JP2811304B2

JP2811304B2 - 階調画像データの圧縮方法

Info

Publication number: JP2811304B2
Application number: JP7977587A
Authority: JP
Inventors: 久米川; 寛竹内
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 1987-04-02
Filing date: 1987-04-02
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2013-10-15
Also published as: JPS63246977A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明はＸ線写真やCT画像などの医用画像のような階
調画像のデータを圧縮する階調画像データの圧縮方法に
関する。（発明の背景）デジタル技術の進歩に伴ない、階調画像をデジタル化
して保存、伝送したり、種々のデジタル画像処理を施し
たりすることが頻繁に行なわれるようになった。しかし
ながら、階調画像は２値画像に比べて情報量が多く、従
って階調画像をデジタル化したときのデータ量の多さが
問題となっている。特に医用画像では、デジタル化する
ときの画素数および各画素に要するビット数が、たとえ
ば胸部Ｘ線写真では400万画素、８〜10ビットと膨大で
あり、データの保存や転送を行なう上で効率が悪い。そこで今日、医用画像を含む階調画像の膨大なデータ
を圧縮してコンパクト化するデータ圧縮技術が脚光を浴
びている。データ圧縮技術は大きく分けて可逆圧縮と非可逆圧縮
とに分類されるが、可逆圧縮では1/2〜1/3程度の低い圧
縮率しか望めないため、1/5以上の高い圧縮率が得られ
る非可逆圧縮方式、特に変換符号化方式が注目されてい
る。変換符号化とは、画像全体を小さなブロックに分割し
ブロック単位に直交変換を施し、これにより得られた変
換係数を量子化し、符号化する非可逆圧縮方式の１つで
あり、階調画像を圧縮するのに最も適した圧縮方法であ
る。変換符号化において、変換係数の交流成分の分布は、
ゼロにピークを持つガウス分布に近似されることが知ら
れており、このような分布を持つ変換係数の量子化を量
子化判定レベルにゼロを含むMid−Riser型量子化と，量
子化出力レベルにゼロを含むMid−trace型量子化とに分
類した場合、Mid−trace型量子化の方がブロック内のラ
ンダムノイズが少なくてより好ましいことが報告されて
いる。しかしながら、Mid−trace型の量子化器を用いた
場合、圧縮率を高くすると成分固有のパターン画像が出
現するという欠点があり、拡大、階調、周波数処理など
の画像処理をしたとき不自然な画像が現われて復元画像
の忠実度が低くなるという問題がある。ところで、Mid−trace型量子化を行う場合の復元画像
の画質は、圧縮時の量子化段階でゼロに量子化された変
換係数交流成分の個数と強い相互関係があることがわか
る。すなわち、復元画像の各ブロックの画像は、量子化
時にゼロ以外に量子化された変換係数交流成分の成分固
有のパターンの加重和となっているため、ゼロ以外に量
子化される変換係数交流成分の個数が少ない、言い換え
ると、ゼロに量子化される個数が多い場合は成分固有の
パターン画像が復元画像内に出現する。そこで成分固有
のパターン画像の出現を抑制するには、量子化出力レベ
ルがゼロとなる量子化判定レベルの量子化幅を狭めてゼ
ロに量子化される変換係数交流成分の個数を少なくす
る。言い換えると、ゼロ以外に量子化される個数を多く
すればよいが、そううすると符号化時の平均符号長が増
加するため圧縮率が低下してしまう。従って、ゼロに量子化される変換係数交流成分の発生
頻度を各ブロックごとに調べる。ブロック内の全体の変
