DE10050951A1 - Process for the acquisition, organization, processing, transmission and archiving of one- and multi-dimensional, digital data, especially still and moving image data - Google Patents

Process for the acquisition, organization, processing, transmission and archiving of one- and multi-dimensional, digital data, especially still and moving image data

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Abstract

The invention relates to a method for recording, organizing, processing, transmitting and archiving one-dimensional and multi-dimensional digital data of any type (e.g. still or moving image data). The inventive method combines a reversible (lossless) compression with the use of a processing module, which increases the attainable compression rates without changing relevant components of the signal or, alternatively, a module is used for adaptively selecting an appropriate quantization parameter for an optimal lossy (irreversible) compression and carries out a structured buffering of the input data with priority-controlled processing. The inventive method is for use, among other things, in the fields of telemedicine, digital radiological image processing, image archiving, video surveillance, and video recording.

Description

Gegenwärtige Kompressionssysteme (siehe z. B. DE 196 26 615 A1) bestehen im Wesentlichen aus folgenden Teilprozessen:Current compression systems (see e.g. DE 196 26 615 A1) exist in Essentially from the following sub-processes:

Dekorrelationdecorrelation

Sie hat die Aufgaben, die vorliegenden Daten in einen anderen Darstellungsbereich zu überführen, in welchem die Energie der Daten auf möglichst wenige, sogenannte Transformationskoeffizienten konzentriert ist. Zum Einsatz kommen hierfür Transformationen oder prädiktive Techniken.It has the task of transferring the available data to another Display area in which to transfer the energy of the data to the greatest possible extent few, so-called transformation coefficients is concentrated. Are used for this transformations or predictive techniques.

Quantisierungquantization

Sie wird verwendet, wenn irrelevante Datenbestandteile entfernt werden sollen. Die Zahlengenauigkeit der Transformationskoeffizienten wird hierbei herabgesetzt. Viele Transformationskoeffizienten werden zu Null quantisiert. Die Quantisierung ermöglicht hohe Kompressionsraten, verändert jedoch die digitale Information. Der Codierungsprozess wird durch den Verlust an Informationen irreversibel.It is used when irrelevant data components are removed should. The numerical accuracy of the transformation coefficients is reduced. Many transformation coefficients are quantized to zero. The quantization enables high compression rates, but changes the digital information. The The coding process becomes irreversible due to the loss of information.

PräcodierungPräcodierung

Sie nutzt verbliebene oder durch die Quantisierung neu hinzugekommenen statistischen Bindungen zwischen den Transformationskoeffizienten für eine Umstrukturierung der Daten. Resultat ist eine Symbolfolge mit möglichst geringer Entropie.It uses the remaining ones or those added by the quantization statistical bonds between the transformation coefficients for a Restructuring of the data. The result is a symbol sequence with as little as possible Entropy.

Entropiecodierungentropy

Sie codiert die Symbolfolge und erzeugt einen Bitstrom, der die Dateninformation in einer kompakten Form mit möglichst geringem Speicherplatzbedarf enthält.It encodes the symbol sequence and generates a bit stream that the Data information in a compact form with as little storage space as possible contains.

Gegenwärtige Systeme der elektronischen Datenverarbeitung für den Transport und die Archivierung verarbeiten die empfangenen Daten sequentiell. Manche Systeme führen weitere Datenmodifikationen durch wie z. B. verlustfreie oder verlustbehaftete Datenkompressionen. Diese werden entweder sequentiell nach dem Empfang der Daten abgearbeitet, nach dem Empfang eines vollständigen Datensatzes, aufgrund einer manuellen Aufforderung, zu bestimmten Zeitpunkten oder nach einem bestimmten Zeitraum. Current systems of electronic data processing for transportation and the Archiving process the received data sequentially. Some systems run further data modifications by such. B. lossless or lossy Data compressions. These are either sequential upon receipt of the data processed, after receiving a complete data record, due to a manual request, at certain times or after a certain Period.  

Die komprimierten oder nativ abgelegten Daten können nach verschiedenen Kriterien weitergeleitet oder abgerufen werden.The compressed or natively stored data can be based on various criteria forwarded or retrieved.

