顕微鏡撮影による顕微鏡撮影による複数による複数の複数の焦点画像を焦点画像を利用した利用した全焦点画像生成手法
した全焦点画像生成手法の全焦点画像生成手法の検討
環境リモートセンシング研究室
指導教員
1. はじめに

西海祥次
力丸

厚

この処理により，対象領域全体の隅々まで鮮

近年，画像合成処理において，焦点の異なる明な画像の取得が可能であると考えられる．さ

複数の画像により単一の光学系では実現困難ならに，実時間での処理が可能となれば，これら被写体全体に鮮明な全焦点画像を取得する手法の機能を備えたカメラや顕微鏡などの更なる発について検討する研究や全焦点カメラなどの開展に繋がると考えられる．

発が進められている．また画質の精度は高まり，より鮮明なものになりつつある．生物分野や電2. 解析画像

子機器分野で用いられる微生物や半導体など対

県立歴史博物館により提供して頂いた遺物の象の形状や奥行きが明確な物は比較的全領域の模擬資料の顕微鏡画像（50 倍：8 枚，100 倍：11画像の取得が可能となっているが，自然物のよ枚，200 倍：12 枚）を用いた．
（図 1 参照）これ

うな不明確な物の全領域の画像の取得は困難なは，昔の人々が，どんぐりなどの木の実を擂り場合が多い．顕微鏡や内視鏡などの拡大光学系潰したり，石を叩いたりすることに使用したもは，倍率が高くなるほど被写界深度が浅くなるのと言われている．

ため，ある奥行きの位置に焦点を合わせると，解析領域は，図１の青い丸の中である．解析異なる奥行きでは焦点が合わなくなる．そのたに 用 い た 画 像 の サ イ ズ は ， 1600(pixel) ×

め，複雑な 3 次元形状の全ての位置に被写界を1200(line)のものを用いた．3×3(pixel)中の大合わせることは困難な場合が多く，全焦点画像

き さは， 50 倍が 1.5μm × 1.5μm ，100 倍がを取得する技術が必要となる．

0.75μm×0.75μm，200 倍が 0.375μm×0.375μm

そこで，本研究では，同シーンの焦点の異なである．本研究で用いた顕微鏡画像は，可視のる複数の顕微鏡画像を利用して，レンジフィルRGB（R：Red , G：Green , B：Blue ）の 3 バン

タを用いた画像の比較によりレンジの値の明暗ドの波長帯域を用いてカラー合成した画像であを判定し，それぞれの焦点の合っている鮮鋭領る．顕微鏡画像のビット数は 8 ビットであり，0域（合焦領域）を選択抽出することで全焦点画～255 の輝度値で表されている．

像の取得を行う手法を提案する．レンジフィル
タとは，局所領域内での最大値と最小値の差分値を領域の中心画素値に置き換える処理であり，局所領域内での変化の激しさとして出力されるものである。
本研究では，合焦領域と非合焦領域では隣接する画素間のコントラストに差が出て，この差が大きい領域が合焦領域の特徴であるという点に注目して最大値画素から最小値画素の差分であるレンジフィルタを用いた．

図1

遺物の模擬資料

3. 複数の複数の焦点画像を焦点画像を用いた合焦判定
いた合焦判定の合焦判定の推定
3.1 合焦判定の合焦判定の概要
本研究では，焦点の異なる複数の画像において，各原画像のレンジの値を算出して，比較を行う
ことで各原画像の焦点の合っている鮮鋭領域（合焦領域）を選択抽出して全焦点画像の取得を行う．仮に画像 A と画像 B を比較し，ある画素のレンジの値の明度が画像 A より画像 B の方が高ければ，その画素領域では画像 B は，画像 A

図 3 焦点画像の例

より鮮鋭であり合焦されていたと判定される．
従って，焦点の異なる全ての画像のレンジの値を比較すれば全焦点画像の取得ができる．レン

原画像A
原画像A～H
位置の位置の微調整・微調整・ノイズ除去
ノイズ除去

ジの値の明度が低いと周波数の振幅は穏やかであり，高いと激しく振れる．また，画像はレンジの値の明度が低いと粗く見え，高いと滑らかレンジフィルタ(3レンジフィルタ(3×(3× 3)
レンジ画像
レンジ画像(画像(A～H)

最大値フィルタ
最大値フィルタに見える．つまり，レンジの値が明るい部分が焦点の合っている領域で，暗い部分が焦点の合っていない領域である．

最大レンジ
最大レンジ合成画像
レンジ合成画像の合成画像の生成

平均値画像

合焦／合焦／非合焦判定

MINMAX
全焦点画像生成

図 4 解析の流れ
レンジフィルタ = MAX －MIN = 9 －1 = 8

図2

レンジフィルタ

領域を非合焦にして bitmap 画像を生成した．また， 3×3 のレンジの値に最大値フィルタをかけたレンジの値の閾値は 18 で，3×3 同様に bitmap

3.2 合焦判定

画像を生成した．しかし，これらの生成した解析には，50 倍の画像を用いた．解析に用いbitmap 画像を合成しても 1 枚の画像中に複数のた焦点画像の例と解析の流れを図 3，図 4 に示す．

