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へいぞうあると
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2 Table of Contents. はじめに知覚的に線形な表示特性の要求画像表示装置の構成表示装置のコントラスト解像度 LUT の機能と動作 GSDF カーブへの適合精度 GSDF カーブとの乖離 GSDF との誤差 p 値間隔あたりの JND の数とその偏差コントラスト応答誤差 (JND あたりの輝度変化率を GSDF と対比 ) 各システムにおける GSDF 精度の比較 bit 入出力システム (LUT 8,, 2bit) bit システムの場合 bit システムの場合 b-8it システムの場合 bit 入出力システムのまとめ bit 入出力システム (LUT,, 2bit) bit システムの場合 bit システムの場合 bit システムの場合 bit 入出力システムのまとめ bit 入出力システム多階調システムの実現 Viewer GC Monitor の組み合わせによる実現 Viewer Monitorの組み合わせによる実現まとめ Appendix 精度計算結果 Appendix 2 視覚心理による見え方の変化参考文献 //8 v.9.9 K. F M. H 2/28

3 . はじめにフイルムレス診断に使用される画像観察モニターには高度のグレースケール表示能力が要求され一般にモニターのカタログや仕様書にはその能力を表す仕様項目として LUT(Look Up Table) のビット幅が掲げられているこのペーパーは LUT の動作をはじめとしその入出力のビット幅の違いが表示精度にどのように関係するかについて様々なシステムの誤差をいろいろな角度から検証しグレースケール性能についてユーザーに理解を深めて戴くための一助としたい更に TOTOKU で実現している多ビット対応モニター内蔵 LUT とプラットフォームから独立した多階調表示方式の優位性も合わせて検証する 2. 知覚的に線形な表示特性の要求図に示すように輝度の異なる二つの隣接した領域において人間の眼が知覚できる最小の輝度差 (ΔL) はその部分の平均輝度 (L) によって異なり例えば L=cd/m 2 のような低輝度ではΔL =.24cd/m 2 であるのに対して L=5cd/m 2 のような高輝度ではΔL =3.3cd/m 2 と大きな差がある図 3 は平均輝度に対する輝度差の検知限を GSDF より算出したグラフである図. 平均輝度 cd/m 2 と 5cd/m 2 における知覚可能な最小輝度変調 dl 5 L 平均輝度 5cd/m 2 における JND = 3.3cd/m 2 dl/l =.67 輝度 (cd/m 2 ) (L: 平均輝度 ) (dl: 知覚可能な最小の輝度変化 ) L dl 平均輝度 cd/m 2 における JND =.24cd/m 2 dl/l =.24 閾値コントラスト =dl/2l ) DICOM 3.4 では人間の目が知覚できる最小の輝度差の単位を JND とし平均輝度と JND の関数を GSDF (Grayscale Standard Display Function : 標準表示関数 ) として定義している GSDF は DICOM カーブ ( 図 2.) とも呼ばれておりこの関数を用いることによって輝度値を JND 値に JND 値を輝度値に変換することができる一方モニターのグレースケール特性 ( 一般的にガンマ特性と言われる ) はメーカー型式個体差あるいは輝度設定値などにより様々である従ってこのような特性の異なるモニターに同じ画像を表示させた場合当然見え方が異なり画像診断を行う上で大きな支障をきたすことになるそのため医用画像表示装置は一般的に GSDF で定義されたグレースケール特性に合わせるようにキャリブレーションが行われる ( 図 5.) 3/28

4 図 2. GSDF カーブ輝度 (cd/m 2 ) JND 値 (-23) dl/l 図 3. 知覚可能な最小輝度変調 DICOM 3.4 GSDFより導出 JND index (-23) 図 4. ガンマ特性と表示されるグレースケールのイメージ図 4. はモニターの表示特性の違いによるグレースケールの表輝度範囲.7-4cd/m 2 GSDF γ=2.2 示イメージを表したものである GSDF 特性のモニターに表示されたグレースケールはどの階調間も同じ輝度変化として知覚できるのに対しガンマ 2.2 では低輝度領域で階調が強調され中輝度 (cd/m 2 ) GSDF γ=2.2 輝度から高輝度領域では階調が圧縮されて表示される傾向があることを示している従って同じ画像を表示させた場合はガンマ 2.2 の方が全体的に明るく表示される傾向にあることがわか入力信号レベルる図 5. は GSDF で校正されたモニターにおいて入力信号レベル (p 値 ) に対する輝度値および JND 値の関係を示す輝度は赤線で左の縦軸に JND 値は青線で右の縦軸に示しているこのグラフから GSDF で校正されたモニターでは入力信号レベルと JND 値が直線的な比例関係にあり入力信号レベルの増分による輝度の増分が知覚的に直線的な関係で表示されることがわかる図 5. GSDF に校正された 8bit モニターの輝度特性輝度 (cd/m 2 ) 輝度 JND index p 値 (-255) p 値の増分に対する輝度の増分が知覚的に直線関係に校正されている JND index 4/28

