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デジタルイメージングまたはデジタル画像取得とは、物理的なシーンや物体の内部構造など、物体の視覚的特徴のデジタル表現を作成することです[ 1 ] 。この用語は、そのような画像の処理、圧縮、保存、印刷、表示を暗示または包含するものとみなされることが多いです。フィルム写真などのアナログ画像と比較したデジタル画像の重要な利点は、画質を損なうことなく、元の被写体のコピーをデジタルで無期限に複製できることです。
デジタルイメージングは、電磁波やその他の波の種類によって分類できます。これらの波は、物体を通過または反射する際に減衰が変化し、画像を構成する情報を伝達します。すべての種類のデジタルイメージングにおいて、情報はイメージセンサーによってデジタル信号に変換され、コンピューターで処理されて可視光画像として出力されます。たとえば、可視光という媒体は、さまざまな種類のデジタルカメラ（デジタルビデオカメラを含む）によるデジタル写真（デジタルビデオ撮影を含む）を可能にします。X線はデジタルX線イメージング（デジタルラジオグラフィー、透視検査、CT）を可能にし、ガンマ線はデジタルガンマ線イメージング（デジタルシンチグラフィー、SPECT、PET）を可能にします。音波は超音波検査（医療用超音波検査など）やソナーを可能にし、電波はレーダーを可能にします。デジタルイメージングは、ソフトウェアによる画像解析や画像編集（画像操作を含む）に適しています。
最初のデジタル画像は、1920年にバートレーンケーブル画像伝送システムによって生成されました。この方法は、イギリスの発明家ハリー・G・バーソロミューとメイナード・D・マクファーレンによって開発されました。このプロセスは、「亜鉛板に様々な時間露光された一連のネガによって、様々な濃度が生成される」というものでした。[ 2 ]バートレーンケーブル画像伝送システムは、送信側と受信側の両方で、画像として再現されるパンチデータカードまたはテープを生成しました。[ 3 ]
1957年、ラッセル・A・キルシュは、コンピュータに保存できるデジタルデータを生成する装置を開発した。これはドラムスキャナと光電子増倍管を使用していた。[ 2 ]
デジタル画像処理技術は、1960年代から1970年代にかけて、主にフィルムカメラの運用上の弱点を克服するために開発され、 KH-11計画をはじめとする科学・軍事ミッションに活用された。その後、デジタル技術の価格が下がるにつれて、多くの用途でフィルム方式に取って代わるようになった。
1960年代初頭、当時カリフォルニア州エルセグンドにあったオートメーション・インダストリーズ社で、海軍航空機の機上非破壊検査用の小型軽量ポータブル機器を開発していたフレデリック・G・ウェイガート[ 4 ]とジェームズ・F・マクナルティ（米国無線技師）[ 5 ]は、リアルタイムでデジタル画像を生成する最初の装置を共同発明した。この画像は透視デジタルX線写真であった。画像を生成するために、透視装置の蛍光スクリーン上で方形波信号が検出された。
電荷結合素子は、1969 年にベル研究所のウィラード・S・ボイルとジョージ・E・スミスによって発明されました。 [ 6 ] MOS 技術を研究している際に、彼らは電荷が磁気バブルのアナロジーであり、小さなMOS コンデンサに蓄積できることに気付きました。一連の MOS コンデンサを一列に製造するのは比較的簡単だったので、電荷が次のコンデンサに伝わるように適切な電圧を接続しました。[ 7 ]電荷結合素子 (CCD) は、後にテレビ放送用の最初のデジタルビデオカメラに使用された半導体回路です。[ 8 ]
初期のCCDセンサーはシャッターラグに悩まされていました。これはピン留めフォトダイオード（PPD）の発明によってほぼ解決されました。[ 9 ]これは1980年にNECの寺西信和、白木弘光、石原康夫によって発明されました。 [ 9 ] [ 10 ]これは低ラグ、低ノイズ、高量子効率、低暗電流のフォトディテクタ構造でした。[ 9 ] 1987年、PPDはほとんどのCCDデバイスに組み込まれ始め、民生用電子ビデオカメラ、そしてデジタルスチルカメラの定番となりました。それ以来、PPDはほぼすべてのCCDセンサー、そしてCMOSセンサーで使用されています。[ 9 ]
NMOSアクティブピクセルセンサー（APS）は、1980年代半ばに日本のオリンパスによって発明されました。 これは、MOSFETのスケーリングがミクロン、そしてサブミクロンレベルにまで達したMOS半導体デバイス製造の進歩によって可能になりました。[ 11 ] [ 12 ] NMOS APSは、 1985年にオリンパスのTsutomu Nakamuraのチームによって製造されました。[ 13 ] CMOSアクティブピクセルセンサー（CMOSセンサー）は、その後1993年にNASAジェット推進研究所のEric Fossumのチームによって開発されました。 [ 9 ] 2007年までに、CMOSセンサーの販売はCCDセンサーを上回りました。[ 14 ]
