FITS の概要の概要
金光

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理＠日本 FITS 委員会・福岡教育大学

画像フォーマットあれこれ

一般の天体写真などの「２次元」画像データは、通常、決まったフォーマットでファイルとして格納される（多くは格納時に圧縮するので圧縮方式も含む）。このフォーマットとしては次のようなものがある。
● jpeg:(1987〜) 写真画像などに使われる。各ピクセル 24 ビットのデータで格納。
● bmp:(1990〜) Windows 標準のフォーマット。各ピクセル 24 ビットのデータ。
● gif:(1987〜) ドローデータ等の画像データの交換用フォーマット。各ピクセル 8 ビット。(gif アニメーションなどの簡易動画の拡張もある)● png:(1996〜) gif に代わるライセンスフリーのフォーマットとして開発された。各ピ
クセル最大 48 ビットまで。(mng などの動画用拡張もある)

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FITS フォーマットとは？

上記の一般の画像フォーマットに対して、FITS フォーマットというのも、元々は天文分野で画像の交換用フォーマットとして開発された。これは、FITS = Flexible Image
Transport System であることにも表れている。最初に提案されたのが 1979 年ということでむしろ、一般の画像フォーマットよりも成り立ちは早い。ただし、Flexible の名前のとおり、画像に限らずデータの交換にも使えるフォーマットが目標とされた。即ち、画像だけに限らないということである。現状では圧縮は規格に含まれていない。
例えば、FITS ファイル (下左) と bmp ファイル (下右) をエディタで開いてみると次のようになる。

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FITS ファイルの構成
FITS ファイルの一般的な構成は次のようになっている。

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以下、同様の拡張 FITS 要素 (optional FITS structure) が続いても良い。

3.1

ヘッダレコードとデータレコード

ヘッダには、FITS ファイル中のデータに関する情報がテキストで記述されている。各情報は 80 バイトのカードイメージであり、ヘッダはそうしたカードの集まりである。(カードの数はいくらでも良いが、36 行 = 2880 バイト1 ごとに 1 レコードとする。) 各カードの中身は次のような形式で記述する。
キーワード = 値 / コメント
例えば、BITPIX = 16 / bits per pixel
NAXIS = 2 / number of axisというヘッダは BITPIX というキーワードの値が 16 で 1 ピクセルあたりのデータのビット数が 16 であり、NAXIS というキーワードが 2 で 2 次元のデータという意味である。
ヘッダに続くデータレコードにはヘッダの記述に従ったバイナリデータが入っている。

3.2

ヘッダに書かれる主要な情報の例

ヘッダの各キーワードに記述する値は、論理値、整数値、実数値、文字列などの種別ごとに書き方が決まっている。代表的な例をあげておく。

SIMPLEBITPIXNAXISNAXIS1NAXIS2DATE=
T / ファイルが標準 FITS かどうか=
16 / 各ピクセル値を何ビットで表現するか=
2 / ピクセルの座標軸の本数=
512 / １番目の軸に沿ったピクセル数=
512 / ２番目の軸に沿ったピクセル数= ’2005-12-29T10:14:36.1 / ファイル作成時

12880 バイトは 70 年代当時のコンピュータで使われていたビット数 (6,8,12,16,18,24,32,36,48,60,64) の公倍数である

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OBJECT
BSCALE
BZERO
END

3.3= ’M51 B 600S
= 1.00000000E0= 0.00000000E0/ 観測天体名など/ ピクセル値を物理値に変換するスケール/ ピクセル値を物理値に変換するゼロ点

FITS の EXTENSION(拡張 FITS 要素) についてFITS は最初の提案では単純な 2 次元画像データを対象にしていたが、その後の観測データなどの多様化に対応し、様々なデータを格納できるように規格の拡張を続けてきた。それが EXTENSION と呼ばれるものである。現在標準化されて正式に FITS フォーマットの一部になっている EXTENSION としては次のようなものがある。
● ASCII テーブル:

カタログなどの表形式のデータの格納●イメージ EXTENSION: イメージデータと補助情報を同時に格納●バイナリテーブル:

表形式にバイナリのデータを含め格納

他に、EXTENSION ではないが天球座標とデータ配列との対応をつけるための規約として WCS(World Coordinate System) の合意がなされ、関係するキーワードが制定されている。