5 3. 画像表示装置の構成図 6a.6b に標準的な画像表示端末の構成例を示すディスプレイ固有の階調特性を GSDF に変換するための LUT(Look Up Table) をコンピュータ側のグラフィックスカードに内蔵した装置 ( 図 6a) とモニター側に内蔵した装置 ( 図 6b) があるが近年医用画像表示モニターの普及により後者が多くなりつつある画像メモリーに保存されている画像は通常 2 ビット幅であるがコンピュータの OS Viewer ソフトグラフィックスカードによりビット幅が縮小されてモニターへ出力されるこの出力信号のビット幅がモニターの画面に同時表示できる最大の階調数を意味する通常の表示装置では Viewer ソフトおよびグラフィックスカードは 8 ビット幅が用いられるので同時に表示できる階調数は最大で 256 に限られるしかし近年カラーチャンネルを利用した特別な方法により bit 幅以上で出力可能なシステムが実用化されたこのシステムはまだ 8bit 入出力システムのように標準化はされていないが 24 階調以上の同時表示が可能であるなお多階調システムの実現方法については第 8 項に詳述する図 6a 図 6. 画像観察用表示装置図 6b 4. 表示装置のコントラスト解像度コントラスト解像度をその表示装置が輝度を細かく分離して表示することができる度合いと定義をすればモニターに入力される画像信号のビット幅がこれに相当するしかし Viewer と LUT を介してグレースケール特性の変換を行う際に階調数が減少することがあるので正確には入力信号によりモニター画面に表示できる最大の階調数がその表示装置のコントラスト解像度であると言える階調数の減少の程度は LUT の入出力ビット幅ディスプレイ固有のガンマ特性キャリブレーションする際の最大最小輝度値 (Lmax, Lmin) の設定などによって異なる 5/28

6 5.LUT の機能と動作 LUT は p 値で伝送される画像信号とディスプレイの間に挿入されたメモリーでありグラフィックプロセス回路に内蔵されている LUT の機能はビデオメモリーに記録された各画素の階調データを輝度値として出力する際にディスプレイの駆動レベル (DDL: Digital Driving Level) を指定する図 7. は LUT を内蔵するモニターの例で 8bit 入出力 bitlut(bit 幅をもつ 8bitLUT) の動作イメージを表したものである図 7. 8bit 入出力 bitlut を内蔵したモニターにおける LUT 動作のイメージ 8bit の P 値を持つ画像信号 p 値表示輝度ディスプレイ p 値輝度 DDL GSDF で表示するための目標輝度 (cd/m 2 ) 24 階調の輝度値 (.7-4cd/m 2 ) bit LUT ディスプレイ固有の階調特性 DDL ディスプレイの階調 -23 の中から GSDF の輝度に最も近い 256 の輝度値が選択されて表示されるこのペーパーでは便宜上コンピュータ側グラフィックスカードの p 値を出力するポートを接点としてその信号を受けて画像を表示するまでの部分をモニターと定義しモニター内部において信号処理された画像信号 (DDL) を輝度に変換し表示する部分を LCD パネルと定義する LUT の縦列には 8bit(256 階調 ) の画素データが入力されるより具体的な説明のために各々の p 値が GSDF に適合した表示をするための理想的な輝度値 ( 目標輝度 ) を並べて示してある横列は LUT の出力側であり bit 同時表示が可能なディスプレイを駆動する入力された画像データは LUT により目標輝度に最も近いディスプレイの輝度を選択する従って LUT の出力ビット幅が多いほど輝度が細分化されるため選択肢が多くなり目標輝度により近い表示をすることができる図 8. はガンマ 2.2 のディスプレイを GSDF 特性に変換するための LUT の特性例を示す LUT 出力 (DDL -23) 図 8. LUT の変換特性例ガンマ2.2をGSDF に変換するためのLUT LUT 入力 (p 値 -255) 6/28

7 6.GSDF カーブへの適合精度 LUT がディスプレイ固有の表示特性を GSDF 特性に変換する際の精度をいくつかの項目について検証する表示輝度精度は LUT のビット幅ディスプレイ固有のガンマ特性および輝度範囲などに依存するのでここではディスプレイの固有ガンマを 2.2 輝度範囲を.7-4cd/m 2 と想定した 6. GSDF カーブとの乖離 GSDF はアナログの連続したカーブであるのに対し実際のシステムはディジタル駆動のため表示される輝度応答がステップ状となり図 9. に示すように GSDF カーブとの間に誤差が生じるこの輝度誤差を JND 値に換算し本来あるべき JND 値との間の差を求めたサンプリングによる計算誤差を小さくするため横軸の JND 値を 4bit 間隔で計算する図 9. ディジタル駆動モニターにおける GSDF との輝度応答の乖離 25 2 GSDF カーブ輝度 (cd/m 2 ) 5 モニターの輝度応答 JND index p 値輝度誤差 (%) JND index JND 値の誤差 JND index 7/28

