JPEG2000 압축영상 화질의 임상 평가용 관찰프로그램 개발
홍성완1・전용경1・김용훈1, 2・차순주1, 2
1인제대학교 부설 의료영상연구소
2인제대학교 일산백병원 진단방사선과
Development of the Program for Clinical Evalution in the JPEG2000 Compressed Image
Seong Wan Hong1, Yong Kyeong Jeon1, Yong Hoon Kim1, 2, Soon Joo Cha1, 2
1Inje University Medical Image Research Center
2Department of Radiology, Inje University Ilsan Paik Hospital
= Abstract =
Developing a observation program which can usher in a new convenient way of comparison obser- vation test between users’images testing the acceptable compression rates in clinical test of JPEG2000 compressed images, which has drawn a lot of public attention as a next generation way of compression in the field of digital medical images at recent PACS has been the target objective.
Development platform of the program has been the Window 2000, and Microsoft Visual C ++ 6.0 has been used as a developing tool. It also has been intended to include PICTools 32-Bit Imaging Development Kits of Pegasus Imaging Corporation which can transfer images from ordinary digital im- ages equipments such as MR(Magnetic Resonance), CT(Computed Tomography), CR(Computed Radiography) into JPEG2000 compressed images.
It has been intended that the images of different compression rates from JPEG2000 compression transfer kits and the original images are saved assorted in the image saving folder regardless of order.
One image has been regulated to be shown on one screen, and alternate display between com- pressed images and original images has be made possible with the use of mouse and Key board. And also simple estimate display on the screen about the observed images has been made possible with the use of shortened keys.
In conclusion, It has been judged that the Image Comparison Observation Program including JPEG2000 compression transferring equipment has been conveniently organized for better as well as more comparison observations of images with capabilities such as producing various images in a more convenient way, making a more speedy comparison possible with image overlap comparisons on one screen. It is concluded that if this technology is used in the field of video comparison study, it will provide better testing environment in the aspect of convenience as well as precision for the more complete study.
Key words: PACS, Image Compression, JPEG2000, Image Quality
통신저자: 홍성완, (411-410) 경기도 고양시 일산구 대화동 2240, 인제대학교 일산백병원 진단방사선과 Tel: 031-910-7370, Fax: 031-910-7369, E-mail: [email protected]
1. 서 론
하나의 Study에 존재하는 의료영상은 영상획득장치별로 해 상도와 Bit Depth의 차이가 있어 영상의 수와 영상의 크기가 다르며 (Table 1), 대부분의 의료영상이 큰 영상의 크기로 인 해 대용량의 저장 공간과 빠른 네트웍을 필요로 한다. 최근 다검출기 전산화 단층 촬영장치(Multi Detector row Computed Tomography)등의 새로운 영상획득 장비의 발달과 3D 구현 으로 인해 검사 당 영상의 수가 3-10배 정도 증가되고 있으 며 [1], MRI, PET/CT등의 고가 의료장비의 의료보험 적용 확대로 검사 건수 역시 기하급수적으로 늘어나고 있어 영상 의 화질이 원본과 차이가 없는 범위에서 영상의 크기를 줄이 기 위해 다양한 영상의 압축방식이 연구되어 왔다. 특히나 판 독이 완료되고 일정 기간이 지난 영상은 임상에 지장을 초래 하지 않는 범위에서 가능한 높게 압축을 하여 장기저장장치 내에 저장하게 되는데 [2], 이때에 가장 많이 사용되는 정지 영상의 압축은 ISO 표준인 JPEG(Joint Photographic Coding Experts Group) 손실압축이다. JPEG손실압축은 다른 영상 압 축방식에 비해 압축률이 높기는 하지만 과도한 압축시 블록 현상으로 인해 큰 비율의 압축을 실행할 수 없고, 12bit 이상 에서는 손실압축이 불가능하며 원래의 영상을 완벽하게 재구 성을 할 수 없는 문제점을 가지고 있다. 이러한 연유로 기존 압축방식보다 더 효율적인 영상압축의 필요성이 인지되었고, DICOM Workgroup 4에서는 DICOM의 표준 압축방식으로 웨 이블릿 변환을 이용한 JPEG2000을 제시하였다. JPEG2000 의 특징은 하나의 부호화된 비트 스트림에서 무손실 및 손실 압축을 동시에 구현할 수 있고, 높은 압축률에서도 뛰어난 영 상의 Quality를 보이고, Region of Interest Coding(ROI)이 가 능하며, 영상의 보안을 위하여 Watermarking, Labeling등의 기법을 적용하였다. 또한 1bit-depth까지 다양한 bit-depth를 가진 영상들의 압축이 가능하며 Motion 영상의 압축도 지원
한다 [3]. 본 연구에서는 이러한 JPEG2000을 이용하여 임상 에서 허용 가능한 압축비율 산정과 원본영상과 JPEG2000 압 축영상간의 비교관찰 실험을 용이하게 하기 위한 프로그램 개 발의 필요성을 인지하게 되었고, 과거 경험에 비추어 편리성 과 정확성을 중점으로 JPEG2000 압축영상 생성을 위한 JPEG2000 압축 변환기와 평가를 위한 영상비교 관찰 프로 그램를 개발하는 것을 목표로 하였다.