換係数交流成分の個数は決まっているので、ゼロ以外の
個数を調べることと同様である。これにより成分固有の
パターン画像が表れやすいブロックを検出し検出された
ブロックのみ量子化幅を狭めることによりパターン画像
の出現を抑制した復元画像を得ることができることに気
がついた。（発明の目的および構成）本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、Mid
−trace型の量子化を行なう変換符号化方式を用いて医
用画像を含む階調画像のデータを圧縮するに当り、成分
固有のパターン画像の発生を防ぎ、高圧縮率で高画質な
復元画像を得ることを目的とし、この目的を達成するた
めに、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、該ブロック毎に直交変換を行って得られる
変換係数を量子化し符号化する階調画像データの圧縮方
法において、前記変換係数のとりうる値の範囲を予め定
められた複数の区間に分割し、前記分割された少なくと
も１つの区間における前記変換係数の発生頻度を求め、
前記求められた発生頻度に基づいて前記ブロック毎に変
換係数の量子化幅を決定し、圧縮を行うようにしたもの
である。（実施例）以下本発明を図面に基づいて説明する。第１図は本発明による階調画像データ圧縮方法の一実
施例を示すブロック図である。図においてフレームメモリ１には、圧縮対象となる階
調画像データ（本例では、１画素当りのビット数を８ビ
ットとする）が格納されており、まず読み出し装置２が
フレームメモリ１から画像データをブロック単位に読み
出す（本例では、ブロックサイズをライン方向、カラム
方向にそれぞれ16画素とする）。読み出されたブロック
データは、２次元ディスクリートコサイン変換（2D−DC
T）装置３によりコサイン変換され１ブロック分256個の
変換係数を得る。次に、こうして得られた256個の変換係数のうち１個
の直流成分を除く255個の変換係数交流成分は、量子化
装置４により基本量子化幅w_oで一様量子化され、各変換
係数ごとに固定長符号である係数番号と極性番号のペア
を得る。係数番号と極性番号のペアは、ブロックバッフ
ァメモリ６に一時的に格納されるとともに、係数番号は
クラス分け装置５へ送られる。クラス分け装置５では、量子化装置４から送られてく
る１ブロック分の係数番号と、端子52から入力される圧
縮率パラメータによりクラス分け処理を行ない、符号化
装置７へクラス番号を出力する。符号装置７はクラス分
け装置５から送られてくるクラス番号を読み込むと、ブ
ロックバッファメモリ６より１ブロック分の係数番号と
極性番号のペアを読み出し、変換係数交流成分の固定長
符号（番号）を可変長符号に変換して端子８へ出力す
る。符号データは端子８から送信されるかメモリへ格納
される。第２図は量子化装置４の一例である。まず端子41から１ブロック分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が入力される。255個
の変換係数は、絶対値回路42により絶対値がとられると
同時に、極性判定回路43により変換係数の正負の判定が
行なわれる。極性判定回路43は判定結果を極性番号とし
て端子47に出力する。ここでは、極性番号を１ビット符
号で表わし、変換係数が負の場合は“1"、正の場合は
“0"とする。一方、絶対値回路42から出力された変換係数の絶対値
は除算回路44により基本量子化幅w_oで割り算される。割
り算結果は切り捨て回路45によって小数点以下の切り捨
てが行なわれ（この結果を係数番号と呼ぶ）、端子46お
よび端子47に出力される。端子46はクラス分け装置５に
接続されており、端子47はブロックバッファメモリ６に
接続されている。端子41から入力された１つの変換係数
に対して得られる極性番号と係数番号は２つで１組のペ