Das Problem bei bekannten Verfahren zur Kompression von Bilddaten und anderen Signalen ist der Widerspruch von hohen Kompressionsraten einerseits und hoher Rekonstruktionsqualität andererseits. Die beste Qualität wird durch reversible Kompression unter Ausschluss der Quantisierung erzielt. Die Kompressionsraten sind hierbei im Allgemeinen jedoch am geringsten, insbesondere dann, wenn die Daten einen Rauschanteil aufweisen, der zum Beispiel durch das Aufnahmeverfahren bedingt sein kann.The problem with known methods for compressing image data and others Signals is the contradiction between high compression rates on the one hand and high ones Reconstruction quality on the other hand. The best quality is due to reversible Compression achieved excluding quantization. The compression rates are however, this is generally the least, especially if the data unites Have noise component, which may be due to the recording process, for example can.

Ein weiteres Problem besteht darin, dass für bestimmte Anwendungen (z. B. in der Medizin) irreversible (verlustbehaftete) Codierungsschemata nicht erwünscht oder nicht zulässig sind und damit die erzielbaren Kompressionsraten begrenzt sind.Another problem is that for certain applications (e.g. in the Medicine) irreversible (lossy) coding schemes are undesirable or not are permissible and the achievable compression rates are limited.

Des weiteren ist es in bekannten verlustbehafteten Kompressionssystemen (mit Quantisierung) schwierig, einen optimalen Wert für die Stärke der Irrelevanzreduktion zu finden. Ursache ist der stark variierende Anteil irrelevanter Informationen. Als irrelevant werden alle Signalbestandteile bezeichnet, die für die Auswertung der Daten (z. B. das Betrachten von Bildern) nicht erforderlich sind. Ein moderater Quantisierungsparameter kann zwar für eine bestimmte Klasse von Signalen gute bis sehr gute Rekonstruktionsqualitäten garantieren, verhindert jedoch für Signale mit anderen Eigenschaften eine optimale Kompression. Eine zu starke Quantisierung kann im Gegensatz hierzu eine zu hohe Beeinträchtigung der Qualität bei bestimmten Daten führen.Furthermore, in known lossy compression systems (with Quantization) difficult to get an optimal value for the strength of the irrelevance reduction Find. The reason is the widely varying proportion of irrelevant information. As irrelevant All signal components are designated that are necessary for the evaluation of the data (e.g. the Viewing images) are not required. A moderate quantization parameter can be good to very good for a certain class of signals Guarantee reconstruction qualities, but prevents for signals with others Properties an optimal compression. Too much quantization can occur in the Conversely, this can lead to an excessive deterioration in quality for certain data.

Systeme zur verlustbehafteten und verlustfreien Datenkompression benötigen für die Codierung und Encodierung einen erheblichen Rechen- und damit Zeitaufwand. Dieser kann z. B. bei großen Bilddatenvolumen im medizinischen Bereich zu teilweise erheblichen unerwünschten Verzögerungen führen.Systems for lossy and lossless data compression need for that Coding and encoding require a considerable amount of computing time and therefore time. This can e.g. B. with large image data volumes in the medical field to some considerable unwanted delays.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung, Organisation, Verarbeitung, Übertragung und Archivierung von ein- und mehrdimensionalen, digitalen Daten insbesondere stehender und bewegter Bilddaten.The invention relates to a method for recording, organizing, processing, Transfer and archiving of one- and multi-dimensional, digital data especially still and moving image data.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein- und mehrdimensionale Daten insbesondere Bilddaten wirtschaftlich zu erfassen, zu organisieren, zu verarbeiten, zu übertragen und zu archivieren. Die Wirtschaftlichkeit ist z. B. durch kurze Prozesszeiten, geringen Speicherplatzbedarf und einfachen Zugriff gekennzeichnet.The invention is based on the object to economically capture one- and multi-dimensional data, especially image data organize, process, transfer and archive. The economy is  z. B. through short process times, low space requirements and easy access characterized.

