偽色

1992 年 12 月に月北部地域を飛行したガリレオの画像システムによって3 つのスペクトル フィルターを通して撮影された 53 枚の一連の画像から作成されたモザイクです。
メテオM2-2衛星の撮像素子MSU-MRから得られた擬似カラー画像。この画像はアマチュア無線局によって受信され、HRPTデータから生成されました。

擬似カラーと擬似カラーは、それぞれ電磁スペクトルの可視領域または不可視領域で記録された色で画像を表示するために使用される一連のカラーレンダリング手法を指します。擬似カラー画像とは、写真（トゥルーカラー画像）に表示される色とは異なる色で物体を描写した画像です。この画像では、人間の目には通常見えない 3つの異なる波長に色が割り当てられています。

さらに、疑似カラー、密度スライス、コロプレスなどの擬似カラーのバリエーションは、単一のグレースケールチャネルによって収集されたデータ、または電磁スペクトルの一部が示されていないデータ (例: 起伏地図の標高、磁気共鳴画像法の組織タイプ) の情報視覚化に使用されます。

色彩表現の種類

真の色

トゥルーカラーの概念は、擬似色を理解する上で役立ちます。画像は、自然な色再現、またはそれに近い色再現を示す場合、トゥルーカラー画像と呼ばれます。これは、画像内の物体の色が、人間の観察者にとって、その物体を直接見たのと同じように見えることを意味します。例えば、緑の木は画像の中で緑に、赤いリンゴは赤に、青い空は青に見えます。[ 1 ]

同じ地域を示す2枚のランドサット衛星画像：チェサピーク湾周辺の陸地[ 2 ]
このトゥルーカラー画像は、植生が緑色で表示されるなど、実際の色で領域を表示します。衛星の赤、緑、青/緑のスペクトルバンドを画像のRGB色空間にマッピングすることで、可視スペクトル全体をカバーしています。
近赤外線、赤、緑のスペクトル バンドを RGB にマッピングして使用した擬似カラー画像と同じ領域です。この画像では、植生は近赤外線の光をほとんど反射するため、植生が赤色で表示されています。
火星のエンデュランス・クレーター内部のバーンズ・クリフ。赤色スペクトルバンドではなく赤外線を使用したため、色は実際の色に近いものとなっています。その結果、空の色にメタメリックエラーが生じ、画像ではわずかに緑色になっています。もし人間の観察者がいたとしたら、実際の空の色はもう少しオレンジ色がかった色に見えたでしょう。この画像を撮影したオポチュニティ・ローバーには赤色フィルターが搭載されていますが、赤外線バンドで撮影された画像の科学的価値が高いことと、データ伝送の制約から、通常は使用されません。

絶対的な真の色再現は不可能である。[ 3 ]色誤差（メタメリックエラー） の主な原因は3つある。

メタメリックエラーの結果、例えば緑の木の画像が木自体とは異なる緑の色合いで表示されたり、赤いリンゴの赤の色合いが異なって表示されたり、青い空の青の色合いが異なって表示されたりするなど、様々な問題が発生します。色管理（例えばICCプロファイルなど）を用いることで、物理的な制約の範囲内でこの問題を軽減することができます。

宇宙船によって収集された近似的なトゥルーカラー画像は、宇宙船のカメラのスペクトル帯域が調査対象の物体の物理的特性に関する情報を収集するために選択されており、トゥルーカラー画像を撮影するために選択されていないため、画像にある程度メタメリックエラーがある例です。[ 3 ]

この近似トゥルーカラーパノラマ画像は、火星の衝突クレーター「エンデュランス」を示しています。これはオポチュニティ探査車に搭載されたパノラマカメラによって撮影されたもので、480ナノメートル、530ナノメートル、750ナノメートルのスペクトルバンド（青緑、緑、近赤外線）で撮影された合計258枚の画像を合成したものです。