アをなし、端子47よりブロックバッファメモリ６へ一時
的に格納される。一方、各ブロックの直流成分は充分小さい量子化幅w
_dcで一様量子化されるか、もしくは量子化を行なわずに
他の255個の変換係数交流成分と同様にブロックバッフ
ァメモリ６へ一時的に格納される。第３図に直流成分を除いた変換係数交流成分の量子化
の様子を示す。横軸が変換係数の値であり、縦軸は変換係数の発生頻
度である。第３図（ａ）により示される番号列は切り捨
て回路45から出力される係数番号（ｋ）列であり、第３
図（ｂ）により示される番号列は極性判定回路43から出
力される極性番号（ｊ）列である。次に第４図はクラス数を４とした場合のクラス分け装
置５の一例である。端子51は第２図の端子46と接続されており、量子化装
置４から出力される係数番号がここから入力される。こ
こで係数番号をｋ（ｋ＝0,1,2,3,4…）で表わすと、端
子51から入力された係数番号ｋはカウンタ制御LUT53に
より４ビットの第１次カウンタ制御コードC_i（ｉ＝0,1,
2,3）に変換される。第５図（イ）にカウンタ制御LUT53の一例を示す。一方、端子52からは、ユーザーが端末（図示せず）か
ら入力した圧縮率パラメータＰが入力される。本例の場
合圧縮率は２通り用意されており（Ｐ＝0,1）、Ｐが大
きいほど圧縮率が高くなることを意味する。端子52から
入力された圧縮率パラメータＰは、圧縮率制御LUT54に
より、４ビットの圧縮率制御コードe_pに変換される。第
５図（ロ）には圧縮制御LUT54の一例を示す。次にOR回路55は第１次カウンタ制御コードc_iと圧縮率
制御コードe_pとを取り込み、両者の論理和である４ビッ
トの第２次カウンタ制御コードd_iを求める。 d_i← c_i∪ e_p 次にカウンタ制御回路56は第２次カウンタ制御コード
d_iを取り込み、カウンタ回路57内のカウンタ０からカウ
ンタ３までの４個のカウンタをd_iの各ビットのon/off状
態によって制御する。第２次カウンタ制御コードd_iの各
ビットは下位ビットから順にカウンタ０、カウンタ１、
カウンタ２、カウンタ３に対応づけされており、ビット
がon（＝１）の場合はカウンタ制御回路56が対応するカ
ウンタを＋１カウントアップし、ビットがoff（＝０）
の場合は対応するカウンタのカウントアップを行なわな
い。第５図（ハ）にd_iの各ビットと各カウンタとの対応
関係を示す。なお、c_i,e_pについても各カウンタと同様
の対応関係が成立する。第６図は、圧縮率パラメータＰもしくは圧縮率制御コ
ードe_pと各カウンタの動作範囲の関係を示す図である。
各圧縮率パラメータＰ（各e_p）に対して、各カウンタは
第６図の矢印で示される範囲の係数番号ｋについてのみ
動作する。ただし、本例では、カウンタ３はＰの値にか
かわらず、すべての係数番号ｋに対して動作するため、
１ブロック分のクラス分け作業が終了をカウンタ３によ
り知ることができる。従って他にカウンタ３と同様のカ
ウンタを所有する場合はカウンタ３を省略してもよい。次に、比較回路58の比較処理手順を第７図のフローチ
ャートに示す。比較回路58は常にカウンタ３のカウント値をチェック
しており（Ｆ−１）、カウント値が255に満たないとき
は比較回路58は待機状態にある。カウンタ３のカウント
値が255になると、比較回路58はカウント閾値LUT59から
出力されるカウント閾値S_pを読み込む。第５図（ニ）に
カウント閾値LUT59の一例を示す。カウント閾値S_pと
は、端子52から入力される圧縮率パラメータＰに対して
発光される、カウント値に対する閾値である。比較回路
58がカウント閾値S_pを読み込むと、このS_pとカウンタ２
のカウンタ値の比較を行なう（Ｆ−２）。その結果、
（１）もしカウント閾値S_pがカウンタ２のカウント値
以上であればクラス番号ｍを３にセットし（Ｆ−３）、
S_pがカウンタ２のカウント値より小さければS_pとカウン