8 6.2 GSDF との誤差 (p 値各ステップの輝度誤差 ) 入力信号の各ステップの輝度値 (8bit 幅の信号であれば 256 ポイントの輝度値 ) が GSDF で定義された各ステップの輝度値に対してどの程度正確に表示されるか示すもので誤差を JND の数で表しシステムの精度性能を表す指標とする 6.3 p 値間隔あたりの JND の数とその偏差 ( グレースケールの滑らかさ ) 理想的には入力信号ステップの増分に対し表示輝度の増分が JND であるシステムが望ましいしかし実際のディジタルシステムでは入力信号のビット幅による制限とグレースケール変換のときに生ずる量子化誤差などのためその実現は困難である入力信号ステップ間隔あたりの JND の数が多い場合は画像の中の輝度が緩やかに変化している部分において輝度の不連続性が視認されるこの不連続性をなくすためには p 値間隔あたりの JND の数を JND 以下にする必要がある即ち p 値間隔あたりの JND の数を小さくし更に全ての p 値間隔で JND の数の平均値に対する偏差を少なくすることが滑らかなグレースケールを表現するための条件と言える図.p 値間隔あたりの JND の数とその偏差 Lmax 4. モニターの輝度応答 GSDF カーブ輝度 (cd/m 2 ) Lmin.5 J J 2 J 3 J n JND index p p p p p p p 2 p 3 p n- p n p 値 ( - n) 8/28

9 例えば図. の表示輝度範囲が.7cd/m 2 から 4cd/m 2 のモニターではこの輝度範囲に存在する JND の数は =68.6 である入力信号が 8bit 幅であればステップ数が 256 であるので p 値間隔あたりの JND の数の平均値 (Jmean ) は =2.43 となり画像の中の輝度が緩やかに変化する部分では輝度の不連続性が視認される可能性があるもし入力信号が bit 幅であれば Jmean) は =.6 となり JND 以下であるので連続した輝度変化として知覚できる各 p 値間隔の JND の数はディスプレイの固有ガンマを GSDF に変換する際の量子化誤差により偏差が生じるがこの偏差は LUT の出力ビット幅が広いほど小さくなる図. P 値間隔あたりの JND の数の平均値 (Jmean) の算出 Lmax ( 4) GSDF 輝度 (cd/m2) Lmin (.7). モニターの動作範囲 JNDs = JND(p.n) - JND(p.) ( =68.6 ) Jmean =68.6/ n. JND(p.) ( 57.8) JND(p.n) ( 676.4) JND index p 値 p. p 値の範囲 p.n 9/28

10 6.4 コントラスト応答誤差 (JND あたりの輝度変化率を GSDF と対比 ) コントラスト応答誤差の評価は p 値の増分に対する輝度の増分が知覚的に直線的な関係を示しているかどうかの定量的かつ詳細な検証方法であり AAPM TG8 に Advanced Evaluation として記述されている図 2. に示すように p 値間隔における輝度変化率 (dl/l: コントラスト ) を JND あたりの値にノーマライズして GSDF のそれと対比する Appendix 図 3D-9D は各システムのコントラスト応答特性を GSDF のそれと比較したグラフであるこの誤差の大きさが知覚的にどの程度影響するかについては別の検討を必要とするが AAPM TG8 では 8 ステップの p 値で評価した場合のコントラスト応答が GSDF に対して ±% 以内であることを推奨しているこのペーパーでは全てのシステムを 256 の p 値を用いた同一条件で比較してある評価する p 値の数が少ないほど誤差の数値が小さくなる傾向にあるその理由は p 値間隔が広くなるので局所的な不連続性が平均化されてしまうためである図 2. コントラスト応答の算出 5. Lmax モニターの輝度応答 GSDF カーブ輝度 (cd/m 2 ) L d i L' i.5 L d i- L' i-. Lmin.5. Jmean (J i- +J i )/2 Jmean Jmean J i- J i JND index p p i- P 値 p i p n 図 2. において JND index が ( J i- +J i )/2 の点におけるコントラスト応答は次のように定義される 7) GSDF のコントラスト応答 2(L d - L d i i-) δ d = (L + L )(J -J ) i d i d i- i i- モニターのコントラスト応答 ' ' 2(L i - L i-) δ = (L + L )(J -J ) i ' i ' i- i i- 次の項では具体的なシステムにおいて GSDF 適合精度を比較する /28

11 7. 各システムにおける GSDF 精度の比較 7. 8bit 入出力システム (LUT 8,, 2bit) このシステムはコンピュータに保存された 2bit 画像データが 8bit の Viewer とグラフィックスカードにより圧縮され 8bit 幅 256 ステップの階調をもった画像信号としてモニターを駆動するモニター内部には 8bit またはそれ以上の LUT が内蔵されている 8bit 入出力システムでは一般に 8bit, bit または 2bit の出力ビット幅の LUT が使用されるケースが多いのでこのペーパーではこの三つのシステムについて特性を比較したなお LUT をグラフィックスカード側に内蔵するシステムの場合もこれに準ずる 8-8-8bit システムの場合 (Appendix 図 7A-7D) この場合はグラッフィクカード出力 LUT モニター表示のビット深度がそれぞれ 8bit となるので 8-8-8bit システムと表記する ( 以下同様の表記する ) 一般 PC モニターを使用するシステムがこれに相当する 8-8-8bit システムでは階調数の選択肢が少ないため GSDF との誤差は最大 2.6JND にも達する更に同一の輝度値を選択するステップが存在するため実質的な表示階調数が減少する例えば表. の条件では約 44 個の p 値が同じ輝度を重複して表示するので実質的に表示できる階調数は =22 となり階調情報を正しく表現できない bit システムの場合 (Appendix 図 8A-8D) /28