偽色

ラスベガスの伝統的な擬似カラー衛星画像。草に覆われた土地（例：ゴルフコース）は赤く表示されます。

トゥルーカラー画像とは対照的に、擬似カラー画像は、他の方法では容易に識別できない特徴の検出を容易にするために、自然な色彩表現を犠牲にします。例えば、衛星画像における植生の検出には近赤外線が使用されます。[ 1 ]擬似カラー画像は可視スペクトルのみを使用して作成することもできますが（例えば、色の違いを強調するため）、通常、使用されるデータの一部またはすべては可視スペクトル外の電磁放射（EM）（例えば、赤外線、紫外線、X線）から取得されます。スペクトル帯域の選択は、調査対象の物体の物理的特性によって決まります。

人間の目は3つのスペクトル帯域（詳細は三色型色覚を参照）を使用するため、3つのスペクトル帯域は一般的に擬似カラー画像に合成されます。擬似カラーのエンコードには少なくとも2つのスペクトル帯域が必要です。 [ 4 ]また、3つの視覚RGB帯域にさらに多くの帯域を合成することも可能ですが、3つのチャンネルを識別する目の能力が制限要因となります。[ 5 ]一方、1つのスペクトル帯域から作成された「カラー」画像、またはEMデータ以外のデータ（例：標高、温度、組織の種類）から作成された画像は擬似カラー画像です（下記参照）。

トゥルーカラーの場合、カメラからのRGBチャンネル（赤「R」、緑「G」、青「B」）は画像の対応するRGBチャンネルにマッピングされ、「RGB→RGB」のマッピングが得られます。フォールスカラーの場合、この関係は変更されます。最も単純なフォールスカラーエンコーディングは、可視スペクトルのRGB画像を取得し、それを異なる方法でマッピングすることです。例えば、「GBR→RGB」などです。従来の地球のフォールスカラー衛星画像では、「NRG→RGB」のマッピングが使用され、「N」は近赤外線スペクトルバンド（青のスペクトルバンドは未使用）です。これにより、典型的な「赤い植生」のようなフォールスカラー画像が生成されます。[ 1 ] [ 6 ]

擬似カラーは、衛星や宇宙の画像などに使用されます。例としては、リモートセンシング衛星（例：ランドサット、上記の例を参照）、宇宙望遠鏡（例：ハッブル宇宙望遠鏡）、宇宙探査機（例：カッシーニ・ホイヘンス）などが挙げられます。一部の宇宙船、特にローバー（例：火星探査機キュリオシティ）は、近似的にトゥルーカラーの画像を撮影する能力を備えています。[ 3 ]気象衛星は、前述の宇宙船とは対照的に、可視光線または赤外線スペクトルから グレースケール画像を生成します。

擬似カラーの応用例:
これら3枚のカラー画像は、精密農業におけるリモートセンシングの応用を示しています。左の画像は植生密度を示し、中央の画像は水分の存在を示しています（緑／青は湿った土壌、赤は乾燥した土壌）。右の画像は、作物がストレスを受けている場所を示しています。特に、圃場120と119（赤と黄色のピクセルで表示）で顕著です。これらの圃場は翌日に灌漑が行われる予定でした。
この渦巻銀河メシエ66の擬似カラー合成画像は、3.6マイクロメートルから8.0マイクロメートルまでの4つの赤外線スペクトル帯を組み合わせたものです。多環芳香族炭化水素（ PAH）の放射の視認性を高めるため、5.8マイクロメートルと8マイクロメートルの帯域から恒星光（3.6マイクロメートルで測定）の寄与を差し引いています。
この象徴的なわし星雲の写真は、ピンク色の星から推測できるように、擬似カラーです。ハッブル宇宙望遠鏡によって3枚の画像が撮影されました。1枚目は硫黄イオン（赤に任意に割り当てられている）、2枚目は水素イオン（緑）、3枚目は酸素イオン（青）の周波数の光を捉えています。星雲の実際の色は不明ですが、1光年の長さの「柱」が同じように見える距離から見ると、人間の目にはほぼ均一な茶色がかった灰色に見えるでしょう。

