［研究報告］

画像処理による土壌品質検査に関する研究
長谷川辰雄＊、高橋良学＊＊、大和田功***

食の安全に対する関心の高まりから、農産物の生産過程のみならず、その農産物が生産される土壌の健全性に関心を示す消費者が増えてきている。そこで、当センターと岩手県農業研究センターは共同で、容易に土壌の品質を検査する研究を実施した。従来の方法は、高精度であるが、検査装置が高額で検査時間が長く手間がかかるという問題を抱えている。これに対して、本手法は土壌の色をスキャナで画像化し、その色から全炭素含有量を推定し品質を判定する。パソコンとスキャナさえあれば、簡易に土壌の品質を推定することが可能となる。
キーワード：土壌品質、スキャナ、画像処理

The Soil Quality Inspection by the Image Processing
HASEGAWA Tatsuo, TAKAHASHI Yoshinori and OOWADA Isao
The consumers who show concern in soundness of the soil where agricultural produce is produced
have been increasing by the reason of the safety of food. The joint research to examine the quality of thesoil easily was conducted between our Center and Iwate Agricultural Research Center. Though theusual method is high precision, the soil inspection device has the problem that is high price andinspection time are long. By the color of the soil acquired with scanner, all carbon content in the soil isestimated and it judges soil quality. If only there are a personal computer and a scanner, it becomes
possible that the quality of the soil is estimated simply.
key words: soil quality, scanner, image processing
１

緒言

パソコン用のスキャナは、主に写真などの画像を得る目的で使健全な土壌は、たい肥等の有機物を適切に使用することで用されるため、厳密な色の再現は行われていない。また、機種維持される。一般的に有機物量が増えると土壌中の全炭素量ごとに色の値が異なるため、同一の方法では評価できない問題が増加することが知られており、全炭素含量は土壌の健全性がある。そのため、均一的な色計測を行うために色補正が必要を評価する重要指標の１つと考えられるが、現在の分析手法となる。コンピュータで色を扱う場合、モニタ RGB 単位(sRGB)が煩雑であるため農業生産現場での評価は難しいという問題で管理する仕様となっている。

がある。このような背景から、より簡易な全炭素量の分析手RGB 値の取得法が必要となっている。
本研究では、土壌の色と全炭素含量との間に相関関係があることを確認し、土壌全炭素含量推定手法を考案した。この手法では、パソコンとスキャナがあれば、簡易に土壌の全炭

RGB→XYZ 変換

素含量を推定することが可能となる。スキャナ画像から土壌X = 0.412391*R + 0.357584*G + 0.180481*B;
Y = 0.212639*R + 0.715169*G + 0.072192*B;
Z = 0.019331*R + 0.119195*G + 0.950532*B;の色を取得する場合の問題は、異機種ごとに取得される色の値が異なるため、判定基準が一定化しないことにある。この問題に対し、本研究では判定基準を一定化するために、基準色となるカラーチャートを使って色補正を行う実験を行った。
その結果、異機種ごとに、画素値の違いや読みとり面のムラ、

XYZ→Lab 変換
L = 116(Y/Y0) 1/3 ‑ 16 (Y/Y0>0.008856)

画質の安定時間に差があることが判明した。また、ユーザの操作性を向上させるための画像取り込みソフトウェアと土壌

a = 500[(X/X0) 1/3 ‑ (Y/Y0) 1/3]
b = 200[(Y/Y0) 1/3 ‑ (Z/Z0) 1/3]
X0=0.95045,Y0=1.0,Z0=1.08892を設置するための専用トレーを試作した。本報告書では、これらの開発内容について報告する。
２２−１
＊実

験

方法
図１

色の取り扱い電子機械技術部＊＊岩手県農業研究センター＊＊＊（有）イグノス

89

モニタＲＧＢのＬａｂ変換方法

岩手県工業技術センター研究報告第１１号（２００４）

しかし、人間の視覚はこの RGB とは異なる色空間認識であるるドライバソフトによって画像を取り込む。しかし、これをことが知られている。人間の視覚に最も近い色表現として Lab利用する場合、一旦ファイルに保存する必要がある。ユーザ

1)単位が知られており 、人間の視覚に関する分析などに用いの操作性から見ると、「画像取り込み」と「画像保存」の２られている。L は明度、a、b は L における色度を２次元で表つの操作をしなければならず、多数の土壌検査を連続して行している。そこで本研究では、色補正を色彩計で計測した Labう場合、操作が煩雑となる。そこで、図３に示すように、ス単位または XYZ 単位で行うこととした。このためには、スキキャナのドライバソフトをアプリケーションプログラムからャナ画像の RGB 値から Lab または XYZ 単位へ変換する必要が自由に制御するソフトウェアを作成した。これには TWAINある。この変換プログラムを図１の変換方法 2)により作成し（Tool Without An Interesting Name）と呼ばれるソフトウた。