12 8--8bit システムではディスプレイの階調数が 24 に細分化されているため 256 個の p 値は GSDF の目標輝度値に対し.52JND 以下の誤差で表示できるまた表示階調数の減少もなく実質的に 256 の階調が表現可能である bit システムの場合 (Appendix 図 9A-9D) 8-2-8bit システムではディスプレイの階調数が 496 と更に細分化されているので 256 個の p 値は GSDF の目標輝度値に対して最大誤差.3JND という極めて高い精度で表示することができる 4 8bit 入出力システムのまとめ 8bit システムについて 4つの観点で GSDF との誤差を評価すると表の結果が得られる表. 8bit 入出力システムの精度比較 (Lmin=.7cd/m 2, Lmax=4cd/m 2, ディスプレイ固有のガンマ =2.2 で試算 ) GSDF カーブとの乖離 (JNDs) 8-8-8bit システム Max bit システム Max bit システム Max. 2.6 GSDF との誤差 JNDs/Step (JNDs) Max. 2.6 Ave p-p 4. Max Max..52 Ave p-p.99 Max..52 Max..6 Ave p-p.3 Max..47 コントラスト応答誤差 (%) 実質表示階調数 Max. 22 Max Max bit システムでは p 値の増分に対する表示輝度の増分がゼロの部分や 4.76JND という非常に大きな変化を示す部分が存在し滑らかな階調を表現できないのみならず実質表示可能な階調数も減少するので原画像からの劣化が著しく画像診断用には適さないしかし LUT の出力ビット数を多くすることによって 256 ポイントの輝度を GSDF の目標輝度により正確に一致させることができるようになるため JNDs/Step のばらつきが減少し表示画質は飛躍的に向上する別な角度からみれば 2bit LUT ではコントラスト応答誤差が著しく改善されており滑らかなグレースケールの表示が可能になることを裏づけている以上の結果から考えると画像診断に使用される 8bit 入出力システムでは最低でも bitlut を必要とし更に 2bitLUT を用いれば理想的な画像表示が可能であると言える 2/28

7.2 bit 入出力システム (LUT,, 2bit) bit 入出力システムでは 2bit の原画像データが bit に圧縮され画像信号となりモニターを駆動するこのシステムにおける LUT 2bit の各出力ビット幅システムについて特性を比較した入力画像信号の階調数が 8bit 入出力システムに比較して 4 倍となるので GSDF カーブとの乖離が /4 程度までに改善され

13 7.2 bit 入出力システム (LUT,, 2bit) bit 入出力システムでは 2bit の原画像データが bit に圧縮され画像信号となりモニターを駆動するこのシステムにおける LUT 2bit の各出力ビット幅システムについて特性を比較した入力画像信号の階調数が 8bit 入出力システムに比較して 4 倍となるので GSDF カーブとの乖離が /4 程度までに改善されよりアナログ的な表現に近づくまた JNDs/Step の平均値も JND 以下に改善されるので一層滑らかなグレースケールの表現が可能となる --bit システムの場合 (Appendix 図 2A-2D) --bit システムでは 24 個の p 値がディスプレイ固有の表示特性で決まる 24 種類の輝度値の中から GSDF の目標輝度値に最も近い値を選択する前述のように LUT の入出力ビット数が同じため表示特性を変換する際にいくつかの階調が失われ実質表示可能な階調数は減少する一方 LUT の入出力ビット数が多いため各階調における GSDF との誤差は最大でも.54JND に抑えることができるしかしながら JNDs/Step のばらつきが最大.9JND あるので画像の中で輝度が緩やかに変化している部分では階調の不連続が知覚可能なレベルにある 2 --bit システムの場合 (Appendix 図 2A-2D) --bit システムでは 24 個の p 値に対しディスプレイの表示可能な輝度の選択肢が 248 あるので入力信号の各ステップは GSDF の目標輝度に対しより正確に一致させることができる 3/28