Diese Aufgaben werden mit den Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 4 gelöst.These tasks are solved with the method according to claims 1 and 4.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die zugehörigen Figuren zeigen:The invention is explained in more detail using the following exemplary embodiments. The associated figures show:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines typischen Kompressionssystems, Fig. 1 is a schematic representation of a typical compression system,

Fig. 2: Beispiele für die Kombination von Verarbeitungsmodul und reversibler Kompression zur Verbesserung der Kompressionsleistung Fig. 2: Examples of the combination of processing module and reversible compression to improve the compression performance

Fig. 3: die adaptive Bestimmung von Quantisierungsparameter in verlustbehafteten Kompressionssystemen. Fig. 3: the adaptive determination of quantization parameter in lossy compression systems.

Fig. 4: Flussdiagramm der Datenorganisation Fig. 4: Flow chart of data organization

Die Lösung der oben genannten Probleme umfasst die Kombination der reversiblen (verlustfreien) Kompression mit einem Verarbeitungsmodul, welches die erreichbaren Kompressionsraten vergrößert ohne relevante Bestandteile des Signals zu verändern, alternativ den Einsatz eines Moduls zur adaptiven Auswahl eines geeigneten Quantisierungsparameters für eine optimale verlustbehaftete (irreversible) Kompression sowie eine strukturierte Pufferung der Eingangsdaten mit prioritätsgesteuerter Abarbeitung.The solution to the above problems involves the combination of the reversible (lossless) compression with a processing module, which the achievable Compression rates increased without changing relevant components of the signal, alternatively the use of a module for the adaptive selection of a suitable one Quantization parameters for an optimal lossy (irreversible) compression as well as a structured buffering of the input data with priority-controlled processing.

Zunächst wird die Arbeitsweise des Verarbeitungsmoduls für die reversible Kompression erläutert.First, the operation of the processing module for reversible compression explained.

Ziel der Verarbeitung ist die Aufbereitung der Daten derart, dass eine Erhöhung der anschließenden reversiblen Kompression erreicht werden kann. Dies ist aufgrund von in nicht-synthetischen Signalen vorhandenen Irrelevanzen möglich. Diese irrelevanten Bestandteile werden im Folgenden als Rauschen bezeichnet. Um die technische Beschreibung zu vereinfachen, wird der Prozess der Verarbeitung in zwei Teilprozesse unterteilt:
The aim of the processing is to prepare the data in such a way that an increase in the subsequent reversible compression can be achieved. This is possible due to the irrelevance present in non-synthetic signals. These irrelevant components are referred to below as noise. To simplify the technical description, the process of processing is divided into two sub-processes:

  • 1. Rauschdetektion: Sie analysiert das Signal hinsichtlich vorhandener Rauschanteile und markiert diese.1. Noise detection: It analyzes the signal with regard to existing noise components and marks this.
  • 2. Rauscheliminierung: Sie entfernt die markierten Rauschanteile2. Noise elimination: It removes the marked noise components

Die Rauschdetektion kann zum Beispiel durch folgende Operationen durchgeführt werden. Es sei angenommen, dass sich ein vorliegendes Signal S[n, m] aus der tatsächlichen (originalen) Signalinformation So[n, m] und einem Rauschanteil Z[n, m] zusammensetzt
The noise detection can be carried out, for example, by the following operations. It is assumed that a present signal S [n, m] is composed of the actual (original) signal information S o [n, m] and a noise component Z [n, m]

I[n, m] = Io[n, m] + Z[n, m]
I [n, m] = I o [n, m] + Z [n, m]

und das Rauschen nicht impulsartiger Natur ist. Der Rauschanteil konzentriert sich somit je nach Stärke des Rauschens auf die unteren Bitebenen von S[n, m]. Aufgabe der Rauschdetektion ist nun, durch geeignete Maßnahmen Bitebenen aufzuspüren, die keine oder nur geringe Korrelation zwischen den Signalwerten erkennen lassen, also keine relevanten Signalinformationen enthalten.and the noise is not impulsive in nature. The amount of noise is therefore concentrated according to the level of noise on the lower bit levels of S [n, m]. Task of Noise detection is now to use suitable measures to find bit planes that are not or only show a slight correlation between the signal values, i.e. none contain relevant signal information.