タ１のカウント値とを比較する（Ｆ−４）。（２）カウント閾値S_pとカウンタ１のカウント値との
比較において、S_pがカウンタ１のカウント値以上であれ
ば、クラス番号ｍを２にセットし（Ｆ−５）、S_pがカウ
ンタ１のカウント値より小さければS_pとカウンタ０のカ
ウント値を比較する（Ｆ−６）。（３）カウント閾値S_pとカウンタ０のカウント値との
比較において、S_pがカウント値以上であれば、クラス番
号ｍを１にセットし（Ｆ−７）、S_pがカウンタ０のカウ
ント値より小さければ、クラス番号ｍを０にセットする
（Ｆ−８）。（４）クラス番号ｍがセットされると、端子510より
クラス番号ｍを出力して（Ｆ−９）、１ブロック分のク
ラス分け作業を終了し、カウンタ０からカウンタ３まで
の各カウンタのカウント値をゼロクリアする（Ｆ−1
0）。比較回路58から出力されるクラス番号ｍは、符号
化時にランレングス符号化される変換係数の範囲を示す
パラメータとなっている。すなわち、クラス番号がｍで
あるブロックの255個の交流成分に対して、変換係数の
絶対値が０以上A_m以下の領域内に存在する変換係数はラ
ンレングス符号化されることを意味する（第６図参
照）。第８図は符号化装置７の一例である。クラス分け装置５が１ブロック分のクラス分け作業を
終了すると、符号化装置７は端子79（端子79は第４図の
端子510と接続されている）からクラス番号ｍを読み込
み、量子化LUT73に格納されている４つの量子化テーブ
ルから量子化に用いるテーブルを１つ選択すると同時に
データ読み出し回路72にブロックバッファメモリ６から
のデータ読み出し指令を送る。データ読み出し回路72は
ブロックバッファメモリ６と接続されている端子71から
直流成分データと、255組の係数番号ｋと極性番号ｊ
（ｊ＝0or1）のペアとを読み込む。読み込まれたデータ
が直流成分であれば、端子78からデータを出力し、読み
込まれたデータが係数番号ｋと極性番号ｊのペアであれ
ばクラス番号ｍにより選択された量子化LUT73内の量子
化テーブルによって係数番号ｋおよび極性番号ｊを符号
番号ｌに変換する。第９図には量子化LUT73内の量子化テーブルの一例を
示す。本例は最終的量子化状態が第10図に示す一様量子化と
なるように、係数番号ｋを均等に区分けした例である
が、このほかに係数番号ｋを不均等に区分けすることも
可能であり、基本量子化幅W_oの整数倍の最終的量子化幅
で一様でない量子化を行なうことができる。次に交流成分の符号化手順の一例を第11図のフローチ
ャートに示す。まず量子化LUT73より出力される符号番号ｌが内部に
符号通過カウンタ74aを有するゼロ判定回路74に送られ
る（Ｐ−１）。符号通過カウント74aは符号番号ｌを受
信すると、符号通過カウント値ｙを＋１カウントアップ
し（Ｐ−２）、ゼロ判定回路74が符号番号ｌのゼロ判定
を行なう（Ｐ−３）。もしｌがゼロであればゼロカウン
タ75のゼロカウント値ｚを＋１カウントアップした後
（Ｐ−４）、符号通過カウント値ｙが255になったかど
うかを判定する（Ｐ−11）。一方、ｌがゼロでなけれ
ば、ゼロカウント値ｚがゼロかどうかを判定し（Ｐ−
５）、ゼロであれば符号番号ｌを符号LUT76によって可
変長符号hlに変換して（Ｐ−６）端子78からhlを出力し
た後（Ｐ−７）符号通過カウント値ｙが255になったか
どうかを判定する（Ｐ−11）。もしゼロカウント値ｚが
ゼロでなければゼロカウント値ｚを符号LUT77によって
可変長符号r_zに変換し（Ｐ−８）、ゼロカウント値ｚを
ゼロクリアした後（Ｐ−９）、r_zを端子78から出力し
（Ｐ−10）、符号通過カウント値ｙが255になったかど
うかを判定する（Ｐ−11）。符号通過カウント値ｙの判定において、もしカウント
値ｙが255でなければ符号番号ｌを読み込むステップ
（Ｐ−１）にもどって上記の処理を繰り返し行なう。も
