イメージの圧縮を特長ずけるステップ
および決定を図示する。図１に示されたように、このよ
うなイメージを表すデータが一旦圧縮されると、それは
爾後の取り出しのために貯蔵され、または遠隔地におけ
る使用のため何らかの通信装置を介して伝送されうる。

【００１７】解圧縮は逆の形で、前述の圧縮とは逆の作
用をする装置によって行われる。その動作および決定は
図４のフロウチャートに示されている。ここでも基準ピ
クセルが基準レベルを定義し、カウントは基準ピクセル
を参照してコード化された相次ぐピクセルの数を定義す
る。これによってイメージは完全かつ正確に再現され
る。

【００１８】イメージ・ファイルをコード化する特定の
例が図５に示される。図の中央にある相次ぐデータ・バ
イトによって示される元イメージ・ファイルはｂ＝４の
コード化を用いて図の左側に示すように、またｂ＝２の
コード化を用いて図の右側に示すように圧縮されてファ
イルに入れられる。ピクセル位置当たり２ビット（ｂ＝
２）を用いて圧縮するファイルの例では参照番号１で示
される第１バイトが値ｂを表す。図中参照番号２で示さ
れる第２バイトが基準値を表す。第３バイトはカウント
を表し、参照番号４で示される第４および第５バイトは
基準ピクセルに続く８個のピクセルについてのコード化
されたピクセル情報を表し、これはピクセル毎の基準値
からの偏差によって定められる。バイト１のみが各フレ
ームにつき１回伝送されるだけでよく、ここで値ｂは一
定値のままにとどまる。他方、バイト２、３、および４
のグループはピクセルの値が値ｂと基準値との組み合わ
せで定まる範囲の外側に入る都度伝送される。図４の左
に示したｂ＝４によるコード化の効果と比較されたい。

【００１９】図６は本発明によって定義される圧縮を行
う装置を図示する。前に述べたように本装置はワークス
テーションの中に一体化されてもよくまたは独立した装
置であってもよい。個々のピクセル・データはゲート６
を介して入力され、データ・レジスタ７に貯蔵され、ス
イッチ８により選択的に切り換えられて、それが基準ピ
クセル・データを表す場合にはレジスタ９に、またそれ
がコード化されたデータを表す場合にはブロック１１の
減算減論理に導かれる。カウンタ１２はピクセル情報が
基準レベルおよびコード化レベルに基いてコード化され
る都度増分される。基準値、カウント、および個別化さ
れたコード化ピクセル・データはバッファ１３へとゲー
トされる。図５の装置は固定レベルのコード化を用いた
圧縮を示す。別の異なるコード化レベルを扱う装置につ
いての変更は些細なものである。

【００２０】図７は圧縮装置とは相補的な解圧縮装置を
示す。図示のごとく、この装置はそのコード化レベルお
よび基準値に従ってピクセルの個数を追跡するカウンタ
１４、基準ピクセル値レジスタ１６、基準バイトを伝え
るスイッチ１７、コード化ピクセル・データを基準値と
加算する加算器１８、および解圧縮されたピクセル・デ
ータを選択的に配置するバッファ１９を有する。ここで
も図示された装置のコード化レベルはフレームまたはそ
れに類するものの初期化時には定値である。図５に例示
されたデータの順序ある配列はコード化レベルｂの変更
が解圧縮装置において直ちに実施可能であることを示
す。

【００２１】図８はマルチメディア情報への本発明の圧
縮の適用を示す。各ビデオ・フレームは圧縮の目的上依
然イメージとして取り扱うことができる。オーディオ情
報についても同様である。一旦圧縮されるとオーディオ
およびビデオ情報はその後の解圧縮および提示のために
貯蔵または伝送される。ビデオ圧縮の場合には、隣接ピ
クセル情報が単一ビデオ・フレームの二次元空間関係に
おいてのみならず相次ぐビデオ・フレーム中の対応ピク
セル位置の一時的な関係においても比較的に静的である
ことがあることを認識することによって幾分より効果的
な圧縮を行うことができる。このような場合、ビデオ。
フレームは時間的に配分された複数のイメージとして定
義することができ、圧縮の目的上はこれと同等である。
比較は複数時間増分にわたって単一ピクセル位置につい
ておこなわれてもよく、またはこの逐次の時間にわたっ
てピクセル位置のグループ分けについて行われてもよ
い。本発明により定義される圧縮は何れの場合にも適用
できる。

【００２２】

【発明の効果】本発明により定義される順次的に関係ず
けられたデータ、特にビデオ・イメージの圧縮は処理工
程の複雑性においてもその方法実施に関係する装置につ
いても共に効率的である。最も重要な点として、また従
来技術との差異において、本発明は元情報内容を完全に
維持した上でイメージ型の情報を圧縮するものであるこ
とが指摘される。