2. 대상 및 방법
Windows 2000 Professional을 OS로 사용하는 Intel Pentium 4 Workstation에서 프로그램하였고, JPEG2000 압 축 변환기와 영상비 비교 프로그램의 개발 툴은 Microsoft Visual C++ 6.0을 사용하여 구현하였다. 또한 원본 영상 획 득을 위해 본원에서 가동중인 영상관찰대용 프로그램 (Maroview 4.1.3, 마로테크, 서울)을 이용하였으며, JPEG2000 을 구현하기 위해 Pegasus Imaging Corporation에서 제공되 는 PICTools 32-Bit Imaging Development Kits을 이용하였 다.
원본 영상을 JPEG2000 압축 변환기를 이용하여 JPEG2000 으로 변환하도록 하였고, 원본 영상과 각 압축비율별 JPEG2000 영상을 임의의 폴더구조로 랜덤하게 배열하였다.
내부 네트워크 연결을 통해 영상을 조회하도록 하였으며, 영 상은 한 화면에 하나의 영상을 보여지도록 하며 마우스 토글 또는 키보드의 방향키로 압축 영상과 원본 영상을 번갈아 표 시 하도록 하였고, 단축키를 이용해서 관찰된 영상의 평가를 간단하게 화면상 응답 후 영상비교 결과를 별도의 텍스트 파 일로 저장하도록 하였다.
3. 결 과 3.1 프로그램의 구조
본 연구에서는 원본 영상을 각 압축 비율별 JPEG2000 변 환을 위한 JPEG2000 압축 변환기와 원본 영상과 압축된 JPEG2000 영상의 비교하여 평가 할 수 있는 영상비교 관찰 프로그램으로 구성하였다.
JPEG2000 압축 변환기는 JPEG2000 변환 과정을 실시간 으로 보여주는 로그창과 해당 데이터가 들어있는 폴더를 지 정할 수 있는 버튼 (Fig. 1), 각각의 영상획득장치별 JPEG2000 압축 비율을 매뉴얼 수정할 수 있도록 Config.ini 파일로 구성 하였다. JPEG2000 영상 압축을 구현하기 위한 툴은 Pegasus
Table 1. The Feature of the Medical Image Which it Follows in the Modality
Modality Resolution Bit Depth 평균 영상수 Image Size CR, DR 2K, 3K, 4K 10~12 2~4 20~120 MB
RF 1024×1024 10~12 2~4 4~8 MB
XA, DS 1024×1024 12 6~12 12~24 MB
CT 256×256, 512×512 12 12~200 1~100 MB MR 256×256, 512×512 12 12~300 1~150 MB
US 640×480 24 4~30 3~28 MB
NM 128×128 8 2~20 32~320 KB
Imaging Corporation에서 제공되는 PICTools 32-Bit Imaging Development Kits을 이용하였다.
영상비교 관찰 프로그램은 로그인을 통해 여러명의 관찰자 를 구분하였고 (Fig. 2), 영상이 보여지는 영상표시 부분을 하 나의 Layout과 프레임으로 구성하고 제목 표시줄에 이미지의 현재 경로를 나타나게 하였다 (Fig. 3). Information Show, Image Rotation, Invert 등의 영상에 관련된 기능들은 오른쪽 마우스 팝업을 통해 이뤄지도록 하였고, 영상 밝기와 회색조 조절을 가능하며 별도의 단축키를 통해 평가 창을 띄우고(Fig.
