JP2008017472A - 超音波映像の圧縮方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波診断の重要情報であるスペックルの損傷を防止するために、超音波映像の特性が反映されたハフマンコーディングテーブルを用いた超音波映像の圧縮方法を提供する。
【解決手段】本発明によりハフマンテーブルで超音波映像を圧縮する方法は、ａ）連続的に超音波映像の入力を受け、前記超音波映像それぞれは、多数の画素を含む段階と、ｂ）前記超音波映像の画素の特性を決定する段階と、ｃ）最初の超音波映像からｎ−１番目の超音波映像までの画素特性に基づいてハフマンテーブルをアップデートし、前記ｎは、１よりも大きい整数である段階と、ｄ）前記アップデートされたハフマンテーブルを用いてｎ番目の超音波映像を符号化する段階とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、映像圧縮方法に関し、特に累積頻度数を用いた超音波映像の圧縮方法に関する。

１つのフレーム映像は、数百〜数万個の画素からなる。１画面を構成する画素の数は、解像度に影響を与える。通常、解像度は、１０２４×７６８または８００×６４０と表現されるが、ここで１０２４×７６８は、横に１０２４行、縦に７６８行の計７８６４３２個の画素で１つの映像が構成されることを示す。従って、画素数が多いほど画質は鮮明になる。１つの画素は、明度、彩度、輝度などのような画素値で表現される。画素値は、整数で表現される。例えば、明度を０〜２５５までレベルに等級を分けて表現する。従って、１つの映像は、１０２４×７６８個の各画素に輝度、色彩などの画素値が対応する巨大な行列になる。

このように多くの画素値で構成されたデータを効率的に転送及び格納するために映像圧縮方法が用いられている。一般に映像を圧縮するために、１つの映像を多数のブロックに分ける。ブロックは、８×８行列である。例えば、１０２４×７２８行列を８×８の正方形の行列（ブロック）に分けると、横１２８×縦９１個のブロックに分けられる。このブロックは、映像圧縮の基本単位であり、ＪＰＥＧ（Ｊｏｉｎｔ Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ Ｅｘｐｅｒｔ Ｇｒｏｕｐ）映像圧縮もこのブロックを基本単位として行われる。

ＪＰＥＧの符号化過程は、入力映像がカラーイメージの場合、ＲＧＢ色相空間から次の式１のようにＹＣｂＣｒ色相空間に変化させる。

・・・・ 式１

ＪＰＥＧファイルは、ＹＣｂＣｒの３つの成分のうちいずれか１つの成分（通常Ｙ成分）のみを格納したり３成分をいずれも格納することができる。Ｙ成分のみを格納するのは、２５６レベルのグレーとして格納することを意味する。

一方、ＢＭＰ、ＰＣＸ、ＧＩＦのようなグラフィックファイルは、１画素の色を示すためにＲ、Ｇ、Ｂの色相体系を用い、３種の成分をいずれも同じ割合で格納するのに対し、ＪＰＥＧファイルでは、Ｙ、Ｃｂ、Ｃｒが互いに異なる割合で格納できる。例えば、全ての画素のＹ成分は格納するのに対し、Ｃｂ、Ｃｒは、全画素のうち一部画素のみを選別し、即ち、ダウンサンプリング（ｄｏｗｎ ｓａｍｐｌｉｎｇ）して格納することができる。サンプリング間隔はサンプリング周期で表現するが、サンプリング周期は、各成分のサンプリング間隔の逆数比で示す。Ｙ、Ｃｂ、Ｃｒを全ての画素ごとにサンプリングする時のサンプル周期を４：４：４とすれば、Ｙ成分は全ての画素をサンプリングし、Ｃｂ成分とＣｒは４つの画素ごとに１つだけをサンプリングすれば、ＹＣｂＣｒのサンプリング周期は４：２：０（＝４：１：１）となる。このように各成分のサンプリング周期を異にすることにより、画質を大きく低下することなく、データの量を減らすことができる。