焦点を有するような全焦点画像の取得ができな

まず画像ごとにフィルタサイズ 3×3 のレンジのかったので，全ての画像の平均値画像を埋まらな値を算出して，算出したレンジの値を比較する．

かった領域に用いた．図 5 に，原画像の断面のプ比較の結果より合成画像を生成し，同様に 3×3ロファイル（赤い線）に全焦点画像の断面のプロのレンジの値に最大値フィルタをかけたレンジファイル（青い線）を重ねたものを示す．合成画の値を算出・比較・合成する．そして各々，累像の断面のプロファイルが，原画像の合焦領域と積ヒストグラムの高い割合に当たる鮮鋭領域重なっていることが確認できる．また，原画像で（合焦領域）を選択抽出して全焦点画像が取得

は振幅が小さかった部分が大きくなっており，各できるか判定する．このとき，3×3 の閾値（DN原画像の合焦領域を選択抽出したために良好な値）は 13 で，閾値以上の領域を合焦，12 以下の全焦点画像になったと判断できる．図 6 に各々の合焦領域を判定した結果を示す．青い部分が 3×3 の合焦部分，緑色の部分が最大値フィルタをかけた 3×3 の合焦部分，白い部分が全ての平均値画像の合焦部分である．

図 6 判定結果

図 5 画像断面のプロファイル3.3 全焦点画像の全焦点画像の取得
図 6 の判定結果を用いて全焦点画像の取得を行い，図 7 に示す．

図 7 全焦点画像

画像を見ても，その断面のプロファイルを見ても原画像の焦点の合っている鮮鋭領域（合焦行った．しかし，どちらも良好な全焦点画像には領域）を選択抽出できていて，良好な全焦点画ならなかった．これには，2 点の原因が考えられ像を取得できていることが確認できる．但し，る．1 つは，解像度の性質によるものである．解

各原画像の合焦領域だけでは全焦点画像の取得

像度が高いと対象物質は細かい部分まで鮮明にをすることができなかった領域があった．その見ることができるため，倍率が高くなることによ

領域には，全ての原画像の平均値画像を用いた．

り焦点の合っている鮮鋭領域と焦点の合ってな

この領域は，平滑なため各原画像におけるレンい非鮮鋭領域の画素の差が大きくなってしまう．

ジの値の差はほとんどなかったため，平均値画そのため，レンジの値を算出する際にフィルタサ像を用いたことによる影響は極めて少なかった．

イズが小さかったために，細かい部分に注目されそのため，全ての画像の平均値画像を用いたこることで，その部分の画素の激しい高低差や完全とにより良好な全焦点画像の取得ができたと言にノイズ除去できなかった部分などがレンジのえる．

値を変化させたためである．もう 1 つは，累積ヒストグラムの高い割合に当たる鮮鋭領域を各原

4. 全焦点画像取得の全焦点画像取得の検討

画像から選択抽出したことである．これは，初め

4.1
4.1 倍率変化に最大レンジ合成画像が不十分に生成されても，50 倍の画像を用いたとき，良好な全焦点画像を取得することができた．そこで，倍率の違うその中の積ヒストグラムの高い割合に当たる鮮鋭領域累を選択抽出したためである．

画像では全焦点画像を取得することができるか検討する．解析には，100 倍と 200 倍の画像を用いた．50 倍同様に，100 倍と 200 倍の画像を各々
図 4 の解析の流れにより，全焦点画像の取得を4.2 フィルタサイズのフィルタサイズの変化本研究で提案した手法では，100 倍と 200 倍の画像は全焦点画像を取得することができなかったため，違う手法による検討する必要がある．
そこで，累積ヒストグラムで求めた領域を選択抽出するのではなく，レンジフィルタのフィルタサイズを 3×3→5×5→7×7 のように拡大させることで全焦点画像を取得できるか検討する．
検討した結果，100 倍は 31×31，200 倍は 63×63 のフィルタサイズにしたときに，良好な全焦点画像を取得することができた．それぞれの全焦点画像を図 8，図 9 に示す．また，50 倍の画

図 8 100 倍の全焦点画像像でも検討した手法により全焦点画像を取得できるか試みたところ，図 10 のように，画像の左下と右側がぼやけてしまうことが確認でき，良好な全焦点画像とは言えない結果となった．

5. まとめ本研究で提案した手法では，50 倍の画像では，良好な全焦点画像を取得できるが，倍率を高くすると取得することが困難であることを確認で

図 9 200 倍の全焦点画像

きた．その原因としては，解像度の性質や累積ヒストグラムによる合焦判定の誤りによって，レンジの値に影響を与えてしまったと考えられる．また，100 倍と 200 倍の画像では，レンジフィルタのフィルタサイズを拡大する手法により良好な全焦点画像を取得できた．この手法では，50 倍の画像の全焦点画像の取得はできなかった．
この原因としては，すでに小さいフィルタサイズのときに合焦領域を選択抽出できるのに，フ

図 10 50 倍の全焦点画像ィルタサイズを拡大させることで周辺の非合焦領域の情報まで混合してとらえてしまったことによりレンジの値に影響を与えてしまったと考

6. 参考文献

えられる．

1）内藤将彦，児玉和也，相沢清晴，羽鳥光，レンジフィルタを用いた手法には今後も検討

複数の異なる焦点画像からの焦点外れ画像のしていく余地がまだ残っていると考えられる．

生成を利用した全焦点画像の強調的取得

今後の展望として，1 つの手法での全焦点画像取2）藤原至誠，相沢清晴，羽鳥光俊,画像からの再得，作業の短縮化，対象の奥行きの深さが変化した場合，顕微鏡以外の画像を用いた場合などが挙げられる．

構成による鮮鋭画像の取得