Fig. 1. Main Window of DICOM 3.0 to JPEG2000 Converter
Fig. 4. Grade Exam Window of Grading Viewer Fig. 2. Login Window
Fig. 3. Main Window of Grading Viewer
Table 2. The Results of PSNR for Various Compression Ratios
Modality No 05:1 10:1 20:1 40:1 80:1
1 75.190916 63.792706 57.569669 52.768772 48.877961
2 67.767084 56.375855 49.573728 44.715788 40.915379
MR 3 70.3324 59.123174 53.696021 49.425065 45.634824
4 72.470926 61.002338 54.549387 49.611783 44.873993
5 70.144586 58.66946 53.548249 49.195393 45.701307
AVR 71.18 59.79 53.79 49.14 45.20
1 49.937549 61.763126 55.996937 51.426187 46.455741
2 50.652382 62.057779 56.523257 52.262575 47.367215
CT 3 52.783055 63.457358 57.949593 53.991232 49.982379
4 52.415115 63.772524 57.884854 53.765042 49.600716
5 54.42709 67.149121 61.044268 55.889066 50.991512
AVR 52.04 63.64 57.88 53.47 48.88
1 61.333689 57.017938 51.917896 49.205875 47.526919
2 54.657251 61.343289 49.780176 46.966751 45.642611
CR 3 61.397288 53.329416 48.577638 45.99238 44.757631
4 61.211665 58.929075 53.804046 50.966548 49.141562
5 61.710426 55.229703 50.245525 47.377548 45.999525
AVR 60.06 57.17 50.87 48.10 46.61
4), 각 문항별로 입력된 값은 텍스트 파일로 저장되게 하였 다.
3.2 프로그램의 동작 및 구성
3.2.1 JPEG2000 압축 변환기
원본 영상이 들어있는 폴더를 지정해 주면, 하위 폴더를 포 함해 Config.ini에서 미리 지정한 압축 비율대로 JPEG2000 압 축이 이루어지고 로그창을 통해 실시간으로 에러유무를 확인 할 수 있다 (Fig. 1). DICOM 파일의(0028, 1050), (0028, 1051) 태그에는 사전에 논의된 Window Center와 Window Width 값을 저장하고 이 값을 이용하여 영상을 표현하였다.
또한 압축된 영상과 원본 영상의 Quality 비교를 위해 PSNR 값을 계산하여 별도의 텍스트 파일로 저장되게 하였으며, 5개 의 영상으로 샘플링한 결과는 5:1, 10:1, 20:1, 40:1, 80:1의 모든 압축비에서 MR, CT, CR 모두 40dB 이상의 높은 PSNR 값을 보여주었다 (Table 2). 또한 JPEG2000 인코딩시 사용 되는 물리적인 메모리와 가상 메모리를 체크하였으며, 물리적 인 메모리의 경우 전체적으로 영상의 크기가 큰 CR에서 높 은 메모리 점유율을 보였고 (Fig. 5), 가상 메모리는 MR, CT, CT 모두 50Mbyte 이상의 메모리 점유율을 보였다 (Fig. 6).
3.2.2 영상 비교 관찰 프로그램
JPEG2000 압축 변환 키트에서 생성된 각기 다른 압축율 의 압축 영상은 원본 영상과 짝을 이뤄 무순위로 영상 보관 폴더에 저장되며, 영상은 한 화면에 하나의 영상을 보여지도 록 하며 마우스 또는 키보드의 방향키로 압축영상과 원본 영 상을 번갈아 표시 하도록 하였고, 단축키를 이용해서 관찰된 영상의 평가를 간단하게 화면상 응답 하도록 하였다. 평가 결 과는 각 관찰자별 아이디와 함께 텍스트 파일로 저장하도록 하였고, 관찰자의 집중을 위해 영상 출력시 불필요한 정보들 은 숨겼으며, 관찰자에게 영상의 위치를 확인시켜주기 위해 영상의 현재 경로를 제목 표시줄에 나타나게 하였다. 또한 여 러가지 제반 사항으로 인해 평가가 중단되었을 경우를 대비 해 관찰자의 평가 History를 저장하고, 다시 평가가 재개되었 을 때 중단 이후부터 영상을 열어서 평가를 할 수 있도록 하 였다.