ェア仕様を元に作成した。
TWAINとはスキャナやデジタルカメラなどの画像入力機器とパソコンを接続するための技術仕様

２−２ 色の再現性試験である。 TWAINドライバはスキャナメーカが提供するソフト

スキャナの色の再現性は、スキャン回数や場所（スキャンウェアで、画像取り込みなどの実際のスキャナ制御を行う。

位置）によって異なる。通常、色のバラツキなどはメーカご今回作成したアプリケーションは、TWAINドライバ自体を起動とに独自に調整され、その補正データが推奨値としてプロフし、画像を取り込む機能として実現した。これはTWAINドライ

ァイルに記録され自動的に色の調整を行っている。この補正バが提供されている装置であれば、たとえ異機種でも対応ではユーザが独自に調整することも可能であるが、スキャナのきることを意味する。

専門知識が必要となり簡単に設定することが困難である。そのため、本研究ではメーカ推奨のプロファイル値（ディフォアプリケーション・プログラム

ルト値）を用いて、スキャン回数とスキャン位置の変化による色の再現性を試験した。この試験に使用したチャート紙を品質判定処理

図２に示す。試験する色を１５種類にサンプリングし、スキャナ読み込み位置は、縦方向を上段、中断、下段に分け、横画像方向を９列とした配置とした。また、試験したスキャナは３

画像取込・RGB →Lab 処理

種類であり、連続スキャンによる時経変化による色再現性及画像び、１ページ内の位置変化による色再現性の評価を行った。
TWAIN ドライバ起動プログラム
９列(スキャナの横方向 X 軸)TWAIN ﾄﾞﾗｲﾊﾞ起動命令

画像

TWAIN ドライバ

A

画像

画像取込命令スキャナ装置

3行(スキャナの縦

図３

方向 Y

ソフトウェアの処理の流れB軸)

３
３−１

実

験結果

色の取り扱い安定した色計測を行うために、スキャナの特性を考慮した色補正が必要となる。これには、カラーパッチが印刷されている

Cチャート紙を色彩計で計測し、XYZ 単位系または Lab 単位系で統一して補正を行うのが一般的である 3)。しかし、パソコンの色は

15 種類
図２

RGB 単位であるため単位系の相互変換が必要となる。そこで、ス
キャナ画像の RGB 単位系を、Lab 系で表されるカラーチャート紙試験チャート紙との単位を合わせるためにRGB→Lab変換プログラムを作成した。
図４に自作プログラムと PhotoShop の RGB→Lab 変換を行った比２−３ スキャナ画像取り込み制御ソフトウェア
装置の低価格性を実現するために使用するスキャナは、較を示す。この実験結果から、変換がほぼ同じく行われること一般向け低価格スキャナ（実売価格１〜２万円）を対象とすが確認でき、カラーチャート紙による色補正プログラムの一部る。通常、スキャナの画像を取り込むには、メーカが提供す分が実現できた。

90

画像処理による土壌品質検査に関する研究

左側が低い傾向にあることが分かった。これは、ラインスキャナーの特性に起因すると考えられ、一般的には中央部が高くなる左右対称に現れるが、機種Bのように左右非対称のものも存在する。左右非対称の原因は、光源の配置やラインスキャナーの特性が他と異なるためと予想される。

(a)開発プログラムによる RGB→Lab 変換
図２C

図２B

図２A

輝度値

X軸(b)

Photoshop による RGB→Lab 変換

図４

RGB 単位から Lab 単位への変換結果

３−２(a) 機種Ａ

色の再現性実験

連続スキャンによる時経列変化と、１ページ内の位置を変えることによる色再現性の評価を行った。色再現性試験の仕様を表１に示す。 図２の試験チャート紙を、３機種ごとに連輝続５０回のスキャンを行い、１０回目ごとの画像を評価対象

度データ（５サンプル）とした。チャートに印刷した色は１５値色で、位置の特定をするため等間隔（ブロック単位）に配置してある。
X軸

表１
試験項目
スキャン回数（回）
サンプリング数
サンプリング色（色）スキャン位置（ブロック）
スキャン画像(DPI)
機種（台）

数
50
51527300
3試

験仕様

Y軸

(b) 機種Ｂ仕様
連続スキャン
１０回ごと
パッチサイズ：4x4mm
色：白，黒，灰，RGBx2，CMYKx2
３行x９列

輝度

サイズ：2552x3508pixel

値

機種A，機種B，機種C
X軸

Y軸(c) 機種Ｃ

表１の試験仕様によって、１ページ内における輝度値

図５の分布測定を行った。取り込んだRGBの実測値を輝度値(GRAY:0〜255)へ変換し、ブロック位置ごとの輝度値をグラフ化した。図５に機種A,B,Cの輝度値分布を

