序論　画像処理とは １．コンピュータが出現するまでの画像処理(アナログ) 　光学的処理：レンズ、フィルター、ミラーなどを利 用して行う。(投射、製版) 　写真処理：　露光、現像、焼き増しなどの方法で行う。 　電子的処理：　ビデオ信号を電子回路を利用して加工、 処理を行う。 　利点：速い　　欠点：限られた処理しかできない

２．コンピュータ進歩とデジタル画像処理 　●　コンピュータで画像処理：かなり早い時期から 　　　1950年代末、既に研究論文 　●　1960～　本格的な研究開始。　 　　　　　　対象：宇宙開発、核物理、医学などの先端分野 　●　1970～　コンピュータが大学や企業の研究室に、 　　　　画像処理は急発展 　●　1990～、パソコンが一般家庭に。 　　　　マルチメディアブーム。 　　　理由：パソコンがテレビ品質の画像を処理できる 　　　　　ようになった

序論　画像処理とは（続き） ３．コンピュータで画像処理を取り扱うことの難しさ 　●　画像・映像のデータは大量 　　例：　CDROM一枚が保存できるデータ 　　　文字：　本講義の教科書　 約800冊 　　　音声：　音楽(圧縮あり) 約　11時間 　　　　　　　 音楽(圧縮なし） 約　 74分 　　　　映像：　　 テレビ映像（圧縮あり）　約11分 　　　　　　　　　　テレビ映像（圧縮なし）　約12秒

　●　次元数が高い 　　　音声：　1次元 　　　テレビ映像：　5次元(x,y,r,g,b) 現状： 　　１．パソコンの動画の品質　<　映画 　　２．Web上の動画の品質　<< テレビ 　　３．携帯電話の画面でようやくカラー動画像が見られる

画像の入力と出力装置 画像処理

１ 光と電気信号 テレビジョンは テレビ放送局では、カメラでとらえたできごとや、風物を電気の信号に変え、電波に乗せて送りだす． １　光と電気信号 テレビジョンは テレビ放送局では、カメラでとらえたできごとや、風物を電気の信号に変え、電波に乗せて送りだす． これを家庭で受信して、ブラウン管で映像を再現する。 私たちがものを見るのは実は光を見ているのである。ものに光があたって、反射する光を見ている。従って、できごとや、風物を電気信号に変えるのは、光を電気信号に変えているのである。

テレビ放送の仕組み

１．２ 光を電気信号に変換 ・光を電気に変えることを「光電変換」という。 ・光電効果 １．２　光を電気信号に変換 ・光を電気に変えることを「光電変換」という。 ・光電効果 　　光電効果（Photoelectric effect）は、金属に光を当てると電子が飛び出す現象。 この現象は、19世紀の物理学では説明することのできない難題であったが、1905年、物理学者のアルベルト・アインシュタインの導入した光量子仮説によって、説明付けられた。アインシュタインは、この業績によって、1921年にノーベル物理学賞を受賞している。 ・光電変換はテレビカメラやビデオカメラが行っている。 ・映像を電気信号に変換する素子として、撮像管，CCDイメージセンサーそしてCMOSイメージセンサーがある。

CCDイメージセンサーとCMOSイメージセンサー 　１）入射する光を集めるレンズ、 　２）入射光を赤、緑、青の三原色に分けるカラーフィルター、 　３）光を電荷に変換するフォトダイオード、そして 　４）電荷を集めて運び出す回路（CCD/CMOS)から構成されている。 ・フォトダイオードとは、半導体二極管の一種で、照射された光によって電荷を生ずる素子である。 ・フォトダイオードが発生した電荷を出力するための転送機能として、CCD素子およびCMOS素子がもちいられ、この違いによりCCDイメージセンサ、CMOSイメージセンサと呼ばれる。

CCDはCharge Coupled Deviceの略で、電荷結合素子という。本来、電荷をバケツリレー式に伝送する機能を持つ素子を指すことばで、CCDイメージセンサーにおいて、フォトダイオードが生ずる電荷を運び出すために利用されている。 CMOSとはComplementary Metal-Oxide Semiconductor半導体回路の一種で、 ・2種類のMOS FETと呼ばれるトランジスタをペアで使用する。 ・日本語では相補型金属酸化膜半導体と呼ばれる。 ・MOS（Metal-Oxide Semiconductor）とは、金属と酸化物、半導体という3種類の物質を重ね合わせた構造を持つ素子で、電圧動作型のデバイスである。 ・現在のマイクロプロセッサの多くは、CMOSプロセスで製造されている。