14 GSDF との誤差をみると GSDF カーブとの乖離が.87JND 各階調の GSDF との誤差が.28JND JND/Step のばらつきも.76JND となりいずれの誤差も平均的人間の知覚限界とされる JND 以下であるためほぼ満足できる表示品位が得られる 3-2-bit システムの場合 (Appendix 図 22A-22D) -2-bit システムではディスプレイの表示可能な輝度の選択肢が 496 あるため入力信号の各ステップの輝度は GSDF の目標輝度に対して非常に正確に一致する GSDF との誤差は GSDF カーブとの乖離が.76JND 各階調の GSDF との誤差が.7JND JND/Step のばらつきが.45JND であり bit 入出力システムとしては理想的な性能であると言える 4 bit 入出力システムのまとめ bit 入出力システムについて評価をまとめると表 2 のようになる表 2. bit 入出力システムの精度比較 (Lmin=.7cd/m 2, Lmax=4cd/m 2, ディスプレイ固有のガンマ =2.2 で試算 ) GSDF カーブとの乖離 (JNDs) --bit システム Max.. --bit システム Max bit システム Max..76 GSDF との誤差 JNDs/Step (JNDs) Max..54 Ave..6 p-p.5 Max..9 Max..28 Ave..6 p-p.55 Max..76 Max..7 Ave..6 p-p.32 Max..45 コントラスト応答誤差 (%) 実質表示階調数 Max Max Max bit 入出力システムは 8bit 入出力システムに比較して 4 倍もの階調情報量があり GSDF カーブとの乖離が 8bit 入出力システムに対して /3 程度に減少するのでかなりアナログ的な表示に近づいたと言える一般に bit 入出力システムは 8bit 入出力システムに比較して格段に優れていると言えるが --bit システムでは実質的な表示階調数の減少が著しく bit 入出力システムとしての真価は発揮できない bit 入出力システムでは少なくても bit 以上の LUT を装備することが必須であり 2bit の LUT を使用すればより高度な表示性能が実現可能である 4/28

15 7.3-2-bit システム -2-bit システムの場合 (Appendix 図 23A-23D) bit 入出力システムでは 2bit の原画像データが bit に圧縮された画像信号となりモニターを駆動する bit 入出力システムの 2 倍の 248 階調を同時表示することが可能である表 3 はこのシステムの優位性について前述した -2-bit システムと比較したものである表 bit システムと -2-bit の精度比較 (Lmin=.7cd/m 2, Lmax=4cd/m 2, ディスプレイ固有のガンマ =2.2 で試算 ) GSDF カーブとの乖離 (JNDs) -2-bit システム Max bit システム Max..45 GSDF との誤差 JNDs/Step (JNDs) Max..7 Ave..6 p-p.32 Max..45 Max..7 Ave..3 p-p.32 Max..42 コントラスト応答誤差 (%) 実質表示階調数 Max Max この表より明らかなように -2-bit システムは前項で GSDF カーブへの高い忠実度が確認された -2-bit システムに比較しても GSDF カーブとの乖離および JNDs/Step の性能の面で明らかに優位である平均的人間の知覚の限界が JND とされてはいるが個人差があり深い感性を有するラジオロジストにおいては JND 以下のコントラストを知覚できる可能性も考えられる従って JND の 5% 以下を達成できるこのシステムは医用画像表示用モニターの最高峰と位置づけることができる 8. 多階調システムの実現では上記で結論づけられた GSDF カーブへの高い忠実度を有する多階調システムはどのようにして実現できるであろうか? 8. Viewer GC Monitor の組み合わせによる実現 ( 図 3.) ここでは LCD モニターのディジタル画像信号伝送に的を絞り実現方法を説明する一般的に使用される Windows, MacOS, SUN Solaris, Linux 等の OS においては画像信号伝送は R,G,B の3チャネルで各 8ビット合計 24ビットという仕様になっているモノクロシステムの場合は単色信号だけで良く通常使用されるのはチャネルのみであるが上記の理由により 8 ビット以上の転送を行うのは OS 上の制限により不可能である従来の医療用多階調の表示システムでは下図に示すようにモノクロでも R,G,B のチャネルを使用することで 8 ビット以上のデータ転送を実現している例えば R チャネルで 8 ビット B チャネルで 2 ビットを画面半分に転送しビットで駆動する残りの半分についても同様に G チャネルで 8 ビット B チャネルで 2 ビットを転送しビットで駆動するこれにより画面全 5/28

体でビットの表示が可能となる本方式はハードウェア的およびオペレーティングシステム的に規定された信号伝送方式ではないためグラフィックスカードのドライバーソフトウェア側で特別なソフトウェア (API:Application Program Interface) を準備しなければならないすなわちアプリケーション内部の

従来の多階調表示方式の例本方式の問題点は () 多階調伝送方式がハードウェアやOSに規定される標準方式では無いためそれぞれの GCおよびOS 毎にAPIを準備しなければならない (2) 多階調伝送のためにどのチャンネルをメインとし多階調ビットをどのチャンネルのどこのビットに乗せるかという方法も非標準であるため LCDモニターの入力インターフェイスを

