JP2013114360A - 画像処理方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
シンプルな構成で空間分解能を向上させることができ、低コストで汎用性を備えたイメージング手法を提供する。
【解決手段】
対象の位置を固定して、対象の 画像をベース画像として取得するステップと、対象あるいは/および画像取得装置の測定系を移動させることで、前記ベース画像に対して結像面内で所定量シフトしたN枚のシフト画像(N≧1)を取得するステップと、前記ベース画像と各シフト画像の同じ座標の画素同士の差分からN枚の差分画像(N≧1)を取得するステップと、前記N枚の差分画像を加算して対象の差分積算画像を取得するステップと、からなる。
【選択図】図1
Description
本発明は、シンプルな構成で空間分解能を向上させることができ、低コストで汎用性を備えたイメージング手法を提供することを目的とするものである。
対象の画像を取得する画像取得装置を用いた画像処理方法であって、
対象の画像をベース画像として取得するステップと、
前記ベース画像に対して結像面内で前記対象が所定量シフトしたN枚のシフト画像(N≧1)を取得するステップと、
前記ベース画像と各シフト画像の同じ座標の 画素同士の差分からN枚の差分画像(N≧1)を取得するステップと、
前記N枚の差分画像を加算して対象の差分積算画像を取得するステップと、
からなる画像処理方法、である。
1つの態様では、前記画像処理方法は、さらに、ベース画像から前記差分積算画像を減算して対象の鮮鋭化画像を取得するステップを備える。
鮮鋭化画像を取得する際に、ベース画像に重みを付けてもよい。重みは、例えば、1倍〜20倍の範囲から選択される。
なお、差分画像のみを用いる場合、ある対象の輪郭のみを抽出するのであれば、差分画像の各画素の値の符号は問わない(白で強調するか、黒で強調するかの違い)ので、差分画像の符号反転を行い得ることが当業者に理解される。同様に、鮮鋭化画像の符号反転を適宜行い得ることも当業者に理解される。本明細書、特許請求の範囲の記載において、「加算すること」と「減算すること」は符号反転に応じて置換可能であることが当業者に理解される。
1つの態様では、前記所定量は、前記画像取得装置の空間分解能の1/5〜1倍の範囲の量である。
画像取得装置の空間分解能は、重要なスペックであり、既知ないし当該装置の構成から見積もることができる。例えば、実験で用いた光ファイバーイメージング装置では、ファイバ素線の直径である2〜3μmが空間分解能であると考えられ、実験で用いたノマルスキ微分干渉 光学顕微鏡(BX60)では、ほぼ1μmと見積もることができる。
対象の移動は、典型的には移動機構(例えば、ピエゾ駆動ステージ、ベルトコンベア)上の対象を当該移動機構により移動させるものであるが、対象自身が機械的な移動手段や振動手段を有している場合、対象(典型的には生物)が自己運動する場合も含む。
画像取得装置の測定系を移動させる場合には、測定系全体を移動させる場合、測定系の一部を移動させる場合を含む。例えば、光学系の画像取得装置の測定系が、光学系と検出器を備えている場合に、「光学系+検出器」を移動させる場合、「検出器」を移動させる場合がある。
1つの態様では、前記N枚のシフト画像は、ベース画像に対してx方向に2方向、y方向に2方向、斜め方向に4方向シフトした8つの画像である。
1つの態様では、前記N枚のシフト画像は、ベース画像に対してx方向に2方向、y方向に2方向シフトした4つの画像である。
1つの態様では、前記N枚のシフト画像は、ベース画像に対してx方向あるいはy方向の2方向にシフトした2つの画像である。
シフト方向は、反対方向のペア(x方向に2方向のように)の場合に限定されるものではなく、1方向を含む奇数方向でもよく、また、回転も含む。
対象の画像をベース画像として取得する手段と、
前記ベース画像に対して結像面内で前記対象が所定量シフトしたN枚のシフト画像(N≧1)を取得する手段と、
画像処理部と、を備え、
前記画像処理部は、前記ベース画像と各シフト画像の同じ座標の画素同士の差分からN枚の差分画像(N≧1)を取得し、前記N枚の差分画像を加算して対象の差分積算画像を取得する。