CCDイメージセンサーの構造 ・シリコン基板上にフォトダイオードと電極を碁盤目のように配置する。 ・個々のフォトダイオードは、受光した光の強弱に応じた電荷を発生する。 ・蓄積された電荷は、電極に交互に電圧をかけて、隣の電極に移動させ、最終的にひとつずつ出力される。（この部分はCCDである）

1CCDと3CCD 1CCD： 個々のフォトダイオードに単色のフィルタをかけて 　一つの色の強さだけ検知し、周囲の素子の信号と総合して色情報を得る方式。 　CCDは光の強弱を検知するセンサーで、色を識別すること はできない。このため、個々のCCD素子にあらかじめ単色の フィルタをかけておき、別の色を受け持っている隣り合うい くつかの素子の信号と総合して色信号を得るのが1CCD方式で ある。 　フィルタには光の3原色(RGB：赤・緑・青)、もしくはその 補色(CMY：シアン・マゼンタ・イエロー)が使われる。前者 を原色系フィルタ、後者を補色系フィルタという。3つの補色 に可視領域の広い緑を加えて4色にフィルタリングする方式も

3CCD :　CCDを3面用意して、プリズムで分解した3原色をそれぞれの面で受光する3CCD方式が登場している。1CCD方式よりも高価だが、(特に色）再現性の高い画像が得られる。

CCDの仕組み

●　撮像管の特徴 　利点 　　・　感度が高い 　　・　ダイナミックレンジ（暗→明の範囲）が広い 　欠点 　　・　振動・衝撃に弱い（真空管なので） 　　・　消費電力が高い 　　・　焼き付けや残像現象がある 　　・　重くて大きい ●　CCDイメージセンサーの特徴 　　・　耐振動・衝撃性が高い（固体素子なので） 　　・　低消費電力 　　・　焼き付けや残像現象はない 　　・　小型軽量 　　・　感度が低い 　　・　ダイナミックレンジ（暗→明の範囲）が狭い

１．２．２ 映像を電気信号に変換 ● 映像を点の集合で表現する 新聞や写真を拡大してみると、極めて小さい白と黒の点々でできている。 １．２．２　映像を電気信号に変換 ●　映像を点の集合で表現する 新聞や写真を拡大してみると、極めて小さい白と黒の点々でできている。 街頭で見かける電光ニュースは、白と黒の点に相当する部分が電球に置き換えられて、電球の点滅で白黒を表現している。 このように、印刷された文字とか、写真など私たちの目で見えるものは、すべて明暗の点々に分解できる。 分解した明暗の点々を組み合わせると、また元のものになる。

●　映像を点の集合で表現する（つづき） そして明暗の点々の一つ一つを小さくすればするほどはっきり見える。 下の絵は電光ニュースの例だが、これは同じ面積内に取付けられた電球の数と、鮮明度の関係を示したもので、同じ面積内では、使う電球の数が多ければ多いほど字体がはっきりすることがわかる。

●　放送局では被写体を３０万個もの点々（画素）に分解し、各々の画素の明るさ，色に応じた電気信号を作る。 ●　各家庭へ画像の電気信号を伝えるために、３０万個もの画素一個一個によってできた電気信号を、順序を間違えず、規則正しく分解して、送り出している．この処理は「走査」という． ●　ご家庭のテレビは送られてきた電気信号を走査して、もとの被写体を映し出す。

走査とは ・ テレビ放送局は、電気信号に変換しやすいよう映像を色の点（画素）に分解する。 ・　テレビ放送局は、電気信号に変換しやすいよう映像を色の点（画素）に分解する。 ・ご家庭のテレビは電波にのって送られてくる画素をブラウン管に映し出していく。 ・何万という数もある画素を順序を間違えず、規則正しく並べ直すことを「走査する」という。 ・分解された画素は上から一段ずつ横一線に整列した状態になっている。この横方向に並べた線のことを「走査線」という。