Die Rauscheliminierung schneidet alle gefundenen, verrauschten Bitebenen ab. Die tatsächliche, nicht oder nur noch leicht verrauschte Signalinformation bleibt somit vollständig erhalten.The noise elimination cuts off all found, noisy bit planes. The actual signal information, which is not or only slightly noisy, thus remains completely preserved.

In diesem Verarbeitungsbeispiel wird die Kompressionssteigerung durch die Reduktion der Zahl der Bitebenen im originalen Bereich (Fig. 2, links) bzw. transformierten Bereich (Fig. 2, rechts) erreicht.In this processing example, the increase in compression is achieved by reducing the number of bit planes in the original area ( FIG. 2, left) or transformed area ( FIG. 2, right).

Das Verarbeitungsmodul für die Optimierung der verlustbehafteten Kompression basiert ebenfalls auf einer Rauschdetektion (Fig. 3) Dieses Modul steuert die adaptive Auswahl eines geeigneten Quantisierungsparameters. Je größer der Anteil an irrelevanten Bestandteilen im Signal ist, desto stärker kann das transformierte (dekorrelierte) Signal quantisiert werden, ohne dass die Rekonstruktionsqualität beeinträchtigt ist. Die Rauschdetektion kann zum Beispiel ebenfalls mit dem oben beschriebenen Verfahren durchgeführt werden.The processing module for optimizing lossy compression is also based on noise detection ( FIG. 3). This module controls the adaptive selection of a suitable quantization parameter. The greater the proportion of irrelevant components in the signal, the more the transformed (decorrelated) signal can be quantized without the reconstruction quality being impaired. The noise detection can also be carried out, for example, using the method described above.

Gelöst werden die oben angeführten Probleme der Datenorganisation, indem Daten, die von einem Datengeber empfangen werden primär in einem Puffer abgelegt werden (Fig. 4). Dieser wird nach Regel (1) nur dann sequentiell abgearbeitet, und es werden diverse Datenverarbeitungen vorgenommen, wenn die Auslastung des EDV-Systems einen bestimmten festgelegten oder errechneten absoluten oder relativen Auslastungswert unterschreitet. Die Systemauslastung kann durch verschiedene Systemleistungsparameter eines EDV-Systems ermittelt werden wie z. B. die CPU- und Speichernutzung oder die Nutzung von Peripheriegeräten.The problems of data organization mentioned above are solved by storing data received from a data provider primarily in a buffer ( FIG. 4). According to rule (1), this is only processed sequentially, and various data processing operations are carried out if the utilization of the IT system falls below a certain fixed or calculated absolute or relative utilization value. The system utilization can be determined using various system performance parameters of a computer system, such as B. CPU and memory usage or the use of peripheral devices.

Nach Regel (2) können bestimmte Daten eine höhere Priorität in der Abarbeitung erhalten. Diese höhere Priorität kann eine höhere Priorität der Reihe sein, d. h. dass bestimmte Daten in der Abarbeitung des Puffers eine relativ höhere Stellung einnehmen. Im Extremfall ist eine sofortige Abarbeitung möglich. Bestimmte Daten stellen eine konkrete oder variable möglicherweise auch verkettete Selektion von Daten nach beliebigen Kriterien dar wie z. B. nach dem Ursprung der Daten, dem Datenformat, dem Dateninhaber, dem Datenerzeuger, dem Datenempfänger oder anderen.According to rule (2), certain data can be given a higher priority in processing. This higher priority can be a higher priority of the series, i.e. H. that certain data occupy a relatively higher position in the processing of the buffer. In extreme cases immediate processing possible. Certain data represent a concrete or variable possibly also linked selection of data according to any criteria, such as B. according to the origin of the data, the data format, the data owner, the data producer, the data recipient or others.