ダウンサンプルされた映像の各ブロックを次の式２のように示される離散余弦変換する（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｃｏｓｉｎｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ、以下、「ＤＣＴ」という）。

・・・・ 式２

ＤＣＴにより８×８ブロックの最左端上段にブロックの平均値であるＤＣ（直流成分）値が位置する。残りの６３個の数字はＡＣ値と呼ぶ。ＤＣ値は、ブロックの全般的特性を示す低周波成分であり、ＡＣは各画素の特性を示す高周波成分である。特に、ＤＣ値は、ブロック全体の明度を左右する非常に重要な情報を含んでいる。図１は、本来の映像の８×８ブロック１０を示し、図２は、ＤＣＴが適用されたブロック内の各画素の係数２０を示す。

ＤＣＴが適用された係数を定数で分ける量子化を行い、有効桁のビット数を減少させる。量子化は、ＤＣＴが適用された係数の大きさを減少させ、０の値を有する係数の数を増やすためのものである。即ち、量子化により視覚的に重要でない情報は捨てられる。

次に、図３に示すように、量子化されたブロックをジグザグスキャニングし［１５，０，−２，−１，−１，−１，０，０，−１］の整数列を得て、この整数列で０の個数と０でない値をハフマンコーディングテーブル（Ｈｕｆｆｍａｎ ｃｏｄｉｎｇ ｔａｂｌｅ）を用いて８×８行列をわずかいくつかの０と１の組合わせに減少させるビット列の圧縮を進める。このように本来の８×８整数行列がＤＣＴ、量子化、ジグザグスキャニング、ハフマンテーブルを用いたコーディングなどの過程を経るうちにデータ量が甚だしく減るようになる。

一方、一般映像とは異なり、超音波映像は、スペックルを含む。スペックルは、高周波値として映像の圧縮率を低下させる重要な要因であるが、超音波診断に重要な情報である。従来、ＪＰＥＧ圧縮方法は一般映像の特性が反映された量子化テーブル及びハフマンテーブル用いて符号化することにより高周波成分のスペックルを損傷させる問題がある。

前述した問題を解決するための本発明は、超音波診断の重要情報であるスペックルの損傷を防止するために、超音波映像の特性が反映されたハフマンコーディングテーブルを用いた超音波映像の圧縮方法を提供することに目的がある。

前述した目的を達成するために、ハフマンテーブルで超音波映像を圧縮する方法は、ａ）連続的に超音波映像の入力を受け、前記超音波映像それぞれは、多数の画素を含む段階と、ｂ）前記超音波映像の画素の特性を決定する段階と、ｃ）最初の超音波映像からｎ−１番目の超音波映像までの画素特性に基づいてハフマンテーブルをアップデートし、前記ｎは１よりも大きい整数である段階と、ｄ）前記アップデートされたハフマンテーブルを用いてｎ番目の超音波映像を符号化する段階とを備える。

前述したようになされる本発明は、均等量子化パラメータで超音波映像を量子化することにより、相対的に高周波成分に該当するスペックル成分の損失を減らすことができる。また、超音波映像の特性が反映されたハフマンテーブルを適用して符号化することにより、超音波映像の特性を損失させることなく、映像を効果的に圧縮することができる。

以下、図４〜図６を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
図４に示すように、多数の超音波映像の入力を順に受ける（Ｓ４１）。順に入力される多数の超音波映像のうち、現在の超音波映像を多数の８×８ブロックに分けた後、各ブロックに含まれた画素の画素値を離散余弦変換してＤＣＴ係数を求める（Ｓ４２）。画素値は輝度値及び色差値を含む。

次に、数式３の定義によってＤＣＴが適用された画素値、即ち、ＤＣＴ係数Ｓ_ｖｕを均等量子化パラメータＱ_ｖｕに分けて量子化させ、量子化されたＤＣＴ係数Ｓ_ｑｖｕを求める。ここで均等量子化パラメータＱ_ｖｕは定数である。