デジタル画像圧縮技術における重要な発展の一つは、離散コサイン変換（DCT）である。[ 15 ] DCT圧縮は、 1992年に合同写真専門家グループによって導入されたJPEGで使用されている。 [ 16 ] JPEGは画像をはるかに小さなファイルサイズに圧縮し、インターネット上で最も広く使用されている画像ファイル形式となっている。[ 17 ]
これらの異なるスキャン方式は、初期のデジタルカメラの設計の基礎となった。初期のカメラは画像をキャプチャするのに時間がかかり、消費者向けとしては不向きだった。[ 2 ] CCD（電荷結合素子）が採用されて初めて、デジタルカメラの使用が広く普及した。CCDは望遠鏡で使用されるイメージングシステムの一部となり、1980年代には最初の白黒デジタルカメラが登場した。[ 2 ]やがてCCDにカラー機能が追加され、今日ではデジタルカメラの一般的な機能となっている。
ネガの使用や写真の露出に関する詳細は、多くの人にとって馴染みのない概念である。1920年に最初のデジタル画像が登場したことで、より安価な機器、ますます強力でシンプルなソフトウェア、そしてインターネットの普及につながった。[ 18 ]
デジタルイメージング関連の機器やハードウェアの絶え間ない進歩と生産は、この分野を取り巻く環境に影響を与えている。カメラやウェブカメラからプリンターやスキャナーに至るまで、ハードウェアはより洗練され、より薄く、より高速になり、より安価になっている。機器の価格が下がるにつれて、新たな愛好家向けの市場は拡大している。
オンラインでの写真共有は、写真に対する文化的認識と写真家の役割を変容させた。Flickr 、Shutterfly、Instagramといったプラットフォームは、プロであるか否かを問わず、ユーザーが世界中に画像を配信できる機能を提供している。デジタルカメラやスマートフォンの普及は、写真が専門的な、あるいは贅沢な媒体から、日常的なコミュニケーション手段へと変化する一因となっている。
写真の被写体も拡大している。歴史的に見ると、写真は肖像写真や家族の行事を中心に撮影されることが多かった。しかしデジタル時代においては、日常の活動、物、食べ物、風景、そして何気ない瞬間など、幅広い被写体が写真に収められるようになった。カメラがモバイル機器に統合されたことで、人々は体験を瞬時に記録し共有できるようになり、写真は継続的かつ即時的な視覚表現の形態としての役割をさらに強めている。
1826年、ニセフォール・ニエプスは、光を使って画像を再現する写真を初めて開発し、写真技術は長年にわたって飛躍的に進歩しました。今では誰もが自分なりの方法で写真家ですが、1800年代初頭から1900年代にかけては、永続的な写真の費用は消費者と制作者の両方から高く評価されていました。BBCによると、デジタルカメラは次のような変化をもたらしました。プロの写真家への影響は劇的でした。過去の写真家は、ほぼ確実に成功すると確信しない限り、シャッターチャンスを無駄にすることはありませんでした。 「デジタル画像（写真）の使用は、長年にわたって私たちの環境との関わり方を変えてきました。世界の一部は、永続的な記憶を視覚的に想像することによって異なる形で体験され、対面することなく世界中の友人、家族、愛する人々との新しいコミュニケーションの形となっています。写真を通して、これまで会ったことのない人を簡単に見ることができ、その人がそばにいなくてもその存在を感じることができます。たとえば、Instagramは、誰でも好きなものを撮影、編集、友人や家族と共有できるソーシャルメディアの一種です。Facebook、Snapchat、Vine、Twitterも、人々がほとんどまたは全く言葉を使わずに自己表現し、重要な瞬間をすべて捉えることができる方法です。以前は捉えるのが難しかった永続的な記憶も、今では誰もが写真を撮って携帯電話やノートパソコンで編集できるため、簡単に捉えることができます。写真は新しいコミュニケーション手段となり、時間の経過とともに急速に増加しており、私たちの周りの世界に影響を与えています。」[ 19 ]
2016年にBasey、Maines、Francis、Melbourneが行った研究では、授業で使用される図は、学生の実験レポートの低次内容、実験室の見方、学習意欲、学習時間の効率に重大な悪影響を与えることがわかった。ドキュメンテーションスタイルの学習は、これらの領域で学生に重大な影響を与えない。また、デジタルイメージングを使用すると、学生はより学習意欲が高まり、興奮することがわかった。[ 20 ]
教育分野において。
医用画像処理の分野
技術分野においては、デジタル画像処理はアナログ画像処理よりも有用性が高まっている。