Nach Regel (3) können bestimmte Daten, eine höhere Abarbeitungspriorität haben, z. B. werden diese Daten auch in Zeiträumen mit einer höheren Systemauslastung verarbeitet. Im Extremfall ist auch die Abarbeitung bei einer 100%igen Systemauslastung möglich.According to rule (3), certain data can have a higher processing priority, e.g. B. this data is also processed in periods of higher system utilization. In extreme cases, processing is also possible with 100% system utilization.

Besonders vorteilhaft für die Erfindung sind, folgende Punkte:
Das Verfahren ist auf sämtlichen Computersystemen einsetzbar.The following points are particularly advantageous for the invention:
The method can be used on all computer systems.

Das vorgestellte Beispiel zur Rauschdetektion und -elimierung modifiziert die Daten auch bei mehrmaliger Anwendung nur einmal. Rauschanteile die einmal entfernt wurden, kön­ nen nicht ein zweites mal detektiert werden.The example presented for noise detection and elimination also modifies the data with repeated use only once. Noise components that have been removed can can not be detected a second time.

Eine Adaptation der Kompression an die variierende Charakteristik von Dateninhalten zur weiteren Kompressionsoptimierung ist möglich.An adaptation of the compression to the varying characteristics of data content further compression optimization is possible.

Anwendung findet das Verfahren u. a. in der Telemedizin, in der digitalen radiologischen Bildverarbeitung, in der Bildarchivierung, Videoüberwachung und Videoaufzeichnung.The method applies u. a. in telemedicine, in digital radiological Image processing, image archiving, video surveillance and video recording.

Claims (7)

1. Verfahren zur Erfassung, Organisation, Verarbeitung, Übertragung und Archivierung von ein- und mehrdimensionalen digitalen Daten insbesondere stehender und bewegter Bilddaten dadurch gekennzeichnet, dass die reversible Kompression mit einem Verarbeitungsmodul kombiniert wird, wobei dieses Modul aus Irrelevanzdetektion und -eliminierung besteht.1. Method for the acquisition, organization, processing, transmission and archiving of one- and multi-dimensional digital data, in particular still and moving image data, characterized in that the reversible compression is combined with a processing module, this module consisting of irrelevance detection and elimination. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Irrelevanzdetektion im originalen Datenbereich durchgeführt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the irrelevance detection in original data area is performed. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Irrelevanzeliminierung im originalen oder im transformierten Bereich durchgeführt wird.3. The method according to claim 1, characterized in that the irrelevance elimination is carried out in the original or in the transformed area. 4. Verfahren zur Erfassung, Organisation, Verarbeitung, Übertragung und Archivierung von ein- und mehrdimensionalen, digitalen Daten insbesondere stehender und bewegter Bilddaten dadurch gekennzeichnet, dass die verlustbehaftete Kompression durch eine Adaptation der Quantisierung, basierend auf einer Irrelevanzdetektion, ergänzt wird.4. Procedures for recording, organizing, processing, transferring and archiving of one- and multi-dimensional, digital data, especially still and moving Image data characterized in that the lossy compression by a Adaptation of the quantization, based on an irrelevance detection, is supplemented. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4 insbesondere zur optimierten Erfassung, Organisation, Verarbeitung, Übertragung und Archivierung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenverarbeitung gebunden ist an die Unterschreitung einer bestimmten Systemauslastung.5. The method according to claim 1 or 4, in particular for optimized detection, Organization, processing, transfer and archiving, characterized, that data processing is tied to falling below a certain level System utilization. 6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4 insbesondere zur optimierten Erfassung, Organisation, Verarbeitung, Übertragung und Archivierung, dadurch gekennzeichnet, dass bestimmte Daten auch bei anderen Systemauslastungen verarbeitet werden.6. The method according to claim 1 or 4, in particular for optimized detection, Organization, processing, transfer and archiving, characterized, that certain data is also processed in the case of other system loads. 7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4 insbesondere zur optimierten Erfassung, Organisation, Verarbeitung, Übertragung und Archivierung, dadurch gekennzeichnet, dass bestimmte Daten in einer anderen Priorität abgearbeitet werden.7. The method according to claim 1 or 4, in particular for optimized detection, Organization, processing, transfer and archiving, characterized, that certain data are processed in a different priority.
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