4. 고 찰
지난 2-3년 사이에 영상획득장치와 3D 영상기술의 발달 등으로 인해 검사당 데이터양이 수배 이상 증가하게 되었고,
이는 곧 네트워크 부담을 가중시키는 동시에 장기저장장치의 저장 공간이 문제시 되고 있다. 현재 600병상 규모의 종합병 원에 설치된 PACS에서 하루 발생하는 영상 데이터는 약 30- 50 GB 정도이다 [4]. 이를 최소 법정연한인 5년간 저장하기 위해서 적어도 45-75 TB(terabyte) 엄청난 양이며, 이와같 은 영상데이터를 줄이기 위해서 가능한 압축 효율이 높으면 서도 데이터의 손상을 최소화 할 수 있는 압축 방법으로 JPEG 압축이 널리 이용되어 왔으며 DICOM의 장기 저장의 표준으 로 활용되고 있다 [1]. 의료영상은 최대 16 bit-depth의 영 상까지 가지고 있지만, JPEG 압축방식은 12 bit-depth의 영 상까지만 압축이 가능하며 일정비율 이상으로 압축을 실행하 면 압축 영상에 block 모양의 artifact가 발생하고 심한 degra- dation이 일어난다. 이러한 JPEG 손실 압축의 한계를 인식하 고, 영상 손실을 최소화하며 높은 압축을 할 수 있는 새로운 압축 방식이 요구되었고, JPEG2000 압축 알고리즘이 대안으 로 제시되어 2002년 디지털의료영상의 압축 표준으로 추가
Fig. 5. The results of use Physical memory
Fig. 6. The results of use Virtual memory
채택되었다 [3].
JPEG2000은 기존 압축방식의 단점이 보완된 형태로써 JPEG 손실 압축의 경우 12 bit의 제한된 영상 압축으로 인 해 CT, MR, PET과 같은 16 bit영상은 압축이 불가능하거나, 12 bit의 손실압축을 해야만 했으나 JPEG2000은 16 bit 영 상의 압축을 지원하게 되었고, Progressive한 전송을 통해 적 은 영상 데이터의 양으로 영상의 윤곽을 확인할 수 있으며, 데이터를 계속해서 전송 받음으로써 영상의 화질을 개선시켜 볼 수 있게 되었고, 낮은 Band Width의 네트웍에서도 빠른 영상 표시가 가능해졌다. 영상의 보안을 위해 Water Marking 등의 알고리즘을 적용할 수 있고, 특정 부위는 보존한 채 기 타 부위만을 압축하는 방식의 ROI 기능을 포함하고 있어 영 상의 크기를 줄일 수가 있다. 무엇보다도 JPEG2000은 높은 압축율에서도 artifact가 생성되지 않고, 압축비율별 화질이 JPEG보다 매우 우수하다 [3].
이러한 연유로 본 연구에서는 과거의 경험을 토대로 JPEG2000 알고리즘을 이용한 JPEG2000 압축 변환기와 영 상비교 관찰 프로그램을 개발하게 되었으며, JPEG2000 압축 변환기는 소스 폴더를 지정하는 것 만으로 간편하고 다양하 게 JPEG2000 압축 영상을 생성할 뿐만 아니라 PSNR값을 계산해 줌으로써 일반적인 디지털 영상의 화질을 평가하는 방 법 중 압축된 영상과 원본 영상에서의 픽셀 값의 차이를 통 계분석으로 평가하는 방법의 적용이 가능하게 되었다. 영상비 교 관찰 프로그램은 판독의의 시각에 의해서 화질을 평가하 고 주관적 평가가 포함되는 심리적인 통계분석 방법인 ROC(Receiver Operation Characteristic) 분석 방식에 접근이 용이하도록 설계하였고, 실제 화면에 표시되는 Gray Scale 영 역은 픽셀 값의 범위로서 Window Center와 Window Width 값에 따라 결정되는데, 이 값이 저장되는 DICOM 파일의 (0028, 1050), (0028, 1051) 태그값에는 사전에 논의된 임 의의 값을 입력하여 영상을 표시하도록 하였다 [6]. 이는 영 상 출력시 모든 관찰자에게 별도의 조작없는 통일된 Gray Scale 환경을 제공함으로써 각각의 관찰자에게 발생할 수 있 는 주관적인 화질의 차이를 줄여주고자 노력하였다.
과거 CRT 모니터와는 달리 LCD 모니터는 시야각의 의존 성이 매우 크기 때문에 관찰자의 위치에 따라 LCD 모니터와 의 실효각을 꾸준히 유지하기 힘들기 때문에 여러명의 관찰 자가 영상을 비교 평가시 관찰자의 위치에 따른 미세한 영상 의 변화에 대한 어려움을 호소하였고, 두 개의 모니터에 각각
의 영상을 띄어 놓고 두 영상을 반복하여 보면 시간도 많이 걸리고 집중력이 저하되는 것을 경험상 얻게 되었다. 이에 따 라 본 연구에서는 한 개의 모니터에서 영상전환 기능을 통한 원본 영상과 압축 영상을 빠른 시간 안에 비교할 수 있도록 함으로써 영상 평가에 관한 집중력을 향상시키고자 하였다.