走査の種類 ● インターレース走査（飛び越し走査） ・１枚の画像を２度に分けて表示する走査方式。 ●　インターレース走査（飛び越し走査） ・１枚の画像を２度に分けて表示する走査方式。 ・走査線を奇数と偶数に分け、奇数番目の走査線を表示しその次に偶数番目の走査線を表示する。１枚の画像のすべての奇数（偶数）番目の走査線は奇数（偶数）フィールドという． ・インターレース走査は動画をなめらかに見せるのに適しているため、現在ほとんどのテレビが採用しています。（図/A） ●　プログレッシブ走査（順次走査・ノンインターレース走査） ・１枚の画像を表示する際に、すべての走査線表示をおこなう走査方式。 ・インターレース走査と同じ走査線数でも、倍の走査線がつねに表示されているのでよりきめ細やかに画像を表示します。（図/Ｂ）

テレビ放送の方式と走査の種類 (1) ＮＴＳＣ （アメリカ，日本、カナダ、韓国、フィリピンなど） (1)　ＮＴＳＣ 　（アメリカ，日本、カナダ、韓国、フィリピンなど） 　 30フレーム/秒　走査線の数：　525本　インターレース，奇数フィールド先 (2)　ＰＡＬ　（イギリス、イタリア、オランダ、ドイツ、オーストラリア、ニュージーランド、ベルギー、インド、中国　など） 　25フレーム/秒　走査線の数：　625本　インターレース，偶数フィールド先 (3)ＳＥＣＡＭ（ロシア、チェコ、フランス、エジプト　など） 25フレーム/秒　走査線の数：　625本　インターレース，偶数フィールド先 BSデジタル放送，地上デジタル放送 525i: 30フレーム/秒　走査線の数：　525本　インターレース 　 (D1端子） 525p: 60フレーム/秒　走査線の数：　525本　プログレッシブ　　(D2端子） 1125i: 30フレーム/秒　走査線の数：　1125本　インターレース　(D3端子） 750p: 60フレーム/秒　走査線の数：　750本 プログレッシブ　　 (D4端子）

ブラウン管の仕組み 放送局では被写体の明暗と色彩を電気信号（映像信号）に変え、電波にのせて、アンテナから送り出す。 これを受信する各家庭などでは、放送局で行った行程を全く逆にたどればよいのである。 この中で、この電気信号を元の被写体と同じに見えるように映し出すものがはブラウン管というものである． ブラウン管とは 大きなガラスバルブでできている一種の真空管で，細かい電子ビームをつくる電子銃と蛍光体が塗られた蛍光面などから構成されている。 ブラウン管の前面には蛍光体が規則正しく塗られていてる。 蛍光体は光の三原則である赤（Ｒ）と緑（Ｇ）、青（Ｂ）からなり、この三原色を重ねることによりカラー画像が再現される。

２．画像の入力・伝送・デジタル化・記録 2.1 連続から離散へ 光学画像は、2次元の平面に連続して分布する色・明るさであり、 2.1　連続から離散へ 　　光学画像は、2次元の平面に連続して分布する色・明るさであり、 　もともと、隙間のない連続的なものである。 コンピュータで画像を処理するために、画像を有限個の数値データの形に変換しなければならない。

２．１．１　走査（2次元から1次元へ） 　まず、2次元の画像を有限本の水平線に変換する。この変換は走査 　　ラスタ走査 　　１．順次走査（non-interlace scan) 　　２．飛び越し走査 (interlace scan)

Non-interlace scan

Interlace scan

2.2　サンプリング（Sampling，標本化） 　空間的に連続的に分布している画像から有限個代表的な点 における情報を採集して，画像を表現すること．

2.3 標本化による情報の損失（１）　　　　入力画像

2.3 標本化による情報の損失（2）　　　　標本化の結果

2.3 標本化による情報の損失（３）　　　　標本化結果から復元した画像

2.4 量子化 　連続的に変化する実数を有限の桁数の数値に変換することを量子化という．適切でない量子化は許容を超える画質の劣化につながる．

1画素あたり6ビット　(64階調）

1画素あたり5ビット　(32階調）

1画素あたり4ビット　(16階調）

1画素あたり3ビット (8階調）

1画素あたり2ビット (4階調）

1画素あたり1ビット (2階調）