・・・・ 式３

式３でｒｏｕｎｄ（ ）は分子を整数値にする四捨五入演算子である。
従来のＪＰＥＧ圧縮のための量子化過程において、ブロック内のＡＣ係数（高周波成分）とＤＣ係数（低周波成分）は同一でない輝度成分の量子化パラメータまたは色差成分の量子化パラメータで量子化される。

図５は、従来技術による輝度成分の量子化テーブルを示す。図５に示すように、輝度成分の量子化テーブルは、６４個のＤＣＴ係数に対応する６４個の量子化パラメータで構成される。図５に示すように、低周波成分のＤＣＴ係数よりは高周波成分のＤＣＴ係数の方を大きい値の量子化パラメータで量子化する。即ち、相対的に低周波であるＤＣ係数５１の周辺にあるＡＣ値よりもＤＣ係数５１から遠く離れたＡＣ係数の方を大きい量子化パラメータで量子化する。

図６は、従来技術による色差成分の量子化テーブルを示す。図５の輝度成分の量子化テーブルの量子化パラメータのように従来技術による色差成分の量子化パラメータは、低周波成分のＤＣＴ係数よりは高周波成分のＤＣＴ係数の方を大きい値の量子化パラメータで量子化する。即ち、相対的に低周波であるＤＣ係数６１の周辺にあるＡＣ値よりもＤＣ係数６１から遠く離れたＡＣ係数の方を大きい量子化パラメータで量子化する。従って、従来のＪＰＥＧ圧縮のための量子化過程では、高周波のＤＣＴ係数に対応するスペックル成分の損失をもたらす。

本発明では、式３に示すように、同一ブロック内のＤＣ係数とＡＣ係数を均等量子化パラメータＱ_ｖｕで量子化させることにより、高周波成分のスペックル成分を保存し、色差成分で表現されるカラーバーを保存することができる。即ち、一般の映像とは異なり、高周波成分が多い超音波映像の高周波成分と低周波成分を同一の係数により量子化させることにより、スペックル情報と血流に関する情報の損失を効果的に抑制することができる。

次に、現在入力された超音波映像が最初の映像かを判断する（Ｓ４４）。現在の超音波映像が最初の映像であれば、通常のハフマンテーブル（Ｈｕｆｆｍａｎ ｔａｂｌｅ）を用いて符号化する（Ｓ４５）。現在の超音波映像が最初の映像ではなければ、即ち、現在の映像がｎ番目の映像である場合、ｎ−１番目の映像に用いられたハフマンテーブルをｎ−１番目の映像までの特性を反映させてアップデートする。

ハフマンテーブルをアップデートするためには、量子化されたＤＣ、ＡＣ値とこれらの値を表現するためのコードワードとコードワードのビット数、即ちコードワードの長さが決定されなければならない。コードワードは、該当映像で各画素値、即ち、ＤＣ値、ＡＣ値の発生頻度数によって決定され得る。即ち、ハフマンテーブルで頻度数が高い場合、短いコードワードが割り当てられ、逆に頻度数が高い場合、相対的に長いコードワードが割り当てられる。輝度成分の量子化されたＤＣ値に該当するコードワードの長さは、ハフマンテーブルで式４のように表現される。

・・・・ 式４

ここで、数字０、１、２、１、４は、０−ビット、１−ビット、２−ビット、３−ビット及び４−ビットのコードワードの個数をそれぞれ示す。式４に対応する輝度成分の量子化されたＤＣ値は、次の式５のように表現される。

・・・・ 式５

ここで、量子化されたＤＣ値「０」は、１−ビットのコードワードで、量子化されたＤＣ値「５」及び「１」は、２−ビットのコードワードで、量子化されたＤＣ値「３」は、３−ビットのコードワードで、量子化されたＤＣ値「６」、「４」、「７」及び「２」は、４−ビットのコードワードで表現される。

式６は、最初の（ｎ＝１）に入力される超音波映像の符号化に用いられるハフマンテーブルの輝度成分ＤＣのコードワード長さ、ＤＣ値、ＡＣのコードワード長さ及びＡＣ値を示す。

