共同研究報告書


研究区分 一般研究

研究課題

 氷結晶表面上におけるシングルステップの高分解光学その場観察像の画像解析
新規・継続の別 新規
研究代表者／所属 学習院大学計算機センター
研究代表者／職名 教授
研究代表者／氏名 横山悦郎

研究分担者／氏名／所属／職名
　
氏　　名
所　　属
職　　名

1

 古川義純 北大低温研 教授

2

 佐崎元 北大低温研 准教授

研究目的 本研究では低温研実験グループ（相転移ダイナミックス）は，最近，レーザー共焦点微分干渉顕微鏡を使って空気中から成長する氷結晶界面のシングルステップの挙動の「その場観察」に成功した。しかしながら，成長の際のステップの挙動は動画像データでは確認できるものの、静止画像では、コントラストが一様でないことからその目視は簡単ではない。研究代表者の横山は，動画像から切り出した連続する静止画像の相関画像を作成する手法を提案し、得られた静止画像データの簡便な可視化する手法の確立に挑む。更にステップの移動速度を定量的に解析する手法を開発する。
　　
研究内容・成果 人は動画上では物体の動きが検知できるが、静止画ではその物体そのものを検出することが難しいという問題がある。画像処理からみると、静止画像処理があり、その先に動画像処理に発展すると考える。一方、生物の生存の観点からみると、餌の確保など、動きの検出が重要であり進化の過程ではより古い機能だと考えられている。このように動きの検出に関して、画像情報処理の分野だけでなく、心理学に基づいた視覚問題として様々な興味深いが行われている。

本研究では動画像からの動きの検出をテーマとして、具体的にはレーザー共焦点微分干渉顕微鏡を使って空気中から成長する氷結晶界面のシングルステップの挙動を観察した動画像の解析を行った。得られる画像は一面にノイズが多く、1枚の画像上のコントラストが一様でない。したがって、動画上ではステップの運動が認識できるが、静止画ではステップの位置が不明瞭または、ほとんど認識できない問題がある。その結果、動画像から作製されるステップ位置と画像を表示する時空間画像においては、ステップ位置を確認することが困難であった。

そこで動画像から連続する静止画像を取りだし、各画像間の様々な相関を取り出す処理を行ってみた。結論としては、適当な時間間隔の2つの静止画の違いを抜き出すことでステップの位置を明瞭に表示することができた。しかし、この手法では2つの静止画に対応する両方のステップ位置を表示してしまう欠点がある。そこで相関をとる1枚の静止画はステップの見えない画像、すなわち参照画像を作製する必要がある。参照画像は、単純な時間平均画像を作成する、時間に関する論理積画像を作成するなど試みた。これらの参照画像とステップの存在する画像との差を表示することで、ステップ位置を表示できることが分かった。

現状では、上記の述べた手法を使えば運動が検出できることが分かったにすぎない。ステップの速い運動と擬似液滴の遅い運動が観察されば場合、一つの参照画像では処理できないことも分かっている。遅い運動に関して単純な時間平均画像では、その運動が埋もれてしまう欠点があるからである。すなわち、参照画像の作成に関しては、時間平均のサンプル数の妥当性だけでなく、ステップを取り出す画像との時間相関に関して一般的・定量化の知見が必要である。画像処理から解析に発展させるため、数学的基礎付け及びシミュレーション画像による定量的な誤差評価を今後行う予定である。
　　
成果となる論文・学会発表等