【図面の簡単な説明】

【図１】イメージ・データの圧縮、貯蔵、伝送、および
解圧縮を含むイメージ管理システムを概念的に示す図で
ある。

【図２】本発明の圧縮方法をフロウチャートで示す図で
ある。

【図３】本発明の圧縮方法をフロウチャートで示す図で
ある。

【図４】本発明の解圧縮方法をフロウチャートで示す図
である。

【図５】イメージに関係するデータ・ストリームによっ
て本発明の異なる実施態様を示す図である。

【図６】機能ブロック図の形で圧縮装置の実施例を示す
図である。

【図７】機能ブロック図の形で解圧縮を行う装置を示す
図である。

【図８】本発明によるマルチメディア環境での圧縮をブ
ロック図の形で示す図である。

【符号の説明】

図５中、１は第１バイトでありｂのビット数をしめす。
２は基準値を表す第２バイト、３は所定範囲に入るグレ
イ・レベル値を有するピクセルの個数を表す第３バイ
ト、４は各ピクセル値の基準値からの偏差値を表す第４
バイト。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シー・ゴン・リー アメリカ合衆国テキサス州オースティン ミスティックオークス トレイル 9402

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】順次的に関連する情報のデータを圧縮する
   ための装置において、 第１グループのデータから基準となる値（基準値）を定
   義するための手段と、 第１範囲内に入る値をもつ２個以上の連続グループ中の
   データをこの基準値と比較するための手段と、 第１の範囲よりも小さい第２の範囲を用いて２個以上の
   連続グループにあるデータの値を再定義するための手段
   と、 基準値、再定義されたデータのグループおよびこの再定
   義されたデータのグループを基準値に関連ずけるカウン
   ト数の組み合わせを用いて圧縮されたデータを発生する
   ための手段と、 よりなるデータ圧縮装置。
2. 【請求項２】前記再定義手段により前記第２範囲とは異
   なる第３範囲の方が好ましいことが検出されたことに応
   答して前記基準値を変更する手段を更に有する請求項１
   のデータ圧縮装置。
3. 【請求項３】前記再定義手段により前記第２範囲とは異
   なる第３範囲の方が好ましいことが検出されたことに応
   答して前記第２範囲を変更する手段を更に有する請求項
   １のデータ圧縮装置
4. 【請求項４】順次的に関連する情報を表すデータをグル
   ープの形に解圧縮するための装置において、 基準値、グループに対してコード化されたデータおよび
   このコード化されたデータを基準値に関連ずけるカウン
   ト数の組み合わせを含む圧縮データを受け取るための手
   段と、 コード化されたデータを前記基準値に関連付けることに
   より解圧縮されたデータのグループを発生するための手
   段と、 前記カウント値に対応して解圧縮されたデータのグルー
   プを発生するために前記基準値再使用するための手段
   と、 よりなるデータ解圧縮装置。
5. 【請求項５】前記解圧縮されたデータのグループを発生
   するための手段がコード化されたデータをグループ毎に
   前記基準値に加えることを特長とおする請求項４のデー
   タ解圧縮装置。
6. 【請求項６】圧縮された形の一連のブロックよりなるデ
   ータを伝送するためのシステムにおいて、 基準値とデータ値との差である偏移値を発生する手段
   と、 基準値、偏移値およびカウント。データを用いてデータ
   ・ブロックの第１の連糸であるデータを圧縮するための
   手段と、 前記データ圧縮手段によって作られた形でデータを伝送
   または貯蔵すための手段と、 前記データ圧縮手段によって作られた形でデータを受取
   りまたは取り出すための手段と、 受け取られ、または取り出されたデータをデータ・ブロ
   ックの前記第１の連糸の形に解圧縮するための手段と、 よりなるデータ伝送システム。
7. 【請求項７】前記偏移値はブロック毎に対応し、より小
   さい大きさの範囲を使用することを特長とする請求項６
   のデータ伝送システム。
8. 【請求項８】順次的のブロックよりなるデータを圧縮す
   るための方法において、 第１ブロックのデータから基準となる大きさ（基準値）
   を定義する段階と、 第１範囲内に入る大きさをもつ連続ブロック中のデータ
   をこの基準の大きさと比較する段階と、 第１の範囲よりも小さい第２の範囲を用いて連続ブロッ
   ク中のデータの大きさを再定義する段階と、 基準値、再定義されたデータのブロックおよびこの再定
   義されたデータのブロックを基準の大きさに関連ずける
   カウント数の組み合わせを用いて圧縮されたデータを発
   生する段階と、 よりなるデータ圧縮方法。
9. 【請求項９】前記再定義手段により前記第２範囲とは異
   なる第３範囲の方が好ましいことが検出されたことに応
   答して前記基準の大きさを変更する段階を更に有する請
   求項８のデータ圧縮方法。
10. 【請求項１０】前記再定義手段により前記第２範囲とは
    異なる第３範囲の方が好ましいことが検出されたことに
    応答して前記第２範囲を変更する段階を更に有する請求
    項８のデータ圧縮方法
11. 【請求項１１】ピクセルに関連ずけられた一連のデータ
    ・バイトとして発生されるラスタ走査イメージを表すデ
    ータを圧縮する装置において、 第１ピクセルを表すデータから基準値を定義する手段
    と、 第１範囲内に入る大きさをもつ連続ピクセル中のデータ
    をこの基準値と比較するための手段と、 第１の範囲よりも小さい第２の範囲を用いて一連のピク
    セルについての偏移値を発生するための手段と、 基準値、再定義されたデータのブロックおよびこの再定
    義されたデータのブロックを基準値に関連ずけるカウン
    ト数の組み合わせを用いて圧縮されたデータを発生する
    ための手段と、 よりなるデータ圧縮装置。 【０００１】