・・・ 式６

式７は、最初に入力される超音波映像の符号化に用いられるハフマンテーブルの色差成分のＤＣ値のコードワード長さ、ＤＣ値、ＡＣ値のコードワード長さ及びＡＣ値を示す。

・・・ 式７

もし、段階Ｓ４４で現在の映像が最初の映像ではないと判断されれば、ｎ−１番目の映像まで累積したＤＣＴ係数の頻度数を求め、次の式８のようにｎ番目の映像でのＤＣＴ係数の頻度数とｎ−１番目の映像までの頻度数に重み係数を与え、ｎ番目の映像に用いられるＤＣＴ係数の頻度数Ｆ_ｎを計算する。

ここで、ｆ_ｎはｎ番目の映像でＤＣＴ係数の頻度数を示し、Ｆ_ｎ−１はｎ−１番目の映像まで累積したＤＣＴ係数の頻度数を示す。重み係数αは、重み係数βと同じか、または大きく決定され得る。式８から分かるように、各ＤＣＴ係数の頻度数は、次の映像に用いられるように累積する。一方、もし計算された頻度数が０であるとき、頻度数を１に替えて該当ｎ−１番目の映像に生成されていないコードワードがｎ番目の映像で該当ＤＣＴ係数に対応して生成できるようにする。ｎ−１番目の映像に用いられたハフマンテーブルは、式８に従って決定された頻度数を用いてアップデートする（Ｓ４６ｂ）。このようにアップデートされたハフマンテーブルを用いてｎ番目の映像を符号化する（Ｓ４６ｃ）。

次に、現在の超音波映像が最後の映像であるかを判断し（Ｓ４７）、もし最後の映像であれば、映像圧縮を終了する。しかし、現在の超音波映像が最後の映像ではない場合、次の映像の入力を受け（Ｓ４８）、映像圧縮工程は段階Ｓ４２から再び始める。

本発明を望ましい実施例を通じて説明し例示したが、当業者であれば、添付の請求の範囲の思想及び範疇を逸脱せず、様々な変形及び変更がなされ得ることが分かる。

一つの映像から分割された８×８ブロックの例を示す例示図である。 ＤＣＴが適用されたブロック内の各画素の係数の例を示す例示図である。 量子化されたブロックのジグザグスキャニングを示す例示図である。 本発明の実施例による超音波映像の符号化過程を示すフローチャートである。 従来の輝度成分の量子化テーブルを示す例示図である。 従来による色差成分の量子化テーブルを示す例示図である。

符号の説明

５０、６０ 量子化テーブル

Claims (5)

1. ハフマンテーブルで超音波映像を圧縮する方法において、
   ａ）連続的に超音波映像の入力を受け、前記超音波映像それぞれは、多数の画素を含む段階と、
   ｂ）前記超音波映像の画素の特性を決定する段階と、
   ｃ）最初の超音波映像からｎ−１番目の超音波映像までの画素特性に基づいてハフマンテーブルをアップデートし、前記ｎは１よりも大きい整数である段階と、
   ｄ）前記アップデートされたハフマンテーブルを用いてｎ番目の超音波映像を符号化する段階と
   を備える超音波映像の圧縮方法。
2. 前記ｂ）段階は、
   ｂ１）前記超音波映像を離散余弦変換（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｃｏｓｉｎｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ， ＤＣＴ）してＤＣＴ係数を生成する段階と、
   ｂ２）前記ＤＣＴ係数を量子化する段階と、
   ｂ３）前記量子化されたＤＣＴ係数に基づいて前記画素の特性を決定する段階と
   を備える請求項１記載の超音波映像の圧縮方法。
3. 前記画素の特性は、前記最初からｎ−１番目までの超音波映像で累積したＤＣＴ係数の発生頻度数である請求項２記載の超音波映像の圧縮方法。
4. 前記累積したＤＣＴ係数の発生頻度数が０であるとき、前記発生頻度数０を１に替える請求項３記載の超音波映像の圧縮方法。
5. 前記ＤＣＴ係数は、同一の量子化パラメータで量子化される請求項２記載の超音波映像の圧縮方法。

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