後述する実施形態では、光ファイバーイメージング装置、ノマルスキ微分干渉光学顕微鏡の2種類の画像取得装置を用いて実験を行った。本手法を光ファイバーイメージング装置、ノマルスキ微分干渉光学顕微鏡以外の他の画像取得装置に適用することは、当業者において適宜実行できることが理解される。
本発明における、対象あるいは/および画像取得装置の測定系のシフト方向は、結像面に対して平行する方向である。すなわち、対象を移動させる場合において、シフト方向は、光学的な画像取得装置においては光軸に対して垂直方向、電子線や放射線を用いた画像取得装置においてはビーム軸に対して垂直方向である。
[A−1]イメージング装置における画像処理の概要
本発明の画像処理装置(イメージング装置)の実施形態のブロック図を図1に示す。画像処理装置は、対象の画像を取得する画像取得部(測定系)と、測定系に対して対象を相対的に移動させる手段と、を備えている。以下の説明においては、光学的な画像取得装置に基づいて本発明の実施形態を説明するが、本発明に適用され得る画像取得装置は、光学的な画像取得装置に限定されない。
画像処理部が実行する画像の足し引きについて説明する。本実施形態において、複数の画像の足し引きは、各画像の同じ座標の画素の画素値(信号強度)同士の足し引きである。試料を載置したステージを移動させる前の画像(すなわち取得したい画像)をベース画像0として、ステージを上下左右斜めの8方向に移動した際に取得した画像をシフト画像1〜8とすると、差分積算画像の計算は2次元画像の足し引きになる。式で表せば、(シフト画像1+シフト画像2+シフト画像3+シフト画像4+シフト画像5+シフト画像6+シフト画像7+シフト画像8)−ベース画像0×8、となる。例えば、画素(M5,N5)に着目すると、{シフト画像1の画素(M5,N5)の値+シフト画像2の画素(M5,N5)の値+シフト画像3の画素(M5,N5)の値+シフト画像4の画素(M5,N5)の値+シフト画像5の画素(M5,N5)の値+シフト画像6の画素(M5,N5)の値+シフト画像7の画素(M5,N5)の値+シフト画像8の画素(M5,N5)の値}−ベース画像0の画素(M5,N5)の値×8、となる。このように、数値演算(ラプラシアンフィルタ)が、近接する画素間の演算であるのに対して、本実施形態では、複数の画像上の同じ位置(座標)の画素間の演算となる。
対象を移動させる手段としては、典型的には、ピエゾ素子を用いたピエゾ駆動ステージを例示することができる。このようなピエゾ駆動ステージは、光学顕微鏡において、試料を探索したり、見やすい位置に移動させる等の目的で広く 使用されている。また、ピエゾ駆動ステージは、特許文献4に例示されるように走査型顕微鏡において、2次元画像を取得するための走査ステージとしても用いられている。しかしながら、これらのピエゾ駆動ステージの利用は、本実施形態における複数のシフトした画像を処理し、 画像の鮮鋭化に利用するための移動とは技術思想が異なる。
ベース画像に対するシフト画像の移動量は、画像取得装置の空間分解能程度が望ましいと考えられる。しかしながら、空間分解能の定義自体が識別可能な2点間の距離という曖昧なものであり、「見える」・「見えない」の判断は、脳の高度の計算により行われ、画像として輪郭をどの程度強調した方が見やすいか、物の質感を損なわないかは、見る側の個人差があり、また、画像となっている対象によっても異なる。したがって、本実施形態で採用し得る移動量には幅があり、1つの態様では、ベース画像に対するシフト画像の移動量は、画像取得装置の空間分解能の1/10〜2倍である。さらに好ましい範囲では、空間分解能の1/5〜1倍である。移動量のかかる範囲は、後述する実験結果から裏付けられる範囲である。空間分解能の1/10程度では実際に、微弱であるもののエッジ情報が得られている。一方、移動量は、空間分解能よりも大きな値の場合も含まれ、空間分解能の数倍、例えば2倍程度までであれば、ベース画像に比べてより明瞭に見える場合もあり得る。
差分積算画像を取得する際、特定の差分画像のみ加算する、あるいは重み付けをしてもよい。例えば、ベース画像0と上下左右斜めの8方向の8枚のシフト画像1〜8がある場合に、8枚の差分画像の一部のみを選択して加算してもよい(この場合、選択されなかった差分画像の重みは0である。)。また、例えば、4方向シフト画像において、シフト量が上下左右で異なる場合等に、差分画像に重みを付けてもよい。厳密には、(画像1−画像0)/(画像1のシフト量)+(画像2−画像0)/(画像2のシフト量)+・・・とすることで、輪郭の強度(画素強度の傾き)を同じにすることができる。また、特殊な用途で、たとえば縦方向の輪郭のみを強調したいというような場合に、重みを変えてもよい。どのように重みを付けるかは、目的や用途等に応じて当業者において適宜設定し得る。