또한 과거에는 영상을 비교 후 종이와 필기구를 이용하여 영 상비교 결과를 작성하였는데, 이것은 누적된 영상비교 결과를 노출하여 특정한 패턴을 유추하고 영상을 비교하는 문제점을 발생시켰다. 이에따라 본 프로그램에서는 영상비교 결과를 알 수 없게 프로그램상에서 별도의 파일로 저장하도록 하여 비 교적 정확한 평가가 이뤄질 수 있도록 하였다.
이렇게 저자들에 의해 개발된 JPEG2000 압축 변환기를 포 함한 영상비교 관찰 프로그램은 JPEG2000 압축 영상을 다 양하고 편리하게 생성하고 한 화면에서 두 영상을 전환시킴 으로서 미세한 차이를 가지는 영상을 빠른 시간에 평가하도 록 하고, 평가결과까지 프로그램상에 구동하도록 한 것이 많 은 관찰자에 의해 많은 영상의 비교 관찰에 매우 편리하게 구 성되었다고 판단되어 이를 영상 비교연구에 이용하면 정확성 과 편의성을 겸비한 완성도가 높은 실험 환경을 제공하게 될 것을 기대하고 이를 보고하는 바이다.
참 고 문 헌
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PACS에 이용되는 압축영상의 화질 평가: 4K고해상도 CR영상 의 장기저장을 위한 적정 압축율. 대한PACS학회지 2001;7:9-12 3. 성민모, 김희중, 김은경, 곽진영, 유재경, 유형식. JPEG2000을 이용한 Digital Mammography 영상의 압축 비율별 임상적 평 가. 대한PACS학회지, 2001, 6, 7권 1호
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7. 영상처리 이론과 실제. Radny Crane
8. C++ 프로그래밍. Jesse Liberty, J. Mark Hord
9. ISO/IEC JTCI/SC29/WG1 N505, “Call for contributions for JPEG 2000 (JTC 1.29.14,15444): Image Coding System,”
March 1997
10. ISO/IEC JTCI/SC29/WG1 N390R, “New work item: JPEG2000 image coding system,”March 1997
대한PACS학회지 2005;11:11-16
=초 록=
목적: 최근 PACS에서 디지털 의료영상의 새로운 압축 방법으로 각광을 받고 있는 JPEG2000 압축영상의 임상에 서 허용 가능한 압축율에 대한 사용자의 영상간의 비교관찰 실험을 용이하게 하기 위한 관찰프로그램을 개발하고 자 하였다.
대상 및 방법: 프로그램의 개발은 Window 2000 운영체계와 개발 툴은 Microsoft Visual C++ 6.0을 사용하였다.
대표적인 디지털 의료영상기기인 MR(Magnetic Resonance), CT(Computed Tomography), CR(Computed Radiography) 등 에서 생성되는 영상을 JPEG2000 압축영상으로 변환 할 수 있는 Pegasus Imaging Corporation 에서 제공하는 PICTools 32-Bit Imaging Development Kits을 포함 하도록 하였다.
결과: JPEG2000 압축 변환 키트에서 생성된 각기 다른 압축율의 압축 영상과 원본 영상을 짝을 이뤄 무순위로 영 상 보관 폴더에 저장 하도록 하였으며, 영상은 한 화면에 하나의 영상을 보여지도록 하며 마우스 토글 또는 키보드 의 방향키로 압축영상과 원본 영상을 번갈아 표시 하도록 하였고, 단축키를 이용해서 관찰된 영상의 평가를 간단하 게 화면상 응답 하도록 하였다.
결론: 저자들에 의해 개발된 JPEG2000 압축 변환기를 포함한 영상비교관찰프로그램은 JPEG2000 압축을 다양하 고 편리하게 영상을 생성하고 한 화면을 이용한 영상 중첩 비교를 이용하여 미세한 영상 비교를 빠른 시간에 실시할 수 있어 많은 관찰자에 의해 많은 영상의 비교 관찰에 매우 편리하게 구성되었다고 판단되어 영상 비교연구에 이를 이용하면 정확성과 편의성을 겸비한 완성도가 높은 실험 환경을 제공하게 될 것을 기대하고 이를 보고하는 바이다.