16 体でビットの表示が可能となる本方式はハードウェア的およびオペレーティングシステム的に規定された信号伝送方式ではないためグラフィックスカードのドライバーソフトウェア側で特別なソフトウェア (API:Application Program Interface) を準備しなければならないすなわちアプリケーション内部のビット信号をグラフィックスカード側で特別な出力に変更するためのソフトウェアを必要とする図 3. 従来の多階調表示方式の例本方式の問題点は () 多階調伝送方式がハードウェアやOSに規定される標準方式では無いためそれぞれの GCおよびOS 毎にAPIを準備しなければならない (2) 多階調伝送のためにどのチャンネルをメインとし多階調ビットをどのチャンネルのどこのビットに乗せるかという方法も非標準であるため LCDモニターの入力インターフェイスを GCのインターフェイスに合わせる必要がある (3) 当初 8ビットシステムであっても将来 LCDモニターの対応が更なる多階調 ( ビットビット 2 ビット ) となった場合 GC モニター API アプリケーションといった様々な要素を厳密に合わせていかないと実現できない (4) 通常の 8 ビットシステムや一般的な 32 ビットモードとの互換性が全くなくなる Viewerの他に例えば WEB ブラウザ等の一般アプリケーションを動作させようとした場合予期できないような問題が発生する可能性がある以上のようにこの方法は多くの制限事項を伴うため汎用性に欠ける 8.2 Viewer Monitor の組み合わせによる実現 ( 図 4. TOTOKU 方式特許出願済み ) この方式は一般的な 32 ビットカラーモード (24 ビット信号伝送モード ) を利用しモノクロの多階調信号をカラー信号にエンコードした信号伝送を行いその信号をモニター内部でデコードし多階調を実現する方法である図 4. 汎用性のある新しい多階調表示方式具体的にはモノクロ階調を R,G,B のカラー信号の組み合わせに変換するテーブルにより多階調の信号を伝送して 6/28

17 いる R,G,B 各色 8 ビットであり 8 x 3 で 24 ビットの信号線があることから理論的には約,6 万階調の表現が可能であるが実際に必要とされる階調はせいぜい 4, 階調程度 (2 ビット ) なので約半分の信号線があれば必要十分なグレー階調が伝送可能である本方式の特徴は () Windows や他の OS(MacOS Linux 等 ) の標準的な画像信号伝送方式 (24 ビットフルカラー伝送 ) を使用しているためグラフィックスカードに依存する特別な API 等が不要である (2) アプリケーションへのカラーモノクロ変換テーブルの組込みだけで簡単に実現出来る (3) OSの標準方式 (PCの標準ハードウェア) を採用しているため汎用グラフィックスカードを使用することができかつグラフィックスカードのメーカーに依存しない (4) 階調数がビットビット 2 ビットと増加してもカラー信号の組み合わせをモノクロ信号の階調に割り当てるためのテーブル ( 変換テーブル ) を変更するのみで対応できるのでそれ以外のソフトウェアの書き換えやハードウェア等の変更が基本的に不要である以上の二つの方式を比較すれば後者の TOTOKU 方法は Viewer とモニターに依存するだけであるため従来の方式に比べて明らかに有利であると言える 9. まとめこのペーパーではモニターの表示可能輝度範囲を.7-4cd/m 2 ディスプレイ固有のガンマを 2.2 という条件設定のもとで LUT の入出力ビット幅と理論的に達成可能な GSDF 精度の関係を 8bit bit bit のそれぞれのシステムについて比較してきたここで今までに述べてきたことを要約し医用画像表示用として必要なグレースケール精度について評価項目と結果について考えてみる - JNDs/Step とは - 入力信号ステップの増分に対する輝度の増分を意味し理想的にはその平均値もばらつきも知覚の限界である JND 以下であることが望まれるその平均値は入力信号のビット数で決まり 8bit 入出力システムでは 2.4JND bit 入出力システムでは.6JND bit 入出力システムでは.3JND となるまたそのばらつきは LUT の出力ビット数を大きくすることにより減少する - GSDF カーブとの乖離とは - サンプリングにより失われる階調の誤差を意味する言い換えれば原画をアナログと仮定したとき原画の階調が最終的にディスプレイにどのくらいの誤差をもって表現されるかを意味する従ってより原画に忠実な画像を再生するためにはこの誤差は JND 以下であることが望ましい - GSDF との誤差とは - 入力信号の各ステップの輝度値と GSDF で定義された輝度値 ( 目標輝度 ) との誤差を表す本稿において誤差を輝度値のパーセント誤差ではなく JND の数に換算して表現している理由は知覚的に線形な量で表現する方が数字だけで比較でき理解し易いからである輝度が暗い方の % と明るい方の % では知覚的に大きな差があることは 2 項で述べた通りである - コントラスト応答誤差とは - 入力信号の増分に対する輝度の増分 ( コントラスト ) が GSDF で定義されたその値に対してどのくらい誤差があるかを表 7/28