1つの態様では、複数のシフト画像は、ベース画像に対してx方向に2方向、y方向に2方向、斜め方向に4方向にシフトした8つの画像である。この場合、8方向2次微分イメージが得られ、全角度の変化をほぼ均等に強調することができる。なお、1つのベース画像に対して9つ以上のシフト画像を取得してもよい。
[A―7]他の実施形態
1.センサ部を1個(0次元)もつ検出器(光電子増倍管等)を用い、2次元面で走査する手法、
2.1次元のセンサアレイを用いて、アレイ(長軸)に対して垂直方向に走査する手法、
3.2次元イメージセンサをもつ検出器(CCDなど)を用いて、一度に画像を取得する方法、などがあり、本実施形態は、典型的には手法3に適用される。しかしながら、本発明の他の実施形態は、手法2にも適用し得る。具体的には、センサアレイをアレイ(長軸)方向に空間分解能程度シフトし、その後、垂直方向に対象物をアレイによる検出幅程度一方向にシフトする、この動作を繰り返すことで、上下方向のみ2次微分された2次元イメージが取得できる。これに関連して、後述するベルトコンベアを用いた検査装置への適用3を参照することができる。
[B−1]実験概要
ピエゾ駆動ステージを用いた空間2次微分イメージング装置を製作した。図12に実験装置を示す。CCDカメラ、イメージファイバ光学系、ピエゾ素子駆動ステージを結合させて、試料表面からの光信号の変化を二次元画像として高感度に検出するための装置である。イメージファイバは、非整列タイプであるが、整列タイプのイメージファイバを用いてもよい。駆動ステージとして、フォーカス調整のZ軸を加えた、高精度3軸ピエゾ素子駆動ステージ、およびコントローラを選定した。また、検出器として、ノイズの少ない天体観測用のペルチェ冷却CCDカメラを採用した。光源は、ハロゲンランプを選定し、バンドパスフィルタにより赤色光を選択、照射した。イメージファイバ直下の試料の位置をピエゾ素子駆動ステージにより微少量変化させ、取得イメージの差分をとることにより、光源、ファイバ光学系、検出器の時間的・空間的揺らぎをほぼキャンセルしつつ、試料からの光信号の位置依存性のみを高感度に検出する。
差分積算画像と鮮鋭化画像のシフト量依存性を、図14(シフト量:0μm、0.25μm、0.5μm)、図15(シフト量:1μm、2μm、3μm)、図16(シフト量:4μm、5μm)に示す。図14〜図16において、上図(−2nd derivative)は、差分積算画像、下図(0th−2nd derivative)は鮮鋭化画像である。空間分解能の1/10程度(0.25μm)のシフト量でも、エッジの情報が得られている。2または3μm あたりが最適だと思われる。それ以上のシフト量(4μm、5μm)では、輪郭が太くなり、やや不自然な印象を受けるものの、中央部グラフェンは判別出来る。最適なシフト量は分解能程度2−3μm(ファイバ素線の直径)であると考えられる。
・ピエゾ駆動ステージを用いた空間2次微分イメージング装置を製作した。
・単層および多層グラフェン試料を用いて、反射光による観察を行った。
・その結果、本手法による明らかな解像度の向上が確認された。
・駆動ステージの最適なシフト量は、本装置では空間分解能を決めているイメージングファイバのファイバ素線の直径程度であった。
・この解像度の向上は、数値演算による2次微分画像処理(ラプラシアンフィルタ)では実現されないことを確認した。
[C−1]実験概要
位置シフトによる空間2次微分イメージング手法を一般的な光学顕微鏡に適用した。光学顕微鏡としては、オリンパスBX60を用いた。ネジ式手動ステージのために、厳密なシフトは出来ない。今回のシフト量は、おおよそ1±0.5μm程度である。
となり、ほぼ1μm程度であると考えられる。
図20、図21に、単層/多層グラフェンの観察を示す。
・単層グラフェンはベース画像と比較してより明瞭に観察できた。
・多層グラフェンについては、積層状態がベース画像と比較してより明瞭になった。
・多層グラフェン中のマーカーが明瞭に観察できた。従来の方法では、ラプラシアンフィルタを用いた数値演算を実行してようやく、見える程度である。