し符号通過カウント値ｙが255であれば（Ｐ−11）、ゼ
ロカウント値ｚがゼロであるかどうかを判定し（Ｐ−1
2）、ゼロであれば符号通過カウント値ｙをゼロクリア
して（Ｐ−13）、１ブロック分の変換係数の符号化作業
を終了する。ゼロカウント値ｚがゼロでなければ符号変
換ステップ（Ｐ−８）と、ゼロカウント値ｚのゼロクリ
アステップ（Ｐ−９）と、端子78への可変長符号r_z出力
ステップ（Ｐ−10）を経た後符号通過カウント値ｙをゼ
ロクリアし（Ｐ−13）１ブロック分の変換係数の符号化
作業を終了する。第12図（イ）は符号LUT76の一例を示す。本例は各クラスに共通のハフマン符号hlを用いた例で
ある。本実施例のように一様量子化を行なう場合は各ク
ラスごとに最適なハフマン符号hlを用いたときと各クラ
スに共通のハフマン符号hlを用いたときとで、圧縮率に
大きな違いがないため、各クラスに共通のハフマン符号
hlを用いることによりよりシンプルな装置化が可能とな
る。第12図（ロ）は符号LUT77の一例を示す。本例はゼロカウント値ｚに対して割り当てられるラン
レングス符号に各クラス共通のB1符号を用いた例であ
る。階調画像データを本方式で圧縮する場合の各ゼロラ
ン長の頻度分布はB1符号に適した指数関数適分布となる
ため、B1符号を用いることにより高い圧縮率を得ること
が可能となる。なお第12図（イ）および（ロ）において
Ｃおよびは０か１の値をとり、≠Ｃを満足する１ビ
ットの符号である。第13図は第８図におけるデータ読み出し回路72のデー
タ読み出し順序を示す。階調画像の変換係数は高周波成分ほど振幅が小さくな
る傾向が強いため、ゼロに量子化される成分の発生する
確立も高周波成分ほど高くなる。従って、第13図（イ）
もしくは（ロ）に示すように、低周波側から高周波方向
に向かって符号化すれば長いゼロランが発生する確立が
高まり、有効なランレングス符号化を行なうことができ
る。第14図に符号構成の一例を示す。第14図（イ）は１フレームの画像全体を圧縮した結果
の符号例であり、ヘッダ部とそれに続く各ブロックの符
号と、データ終了符号から成る。第14図（ロ）はヘッダ部構成の一例であり、ブロック
サイズ（本例では16）、画像ライン方向のブロック数、
画像カラム方向のブロック数および圧縮率パラメータＰ
が格納されている。第14図（ハ）は各ブロックの符号構成の一例であり、
クラス番号ｍ（本例では２ビットの固定長符号）、直流
成分符号（固定長符号）、それに続く交流成分符号列
（可変長符号列）より成る。交流成分符号列は同図
（ニ）に示すようなｑ個（１≦ｑ≦255）の符号より成
る係数符号列（可変長符号列hl₁,hl₂,…hl_q）と同図
（ホ）に示すようなラン長符号（可変長符号r_z）とが交
互に並ぶ構成となる。以下に本実施例に用いた各種パラメータの一例を示
す。基本量子化幅w₀＝0.5 A₀＝0.5,A₁＝1.0 A₂＝1.5,A₃＝2.0 S₀＝200,S₁＝225 なお上記パラメータは原画像の画素当りの情報量がｎ
ビット（本例ではｎ＝８）でブロックサイズがＮ×Ｎ
（本例ではＮ＝16）のとき、ブロック画像をｆ（x,
y）、変換係数行列をＦ（u,v）で表わした２次元ディス
クリートコサイン変換式（次式に示す）をフローティン
グポイントで計算した場合の値である。また本発明においては、２次元ディスクリートコサイ
ン変換装置３の代りに、他の直交変換装置、たとえば２
次元のディスクリートなアダマール変換装置、スラント
変換装置などを用いてもよい。また本発明ではブロック
サイズを16×16のサイズに限定するものではなく、８×
８、32×32、64×64などのサイズでも適応可能であり、
また原画像の１画素当りのビット数も８ビットに限定す
るものではない。またクラス分け装置５において、特定
区間内の係数番号ｋをカウントする際、特定区間を多数
設けず、１つの特定区間内に存在する係数番号ｋの個数