18 す即ち入力信号の隣接する全てのステップ間のコントラスト ( 輝度差平均輝度 ) が GSDF のその値に対してどのくらいの誤差があるかを意味し GSDF との一致性を厳密に評価することができる以上四つの観点からここで取り上げたシステムの性能を比較してみよう -8bit 入出力システム- JNDs/Step の平均値が 2.4JND あるため画像の中で輝度が緩やかに変化している部分では階調の境界線が知覚できるレベルにあるしかも 8bitLUT の場合はばらつきが非常に大きく階調飛びや階調落ちが著しいので診断に悪影響を及ぼす恐れがある bitlut であればばらつきもかなり低減し階調飛びや階調落ちが生じることがなくなるので実用域のシステムであると言える 2bitLUT であれば 8bit 入出力システムとしては必要かつ十分なモニターと言える -bit 入出力システム- JNDs/Step の平均値は.6JND となりステップの輝度の増分は知覚限界以下であるしかし bit LUT では階調飛びや階調落ちがあるため bit 入出力システムとしては不十分であり bit あるいはそれ以上の LUT を搭載する必要があるさらに 2bitLUT を用いれば bit 入出力システムとしてのパフォーマンスをフルに発揮できる -bit 入出力システム- JNDs/Step の平均値は.3JND となりステップの輝度の増分は更に知覚限界以下であるため好ましいシステムと言える GSDF との乖離は知覚限界とされる ND の /2 以下となるため原画像に極めて忠実な画像表現が可能となり理想的な画像表示システムと言える画像表示システムに求められるグレースケール精度は診断画像の種類読影環境モニターの輝度範囲あるいは読影者の感性の深さなどにより一概に決めつけることはできないが一般的には -2M pixel モニターは 8--8bit システム 3-5M pixel モニターでは最低限 8-2-8bit システムそして理想的には -2-bit システムであることが望まれる TOTOKU は上記の結果を受け M/2M で 8--8bit システム 3M/5M で -2-bit システムを実現し医療用画像の的確な表示という観点からそれぞれの解像度において最適なソリューションを提供しているまた TOTOKU では 8 ビット以上の多階調を実現したモニターシステムを用いてヒューマンオブザーバー的な心理物理評価を実施した結果 8 ビットシステムでは見えなかった画像の詳細部がビットシステムでは見えたと言う研究レポートも出ている以上のようなことを考慮すれば表示装置としての理想的な理論精度は JND の /2 以下を目標にすべきではないかと考えられる最後にビットシステムの優位性について見てみよう例えば.5-45cd/m2 のモニターは JND の数に換算して約 644JND を表示することができる bit 入出力システムでは 24 の p 値を有するので 644JND を上回るため bit 以上の bit 数のシステムは不要であるという考え方がある bit 以上のシステムは本当に必要ないのかどうか検証してみようディジタル表示システムでは量子化誤差により最大でステップあたりの平均の JND の数に近い誤差が生じる図 5 は bit 入出力システムと bit 入出力システムの輝度応答特性の一部分を拡大したグラフである黒線は原画のグレースケールをステップ状の線はそれぞれ bit, bit 入出力システムの輝度応答を示すアナログに近い十分なグレースケール情報を有する原画を表示した場合原画の中に存在する低コントラストの輝度差が上記の二つのシステムでどのように表現されるかを具体的な数値で示してある図中に示す二つの赤丸の輝度差は JND の数で表すと.JND であるのでこれを忠実に再生できる表示装置を使用すればこの二つの領域の輝度差は知覚可能なレベルであるこの原画を bit 入出力システムと bit 入出力システムに表示すると二つの領域の輝度差はそれぞれ.63JND と 8/28

19 .94JND となる前者では知覚困難であるのに対し後者ではほぼ知覚可能なレベルのコントラストで表示されることがわかり bit 入出力システムの優位性が容易に理解できる図 5. ビットシステムとビットシステムの比較輝度応答の比較 ( 一部分を拡大 ) bit システム bit システム Lmin=.5cd/m2, Lmax=45cd/m2 における試算原画 (GSDF) cd/m JND 値原画の 2 点間の輝度差 =.JND bit システムで表示される輝度差 =.63JND bit システムで表示される輝度差 =.94JND 輝度 bit bit p 値 9/28

20 Appendix - 精度計算結果 8-8-8bit システム A 図 7A 8-8-8bit システムにおける GSDF カーブとの乖離を JND の数で示す GSDF との乖離 (JNDs) JND index (4bit) 図 7B 8-8-8bit システムにおける GSDF との輝度誤差を JND の数で示す GSDF との誤差 (JNDs) B p 値 (-255) 図 7C 8-8-8bit システムの p 値間隔における JND の数を示す JNDs/step C p 値 (-255) 図 7D 8-8-8bit システムにおける JND あたりのコントラスト 256 ステップの p 値で評価した値を示す dl/l per JND D GSDF 8-8bit / p 値 (256 step)

21 図 8A 8--8bit システムにおける GSDF カーブとの乖離を JND の数で示す GSDF との乖離 (JNDs) bit システム 8- A JND index (4bit) 図 8B 8--8bit システムにおける GSDF との輝度誤差を JND の数で示す GSDF との誤差 (JNDs) B p 値 (-255) 図 8C 8--8bit システムの p 値間隔における JND の数を示す JNDs/step C p 値 (-255) 図 8D 8--8bit システムにおける JND あたりのコントラスト 256 ステップの p 値で評価した値を示 dl/l per JND GSDF 8-bit 8- D p 値 (256 step) 2/28