擬似色は幅広い科学的応用を持っています。宇宙船は、星雲や銀河などの宇宙構造の構成を理解するために、擬似色の手法をしばしば利用しています。[ 7 ]宇宙空間の異なるイオンから放出される光の周波数には、対照的な色が割り当てられており、複雑な構造の化学組成をより明確に区別して視覚化することができます。上記のわし星雲の画像はその典型的な例です。水素イオンと酸素イオンには、それぞれ緑と青が割り当てられています。画像に緑と青が多く含まれていることは、星雲に水素と酸素が大量に存在することを示しています。

2004年10月26日、NASA/ESAのカッシーニ・ホイヘンス探査機は、土星最大の衛星タイタンの擬似カラー画像を撮影しました。[ 8 ]この画像は、人間の目には見えない紫外線と赤外線の波長で撮影されました。[ 9 ]視覚的に分かりやすくするために、擬似カラー技術が使用されました。赤外線データは赤と緑に、紫外線データは青にマッピングされました。[ 10 ]

擬似カラー

疑似カラー画像（疑似カラーまたは疑似カラーと呼ばれることもある）は、グレースケール画像から、表または関数に従って各強度値を色にマッピングすることによって生成されます。 [ 11 ]疑似カラーは通常、1つのチャネルのデータ（温度、標高、土壌組成、組織タイプなど）が利用可能な場合に使用され、3つのチャネルのデータを表示するために一般的に使用される擬似カラーとは対照的です。[ 4 ]

擬似カラーリングは、色空間における知覚される差異が、連続するグレーレベル間の違いよりも大きいため、一部の詳細をより見やすくすることができます。一方、カラーマッピング関数は、色の明度が単調であるように選択する必要があります。そうでないと、不均一な変化によって、健常者と色覚異常者の両方にとって、レベルの解釈が困難になります。問題となる例の一つは、明度が前後に変化する、一般的に使用される「レインボー」パレットです。（コロプレスマップ § 色彩の進行も参照。）[ 12 ]

疑似カラーの使用の典型的な例はサーモグラフィー（熱画像）です。赤外線カメラは1 つのスペクトル バンドのみを備え、グレースケール画像を疑似カラーで表示します。

疑似カラーで温度をエンコードする例:
手前のパッシブハウスと奥の伝統的な建物のサーモグラム。右側に色と温度の関係を示すキーがあります。
疑似カラー エンコーディングを使用した蒸気機関車の熱画像– 黄色/白は高温、赤/紫は低温を示します。
この擬似カラー画像は、スペースシャトルの再突入時の温度をコンピュータシミュレーションした結果を示しています。3,000 °F（1,650 °C）に達する領域は黄色で表示されています。

疑似カラーのもう 1 つのよく知られた例は、物理的な地形図で標高の濃淡を使用してエンコードすることです。この場合、負の値 (海面下) は通常、青の濃淡で表され、正の値は緑と茶色で表されます。

疑似カラーで標高をエンコードする例:
太平洋の標高地図。海底は青色、陸地は緑色と茶色で表示されています。
この色分けされた標高地形図は、火星の洪水の影響を示しています。下部には標高に対応する色分けされた凡例があります。
最も高い地点では赤色、最も低い地点では紫色の測光色を持つ月。

使用されるテーブルや関数、データソースの選択に応じて、疑似カラーリングは、例えば地理情報を追加したり、赤外線や紫外線、MRIスキャンなどの他のソースから得られた情報を組み合わせたりして、元の画像の情報内容を増やすことができます。[ 13 ]