の大小に基づいてクラス分けを行なうことも可能であ
る。また、本発明におけるクラス分けパラメータを他の
クラス分けパラメータと組合せてクラス分けを行うこと
も可能である。（発明の効果）以上説明したように、本発明においては、変換係数の
とりうる値の範囲を予め定められた複数の区間に分割
し、分割された少なくとも１つの区間における変換係数
の発生頻度を用いることにより、復元画像の画質、特に
Mid−trace型量子化の欠点である成分固有のパターン画
像の発生度合に基づいた量子化が可能となり、たとえば
頻度の高いブロックは頻度を低くするように量子化幅を
決めることにより、パターン画像の発生を抑制し、高画
質の復元画像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明による階調画像データ圧縮方法の一実施
例のブロック線図、第２図は第１図に示した量子化装置
の一例のブロック線図、第３図は変換係数交流成分を量
子化して得られる係数番号と極性番号とを変換係数の発
生頻度との関係で示す図、第４図は第１図に示したクラ
ス分け装置の一例のブロック線図、第５図（イ）はカウ
ンタ制御LUT、（ロ）は圧縮率制御LUT、（ハ）は第２次
カウンタ制御コードと各カウンタの対応関係、（ニ）は
カウント閾値LUTをそれぞれ示す図、第６図（イ）およ
び（ロ）カウンタ回路内の各カウンタの動作範囲を示す
図、第７図は比較回路の比較手順を示すフローチャー
ト、第８図は第１図に示した符号化装置の一例のブロッ
ク線図、第９図は第８図に示した量子化LUTの一例、第1
0図は最終的量子化状態の一例、第11図は第１図に示し
た符号化装置による交流成分符号化手順を示すフローチ
ャート、第12図（イ）および（ロ）はそれぞれ第８図の
２つの符号LUTの一例、第13図（イ）および（ロ）は第
８図のデータ読出し回路におけるデータ読出し順序を示
す図、第14図（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）、（ホ）
は符号構成の内容の一例を示す図である。１……フレームメモリ、２……読み出し装置、３……２
次元ディスクリートコサイン変換装置、４……量子化装
置、５……クラス分け装置、６……ブロックバッファメ
モリ、７……符号化装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＮＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳＶＯＬ．ＣＯＭ−25［11］（1977) Ｐ．1285−1292（第６図)

Claims

(57)【特許請求の範囲】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、該ブロック毎に直交変換を行って得られる変
換係数を量子化し符号化する階調画像データの圧縮方法
において、前記変換係数のとりうる値の範囲を予め定められた複数
の区間に分割し、前記分割された少なくとも１つの区間
における前記変換係数の発生頻度を求め、前記求められ
た発生頻度に基づいて前記ブロック毎に変換係数の量子
化幅を決定することを特徴とする階調画像データの圧縮
方法。２．前記変換係数の発生頻度としてゼロに量子化される
変換係数の発生頻度を求めることを特徴とする特許請求
の範囲第１項に記載の階調画像データの圧縮方法。３．前記分割された区間における変換係数の発生頻度を
求める際に、前記変換係数の絶対値に対しての発生頻度
を求めることを特徴とする特許請求の範囲第１項または
第２項に記載の階調画像データの圧縮方法。４．前記直交変換が、２次元ディスクリートコサイン変
換であることを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２
項または第３項に記載の階調画像データの圧縮方法。