・ラプラシアンフィルタを用いた数値演算よりも、明らかに明瞭なイメージが得られた。
・単層/2層グラフェンはベース画像と比較してより明瞭に観察できた。
・多層グラフェンについては、積層によると思われる模様が見えた。従来の方法では、ラプラシアンフィルタを用いた数値演算しても、ほとんど見えない。
・ラプラシアンフィルタを用いた数値演算よりも、明らかに明瞭なイメージが得られた。
・位置シフトによる空間2次微分イメージング手法を光学顕微鏡に適用した。
・ネジ式手動ステージを用いたため、正確なシフトは出来なかったにもかかわらず(おおよそ1±0.5μm)、本手法による明らかな解像度の向上が確認された。
・ラプラシアンフィルタを用いた数値演算では得られない情報が、確かに得られることを確認した。
・装置の空間分解能程度で正確にシフトすれば、より解像度が向上すると考えられる。
鮮鋭化画像Cを取得する際(C=kC0−C差分積算)のベース画像C0の重みkについて比較実験を行った。実験結果を図24〜図27に示す。
1≦k:k=20程度までは輪郭が強調され、それ以上では位置シフトの効果があまりない。
0≦k<1:差分積算画像と大きな違いは見られなかった。
k<0:画素強度が相対的に変化し、凸凹の形状も変化する。有効性はあまりないと考えられる。
本発明を限定するものではないが、1≦k≦20が適当であると考えられる。
Claims (13)
- 対象の画像を取得する画像取得装置を用いた画像処理方法であって、
対象の画像をベース画像として取得するステップと、
前記ベース画像に対して結像面内で前記対象が所定量シフトしたN枚のシフト画像(N≧1)を取得するステップと、
前記ベース画像と各シフト画像の同じ座標の 画素同士の差分からN枚の差分画像(N≧1)を取得するステップと、
前記N枚の差分画像を加算して対象の差分積算画像を取得するステップと、
からなる画像処理方法。 - 前記差分積算画像は、各シフト画像からベース画像を減算して積算することで得られる、請求項1に記載の画像処理方法。
- さらに、ベース画像から前記差分積算画像を減算して対象の鮮鋭化画像を取得するステップを備える、請求項2に記載の画像処理方法。
- 前記所定量は、前記画像取得装置の空間分解能の1/10〜2倍の範囲の量である、請求項1〜3いずれか1項に記載の画像処理方法。
- 前記所定量は、前記画像取得装置の空間分解能の1/5〜1倍の範囲の量である、請求項4に記載の画像処理方法。
- 前記シフト画像は、対象あるいは/および画像取得装置の測定系を移動させることで取得される、請求項1〜5いずれか1項に記載の画像処理方法。
- 前記N枚のシフト画像は、
ベース画像に対してx方向に2方向、y方向に2方向、斜め方向に4方向シフトした8つの画像、あるいは、
ベース画像に対してx方向に2方向、y方向に2方向シフトした4つの画像、あるいは、
ベース画像に対してx方向に2方向あるいはy方向に2方向シフトした2つの画像、あるいは、
ベース画像に対してx方向に1方向あるいはy方向に1方向シフトした1つの画像、である、請求項1〜6いずれか1項に記載の画像処理方法。 - 前記シフト画像は、ベース画像を回転させた画像である、請求項1〜4いずれか1項に記載の画像処理方法。
- 対象の画像を取得する画像取得装置を用いた画像処理装置であって、
対象の画像をベース画像として取得する手段と、
前記ベース画像に対して結像面内で前記対象が所定量シフトしたN枚のシフト画像(N≧1)を取得する手段と、
画像処理部と、を備え、
前記画像処理部は、前記ベース画像と各シフト画像の同じ座標の画素同士の差分からN枚の差分画像(N≧1)を取得し、前記N枚の差分画像を加算して対象の差分積算画像を取得する、画像処理装置。 - 前記画像処理部は、各シフト画像からベース画像を減算して積算することで差分積算画像を取得する、請求項9に記載の画像処理装置。
- 前記画像処理部は、ベース画像から前記差分積算画像を減算して対象の鮮鋭化画像を取得する、請求項10に記載の画像処理装置。
- 前記所定量は、前記画像取得装置の空間分解能の1/10〜2倍の範囲の量である、請求項9〜11いずれか1項に記載の画像処理装置。
- 前記所定量は、前記画像取得装置の空間分解能の1/5〜1倍の範囲の量である、請求項12に記載の画像処理装置。
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