疑似カラーで追加情報を重ねる例:
この画像は、月の組成の変化を擬似カラーで重ね合わせたものです。明るいピンク色の部分は高地の物質、青からオレンジ色の部分は火山の溶岩流を示しています。最近衝突した土壌は水色で表され、最も新しいクレーターからは青い光線が伸びています。
この画像は、疑似カラーで重ね合わせた月の構成バリエーションを示しています。
膝のグレースケール MRI – 異なるグレー レベルは異なる組織の種類を示すため、熟練した目が必要です。
3 つの異なるグレースケール スキャンを使用して作成された膝の疑似カラー MRI。疑似カラーにより組織の種類をより簡単に識別できます。

疑似カラーリングのさらなる応用は、画像加工の結果を保存することである。つまり、画像を理解しやすくするために色を変更することである。[ 14 ]

密度スライス

タスマニア島とその周辺海域の画像。密度スライスを用いて植物プランクトン濃度を示しています。衛星画像で捉えられた海の色は7色で表現されています。黄色、オレンジ、赤は植物プランクトンが多いことを示し、薄緑、濃緑、薄青、濃青は植物プランクトンが少ないことを示しています。陸地と雲はそれぞれ異なる色で示されています。

密度スライスは疑似カラーの一種で、画像をいくつかの色の帯に分割し、リモートセンシング画像の分析などに使用されます。[ 15 ]密度スライスでは、グレースケール レベルの範囲が間隔に分割され、各間隔がいくつかの個別の色のいずれかに割り当てられます。これは、連続した色のスケールを使用する疑似カラーとは対照的です。[ 16 ]たとえば、グレースケールの熱画像では、画像内の温度の値は 2 °C の帯に分割され、各帯は 1 つの色で表されます。その結果、個別の色間の識別可能な差が連続グレースケールや連続疑似カラーの画像の場合よりも大きくなるため、ユーザーはサーモグラフ内のあるスポットの温度をより簡単に取得できます。

コロプレス

2004年アメリカ合衆国大統領選挙をコロプレスマップを用いて視覚化した図。共和党と民主党の候補者への支持は、それぞれの政党の伝統的な色である赤と青の濃淡で示されている。

コロプレスとは、表現対象となる1つ以上の変数のカテゴリまたは値に応じて、領域が色分けまたはパターン化された画像または地図です。変数は複数の色にマッピングされ、各領域は1つのデータポイントを提供し、選択された色の中から1つの色が割り当てられます。基本的には、擬似カラーオーバーレイに密度スライスを適用したものです。したがって、地理的領域のコロプレス地図は、擬似カラーの極端な形態と言えます。

芸術における偽の色彩

芸術的な表現が主観的な色彩表現につながる一方で、アンディ・ウォーホル（1928-1987）はスクリーン印刷技術を用いて擬似色の絵画を制作することで、近代芸術運動において文化的に重要な人物となった。ウォーホルの最も有名な版画の中には、映画「ナイアガラ」のフィルムフレームを基にしたマリリン・モンローの複製がある。題材となったのはセックスシンボルでありフィルム・ノワールのスターレットで、1962年の死がウォーホルに影響を与えた。一連の版画は愛情を込めて制作されたが、エロティックではなくややグロテスクなウォーホルの流し込み生産方式を通して、彼女のペルソナを幻想として露呈させている。[ 17 ]ウォーホルは、様々なインクカラーパレットを用いて、ペルソナや日用品を大量生産や消費主義の性質になぞらえる反復のプロセスに没頭した。[ 18 ]インクの色は美的感覚に基づいた実験に基づいて選択されたもので、リモートセンシング画像処理に用いられる電磁スペクトルの擬似カラーレンダリングとは相関しません。アーティストは長年にわたりマリリン・モンローの擬似カラー画像をスクリーン印刷し続け、おそらく最もよく参照される作品は「ターコイズ・マリリン」でしょう[ 19 ]。この作品は2007年5月に個人コレクターによって8000万ドルで購入されました[ 20 ] 。