4FITS ファイルは画像？

4.1

1 次元 FITS ファイル

1 次元の FITS ファイル、即ちヘッダで NAXIS = 1 のように記述されているファイルの代表例はスペクトルである。データ解析ソフトなどによって分光器のデータから波長ごとの強度を記録した 1 次元のスペクトルデータとして書き出した場合は、画像というよりはグラフとしてプロットした方が意味が分かりやすい。例えば下左の画像は、こうしたスペクトルデータを格納した 1 次元 FITS ファイルをわざと幅を持たせて表示したもので、下右の画像はそれをグラフとして表示したものである。

4.2

2 次元 FITS ファイル

2 次元の FITS ファイル、即ちヘッダで NAXIS = 2 のように記述されているファイルの代表例は 2 次元の画像であり、最もよく目にするタイプでもある。例えば、下左は銀河の撮像データであり、下右は分光観測データ (縦は分光器のスリット方向で空間軸を表す) の例である。
34.3

その他の FITS ファイル

ここまでで挙げた代表的な FITS ファイル以外の FITS ファイルの例としては次のようなものがある。

1. NAXIS = 3 のデータの例としては、2 次元の画像データを集めた 3 次元のデータキュー
ブなどがある (右図)。
2. NAXIS = 4 の例としては電波のデータで、(RA, DEC, Freq., Stokes) のデータを 1 つの FITS ファイルにまとめたものがある。
3. NAXIS = 0 の例としてはイメージを含まないカタログ等の ASCII テーブルがある。
4. NAXIS = 2 であっても単なる画像でない例
としては、X 線衛星データなどで、イベントの到着時とパルス高を 2 次元のバイナリテーブルで格納したものなどがある。

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FITS ファイルを扱うにはFITS ファイルを扱うには対応したソフトを使う必要がある。天文向けのソフトの多くは FITS ファイルを読み込んで簡易解析が行えるし、一般向けの画像処理ソフトの一部も、FITS ファイルの表示ができるものがあるが、多くは 1, 2 次元の FITS ファイルにのみ対応している。また、研究者向けの解析ソフト (+ それらに対応したブラウザ) でも FITSファイルの表示や解析ができる。PC UNIX が普及したことにより、専門の解析ソフトが一般の PC でも動くようになり、敷居が低くなった。

45.1

FITS を扱うソフトの例 (Windows)

・Makali’i: 教育現場で使えるよう開発、解析も可 (下左)・Qfits:JAHOU(Japanese Hands On Universe) 用に開発、IE のプラグインも可・BeSpec:

スペクトル解析用の機能がある

・StellaImage:・fv:

AstroArts 社による商用ソフト

FITS 解析用ツールの ftools 付属の FITS ブラウザ (下右)・FITSView:
・gimp:

FITS 画像ブラウザ、ちょっと古い汎用の画像処理ソフト

・ImageMagick:

5.2汎用の画像表示・変換用ツール

FITS を扱うソフトの例 (UNIX 系)

・ds9: 定番の解析パッケージ IRAF 用の FITS ファイル表示ソフトの後継ソフト、Windows 版もある
・jsky:ESO で開発された Java ベースのソフト

・IRAF(ximtool): 光赤外分野で定番の解析パッケージ、PC UNIX でも使える、ximtool はその付属ソフト

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FITS フォーマットの今後は?

● FITS のこれまでの変遷• 1979 年最初の版• 1982 年 IAU 総会で公認
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• 1988 年 IAU に FITS Working Group 作成• 1994 年 FITS の公式文書として NOST Standard が認定(この間 Basic FITS に関する拡張がいくつか認定)• 2000 年問題に伴う改訂• 2002 年 WCS の認定など●日本 FITS 委員会とその役割

FITS フォーマットの改訂は現在、１．提案 → ２．議論と複数の実装でのテスト→ ３．各地域委員会で議決 → ４．IAU FITS WG で議決、という段階を経ることになっている。ここで出てくる地域委員会は現在、アメリカ、ヨーロッパ、日本、オセアニア、の４つあり、日本委員会は光赤外・電波・Ｘなどの分野や観測所からの委員で構成している。
ただし、現在でもほとんどの議論や投票は E-mail ベースで行われていることもあり、現在のような地域委員会の必要性については議論があるところでもある。

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参考情報

ここで紹介した FITS を扱うソフトの入手先や、その他の関連情報については次のような情報源を参照していただきたい。
●日本 FITS 委員会ホームページ 下左(http://www.fukuoka-edu.ac.jp/ kanamitu/fits/)● FITS の手引き
PDF ファイルなどは上記から、オンライン版は以下より(http://www.fukuoka-edu.ac.jp/ kanamitu/fits/tebiki/)
今回紹介したソフトの入手先なども書いてある● FITS support office (本家アメリカの英語のサイト、下右)(http://fits.gsfc.nasa.gov/)

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