[論文レビュー] Tiled Image Convention for Storing Compressed Images in FITS Binary Tables

R. L. White, P. Greenfield+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2012

Algorithms and Data Compression被引用数 11

ひとこと要約

この論文では、FITsバイナリテーブルに圧縮されたn次元画像を格納するためのタイル化画像圧縮規約を提案する。画像は長方形のタイルに分割され、それぞれが独立して圧縮・格納される。この方法により、画像の部分領域に対する効率的なランダムアクセスが可能となり、GZIP、RICE、HCOMPRESSなどの複数の圧縮アルゴリズムをサポートする。圧縮比が10に達するまで、天体測位および光度測定の精度にほとんど影響を与えない高い圧縮忠実度を達成する。

ABSTRACT

This document describes a convention for compressing n-dimensional images and storing the resulting byte stream in a variable-length column in a FITS binary table. The FITS file structure outlined here is independent of the specific data compression algorithm that is used. The implementation details for 4 widely used compression algorithms are described here, but any other compression technique could also be supported by this convention. The general principle used in this convention is to first divide the n-dimensional image into a rectangular grid of subimages or 'tiles'. Each tile is then compressed as a block of data, and the resulting compressed byte stream is stored in a row of a variable length column in a FITS binary table. By dividing the image into tiles it is generally possible to extract and uncompress subsections of the image without having to uncompress the whole image.

研究の動機と目的

• デジタイズド・フォトグラフィック・プレートなど、実用的に配布が困難なほどの巨大な天文学的画像データセットを効率的に配布する課題に対処すること。
• FITsフォーマット内でのn次元画像の可逆および非可逆圧縮を標準化し、柔軟性を備えた方法を開発すること。
• 画像全体を解凍しなくても、圧縮された画像タイルへの効率的なランダムアクセスを可能にすること。
• 圧縮の過程で画像メタデータおよびワールド座標系情報が正確に保持されること。
• 圧縮が天文学的データにおける天体測位および光度測定に与える影響を評価すること。

提案手法

• 画像は、各次元に沿って長方形のタイルに分割され、タイルサイズはZTILEnキーワードで定義され、FITsバイナリテーブルの別々の行として格納される。
• 各タイルは選択されたアルゴリズム（例：GZIP、RICE、HCOMPRESS）を用いて独立して圧縮され、圧縮データはCOMPRESSED_DATAという可変長カラムに格納される。
• ZCMPTYPEキーワードを用いて複数の圧縮アルゴリズムをサポートし、ZnamenおよびZVALnキーワードを用いてパラメータを標準化して処理する。
• BSCALE、BZERO、およびワールド座標系パrameterなどの元のFITs画像からのメタデータは、圧縮ヘッダにそのままで保持される。
• 非可逆圧縮の場合、画像にH変換が適用され、その後ビットプレーンのクアッドツリー符号化が行われ、高圧縮率を実現しつつ視認的損失を最小限に抑える。
• タイル構造により、インクリメンタルな解凍が可能となり、必要なタイルのみを解凍すればよく、特定の画像領域への高速アクセスが可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メタデータを保持し、ランダムアクセスを可能にするように、FITsバイナリテーブルに圧縮されたn次元画像を格納するための標準的かつ拡張可能な規約を設計できるか？
• RQ2 画像圧縮が天文学的データにおける天体測位および光度測定精度にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 タイル化圧縮アプローチは、科学的分析に必要な画像忠実度を維持しつつ、ファイルサイズをどの程度削減できるか？
• RQ4 H変換とクアッドツリー符号化を用いた非可逆圧縮技術は、点源および拡張源の両方において光度測定精度を保持できるか？
• RQ5 異なる符号化手法（例：クアッドツリー対算術符号化）における、圧縮効率と計算コストのトレードオフはいかほどか？

主な発見

• タイル化圧縮規約により、必要なタイルのみを解凍するため、圧縮画像の効率的な格納とランダムアクセスが可能になる。
• CCD画像では可逆圧縮比が3～30に達し、読み出しノイズが低い画像ではさらに高い圧縮が可能になる。
• 点源および拡張源の両方において、圧縮比が10に達するまで光度測定精度が非常に高い水準を維持する。H変換における適応フィルタリングの恩恵により、さらなる改善が期待できる。
• 圧縮比が20に達するまで天体測位精度は最小限に影響を受けるが、より高い圧縮度では劣化が顕著になる、特に高圧縮画像において顕著である。
• H変換後のビットプレーンにクアッドツリー符号化を適用することで、ファイルサイズが約10％削減され、計算コストも低く抑えられる。算術符号化に比べて効率性に優れる。
• 本手法により、Guide Star Catalogのような大規模データセットを、CD-ROM約100枚程度（10倍圧縮時）で配布可能となり、かつては不可能とされていたデータ配布を現実のものにした。