参照

参考文献

  1. ^ a b c「リモートセンシングの原理 - リモートイメージング、センシング、処理センター、CRISP」 www.crisp.nus.edu.sg . 2012年9月1日閲覧。
  2. ^ 「The Landsat 7 Compositor」 . landsat.gsfc.nasa.gov. 2011年3月21日. 2013年9月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年9月1日閲覧。
  3. ^ a b cナンシー・アトキンソン (2007年10月1日). 「True or False (Color): The Art of Extraterrestrial Photography」 . www.universetoday.com . 2012年9月1日閲覧。
  4. ^ 「NGC 3627 (M66) - NASA Spitzer Space Telescope Collection」 www.nasaimages.org. 2005年9月15日. 2011年9月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年9月1日閲覧。
  5. ^ GDSC、Nationaal Luchten-en Ruimtevaartlaboratorium (国立航空宇宙輸送研究所)、オランダ。「バンドの組み合わせ」。GDSC、Nationaal Luchten Ruimtevaartlaboratorium (国立航空宇宙輸送研究所)、オランダ。 2012 年 8 月 17 日のオリジナルからアーカイブ。{{cite web}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  6. ^ 「ハッブル宇宙望遠鏡、JWST、そして偽色の真実」 NASAブルーシフト。 2022年3月9日閲覧。
  7. ^ JPL, Carolina Martinez. 「NASA​​ - 土星のかすんだ衛星タイタンへの初の接近遭遇」 www.nasa.gov . 2022年7月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2022年3月9日閲覧。
  8. ^ Hadhazy, Adam (2015年7月27日). 「人間の視覚の限界とは何か？」 www.bbc.com . 2022年3月9日閲覧。
  9. ^ “NASA - Titan in False Color” . www.nasa.gov . 2022年3月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2022年3月9日閲覧。
  10. ^ 「VirtualDub用擬似カラーフィルタ」 Neuron2.net。2010年6月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年9月1日閲覧。
  11. ^ Stauffer, Reto. 「Somewhere over the Rainbow」 HCL Wizard . 2019年8月14日閲覧。
  12. ^ Leonid I. Dimitrov (1995). Kim, Yongmin (ed.). 「MRIベースのボリュームレンダリングとDelaunay補間を用いたヒト皮質におけるEEG活動の擬似カラー可視化」 . Medical Imaging 1995: Image Display . 2431 : 460–469 . Bibcode : 1995SPIE.2431..460D . CiteSeerX 10.1.1.57.308 . doi : 10.1117/12.207641 . S2CID 13315449. 2011年7月6日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年3月18日閲覧。  
  13. ^ Setchell, CJ; Campbell, NW (1999年7月). 「シーン理解のためのカラーガボールテクスチャ特徴の利用」.第7回国際画像処理応用会議. 1999年巻. pp.  372– 376. doi : 10.1049/cp:19990346 . ISBN 0-85296-717-9. S2CID  15972743 .
  14. ^ジョン・アラン・リチャーズ、賈秀平（2006年）『リモートセンシング・デジタル画像解析入門（第4版）』ビルクハウザー社、  102～ 104頁。ISBN 9783540251286. 2015年7月26日閲覧。
  15. ^ JB Campbell、「リモートセンシング入門」、第3版、Taylor & Francis、153ページ
  16. ^ウッド、ポール（2004年）『モダニズムの諸相』ロンドン、イギリス：イェール大学出版局、pp.  339– 341, 354. ISBN 978-0-300-10296-3。
  17. ^ 「ゴールド・マリリン・モンロー」ニューヨーク近代美術館. 2014年6月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年6月9日閲覧。
  18. ^ファロン、マイケル（2011年）『アンディ・ウォーホルの作品を分析する方法』ノースマンケート、ミネソタ州、アメリカ合衆国：ABDO出版社、pp.  44-46 . ISBN 978-1-61613-534-8。
  19. ^ Vogel, Carol (2007年5月25日). 「Inside Art」 .ニューヨーク・タイムズ. 2014年6月9日閲覧。
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