３−３

３機種の輝度値分布

経時変化による輝度値測定

連続スキャンによる輝度の変化を表したグラフを図６に示す。

示す。この結果から全体的に、スキャナの上方の輝度値が高いことが分かった。また、機種Aと機種Cは左右

この結果から機種 A と機種 C では明らかに１回目と１０回目にの端に近づくほど輝度値が低く、機種Bは右側が高く、これは蛍光管の暖まり具合によるもので、スタート時光量が少輝度の変化が見られる。一方、機種 B は安定の傾向が見られる。

91

岩手県工業技術センター研究報告第１１号（２００４）

なく、連続スキャンにより蛍光管が温まると光量が増加する影響と推測される。この結果から、安定した測定を行うためには、蛍光管の光量を安定化させるための準備スキャンが必要となることが分かった。この準備スキャンの回数や方法は機種ごとに異なると考えられるが、今後行う実験値から推定Gray輝度値変換値できると思われる。

1251201151101051009590

図７４

考察

安定した色の管理を行うために、RGB 値を Lab 値に統一して行101020304050

う必要があるが、パソコンで取り扱う RGB はモニタ RGB（sRGB）と呼ばれ、CIE（国際照明委員会）の三刺激値 XYZ の前身となっスキャン回数ている CIERGB 値とは異なっている 4)。モニタ RGB は、0〜255 の(a) 機種 A

デジタル値の組み合わせで色を表しているのに対し、CIERGB は連続スキャン特性(EPSON GT7400)実際の可視スペクトル光から特定の波長を３つ選んで RGB 値を125決定している。しかし、CIERGB 値を Lab 値へ変換する式は一般

120
Gray輝度変換値

スキャナ画像の自動取り込みの結果115的であるが、モニタ RGB 値を Lab 値へ変換する式は、幾つか提110案されているがあまり明確ではない。本研究では、モニタ RGB105を XYZ 値へ一度変換する方法で Lab 変換を行った。また、色補100

正用のカラーチャートとして、ISO 12647‑2 に準拠した画像電子

95900110203040

学会が提供しているカラーチャート(No.22)を検討したが、チャ50ート上の色はインキで印刷されており紫外線などによる劣化でスキャン回数値が変化する問題がある。厳密に計測するには、その都度、色(b) 機種 B度計によって計測する必要がある。

連続スキャン特性(EPSON GT9300)
125５Gray輝度変換値

120115

結言

本年度の実験により、異機種スキャナの連続スキャン特性と110
105１ページ内の色ムラの分布を評価することができた。この結果、

100

スキャナ中央が比較的安定した画像が得られることがわかり、

95

土壌品質検査専用トレーの試料配置位置設計の参考となった。

9001102030
スキャン回数4050

また、土壌品質判定ソフトウェアの部品として、自動的にスキャナ画像を取り込む機能を実現した。これによって、今後ユー(c) 機種 C
図６３−４ザの操作性を向上することが可能となった。来年度は、スキャ連続スキャンによる輝度の変化

ナの色補正方式の確立、試料トレーの製作及び、色と全炭素量の関係式から全炭素量を求めるプログラムを開発する予定であスキャナ画像取り込み制御ソフトウェア

る。

TWAIN 仕様に従ってスキャナから自動的に画像を取り込むソフトウェアを開発した。開発言語は Microsoft

Visual文C++で、OS は Windows98/2000/XP に対応するように設計した。

1)

試作トレーは、A4 サイズ(横 210×縦 297×厚さ 5mm)の白色ア

献

三宅 洋一：ディジタルカラー画像の解析・評価、東京大学出版会(2002)

クリル板を直径 30mm の円形に切り抜き、ガラスを下面に張り2)合わせた形状となっている。このソフトを使って、土壌サン

岡野邦彦：http://www.asahi‑net.or.jp/ rt6k‑okn/canp98/resume/Makita.htm

プルを入れる試作トレーをスキャンした結果を図７に示す。

3)

開発した本ソフトによって、自動的に土壌サンプルの画像を

山内 二郎、金沢 寿吉：新編色彩科学ハンドブック、日本色彩学会、東京大学出版会(1985)取り込むことが可能となった。

4)92

日下秀夫：カラー画像工学、オーム社(1997)