22 図 9A 8-2-8bit システムにおける GSDF カーブとの乖離を JND の数で示す GSDF との乖離 (JNDs) bit システム 8-2 A JND index (4bit) 図 9B 8-2-8bit システムにおける GSDF との輝度誤差を JND の数で示す GSDF との誤差 (JNDs) B p 値 (-255) 図 9C 8-2-8bit システムの p 値間隔における JND の数を示す JNDs/step C p 値 (-255) 図 9D 8-2-8bit システムにおける JND あたりのコントラスト 256 ステップの p 値で評価した値を示 dl/l per JND D GSDF 8-2bit p 値 (256 step) 22/28

23 図 2A --bit システムにおける GSDF カーブとの乖離を JND の数で示す GSDF との乖離 (JNDs) bit システム - A JND index (4bit) 図 2B --bit システムにおける GSDF との輝度誤差を JND の数で示す GSDF との誤差 (JNDs) B p 値 (-23) 図 2C --bit システムの p 値間隔における JND の数を示す JNDs/step C p 値 (-23) 図 2D --bit システムにおける JND あたりのコントラスト 256 ステップの p 値で評価した値を示 dl/l per JND D GSDF -bit p 値 (256 step) 23/28

24 図 2A --bit システムにおける GSDF カーブとの乖離を JND の数で示す GSDF との乖離 (JNDs) bit システム - A JND index (4bit) 図 2B --bit システムにおける GSDF との輝度誤差を JND の数で示す GSDF との誤差 (JNDs) B 入力信号デジタル値 (-24) 図 2C --bit システムの p 値間隔における JND の数を示す JNDs/step C 入力信号デジタル値 (-23) 図 2D --bit システムにおける JND あたりのコントラスト 256 ステップの p 値で評価した値を示 dl/l per JND D GSDF -bit p 値 (256 step) 24/28

25 図 22A -2-bit システムにおける GSDF カーブとの乖離を JND の数で示す GSDF との乖離 (JNDs) bit システム -2 A JND index (4bit) 図 22B -2-bit システムにおける GSDF との輝度誤差を JND の数で示す GSDF との誤差 (JNDs) B p 値 (-24) 図 22C -2-bit システムの p 値間隔における JND の数を示す JNDs/step C p 値 (-23) 図 22D -2-bit システムにおける JND あたりのコントラスト 256 ステップの p 値で評価した値を示 dl/l per JND D GSDF -2bit p 値 (256 step) 25/28

26 図 23A -2-bit システムにおける GSDF カーブとの乖離を JND の数で示す GSDF との乖離 (JNDs) bit システム -2 A JND index (4bit) 図 23B -2-bit システムにおける GSDF との輝度誤差を JND の数で示す GSDF との誤差 (JNDs) B p 値 (-247) 図 23C -2-bit システムの p 値間隔における JND の数を示す JNDs/step C p 値 (-247) 図 23D -2-bit システムにおける JND あたりのコントラスト 256 ステップの p 値で評価 dl/l per JND D GSDF -2bit p 値 (256 step) 26/28

27 Appendix-2 視覚心理による見え方の変化物理的な図形と人間が知覚する図形は必ずしも同じではないここにその一例をあげる 4). マッハ効果明暗の空間的なステップパターンの境界では明るい部分はより明るく暗い部分はより暗く見える現象マッハ効果 4) 輝度 cd/m 輝度知覚エッジ幅 mm 2. クレイクオブライエン効果例えば右図において中央の縦線の左右は全く同じ輝度であるが線の両側に明暗の勾配をもたせると点線のように両側に明暗の差があるように見える現象 4) クレイクオブライエン効果 4) 輝度 5) 3. 視覚の空間周波数特性輝度変調されたパターンを見る場合明暗の縞の間隔によって輝度差の検出感度が異なる視覚系全体では視角度あたり 4 サイクル付近 (3cm 離れた所から観察する場合は明暗サイクルの間隔が約.3mm になる ) に閾値のピークがあり縞がこれ以上細かくあるいは粗くなると明暗の検出感度が低下する空間周波数 (cycle/degree) によって視覚系のコントラスト感度が異なる 4 順応 (adaptation) 6) 明所視と暗所視では視感度が異なる現象である平均輝度が明るい画像と暗い画像とではそれぞれの画像の中に存在する輝度差の検出感度が異なる視覚特性の詳細についてはこのペーパーの趣旨ではないので別の機会に譲ることとする 27/28

28 参考文献 ) AAPM TG8 v.9. pp83 2) DICOM pp3 3) AAPM TG8 v.9. pp84 4) 福田忠彦生体情報システム pp78-79 産業図書 5) 福田忠彦生体情報システム pp62 産業図書 6) AAPM TG8 v. pp85 福田忠彦生体情報システム pp56 産業図書 7) AAPM TG8 v. p87 TOTOKU 東京特殊電線株式会社情報機器カンパニー企画技術グループ 28/28

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EIZO White Paper tüáíém~ééê 医用画像診断用モニターに求められるグレースケール表示とは CONTENTS 1. はじめに...2 2. 通常の液晶モニター (8bit 入出力 ) で医用画像を見た場合...3 3. モニター上で滑らかなグレースケール表示をおこなうには...4 3-1. 人間工学的に測定した適正なグレースケール表示関数...4 3-2. モニターの階調特性を補正するための Look-Up Table...6