拡張現実のためのデジタルイメージング（DIAR）は、拡張現実（AR）技術のより広い文脈における包括的な分野です。これは、拡張現実環境で使用するためのデジタル画像の作成、操作、および解釈を含みます。DIARは、現実世界にデジタル情報をリアルに重ね合わせることでユーザーエクスペリエンスを向上させ、物理領域と仮想領域の間のギャップを埋める役割を果たします。[ 25 ] [ 26 ]
DIARは、エンターテインメント、教育、医療、軍事、小売などの分野で活用されています。エンターテインメントでは、DIARはゲーム体験やインタラクティブな映画の作成に使用されます。教育では、より魅力的な学習環境を提供し、医療では、外科手術を支援します。軍事では、訓練や戦場の視覚化にDIARが使用されます。小売では、顧客は購入前に仮想的に服を試着したり、自宅に家具を配置したイメージを思い描いたりすることができます。[ 27 ]
技術の継続的な進歩により、DIARの将来は、リアルなオーバーレイ、改良された3Dオブジェクトモデリング、およびモノのインターネット（IoT）との統合が期待されています。DIARシステムに触覚フィードバックを組み込むことで、視覚的なオーバーレイに触覚を追加し、ユーザーエクスペリエンスをさらに向上させることができます。さらに、人工知能と機械学習の進歩により、重ね合わせられたデジタル画像のコンテキストへの適合性とリアリズムがさらに向上することが期待されています。[ 28 ]
開発中の主要なアプリケーションの一つは、子供の安全と保護に関するものです。コダックのプログラムであるキッズ識別デジタルソフトウェア（KIDS）には、医療上の緊急事態や犯罪の際に役立つ生徒の識別写真を作成するためのデジタルイメージングキットが含まれています。2012年現在、より強力で高度なバージョンのアプリケーションが開発されており、機能のテストと追加が進められています。[ 29 ]
警察署、州の犯罪研究所、連邦捜査局などの犯罪捜査機関は、指紋や証拠の分析、逮捕、安全なコミュニティの維持においてデジタル画像が重要であることを認識している。[ 30 ]
デジタルイメージングは、特に携帯電話で撮影された画像のソーシャルメディアにおける側面に関して言えば、社会的プレゼンス理論と密接に関連している。社会的プレゼンス理論には様々な定義があるが、その本質を定義する2つの定義は、「人々が現実の存在として認識される度合い」（Gunawardena、1995）と「社会的、感情的に現実の人間として自己を投影する能力」（Garrison、2000）である。デジタルイメージングは、人々が画像を通して社会生活を表現することで、仮想世界に自分の存在感を与えることを可能にする。これらの画像の存在は、他者に対する自己の延長として機能し、自分が何をしているか、誰と一緒にいるかをデジタル的に表現する。携帯電話のカメラによるデジタルイメージングは、ソーシャルメディア上で友人とのこのプレゼンス効果を促進するのに役立つ。アレクサンダー（2012）は、「存在と表象は、イメージに対する私たちの考察に深く刻み込まれている…これはもちろん、変容した存在である…誰もイメージと表象の現実を混同しない。しかし、私たちはその表象に引き込まれることを許し、その『表象』だけが、不在者の生き生きとした様子を信憑性のある形で示すことができる」と述べている。したがって、デジタルイメージングは、人々の社会的存在を反映するような形で表象することを可能にする。[ 31 ]
写真は、特定の瞬間を視覚的に捉えるために使用される媒体です。写真を通して、情報（外見など）をほとんど歪みなく、あるいは全く歪みなく伝えることができます。メディアリッチネス理論は、媒体が情報を損失や歪みなく伝達する能力を説明する枠組みを提供します。この理論は、コミュニケーション技術における人間の行動を理解する機会を与えてきました。DaftとLengel（1984、1986）は次のように述べています。
「コミュニケーションメディアは、豊かさの連続体上に位置づけられる。メディアの豊かさは、次の4つの側面から構成される。質問と回答を可能にする即時フィードバックの利用可能性。物理的な存在感、声の抑揚、身振り、言葉、数字、図記号などの複数の手がかりの使用。幅広い概念やアイデアの理解を伝えるために使用できる自然言語の使用。そして、メディアの個人的な焦点（ 83ページ）。」
メディアが正確な外見、社会的合図、その他の特性を伝える能力が高ければ高いほど、そのメディアはより豊かになる。写真は、私たちのコミュニケーション方法の自然な一部となっている。たとえば、ほとんどの携帯電話にはテキストメッセージで写真を送信する機能がある。SnapchatやVineといったアプリは、コミュニケーション手段としてますます人気が高まっている。InstagramやFacebookのようなサイトも、情報を再現できる能力のおかげで、ユーザーがより深いレベルの豊かさに到達できるようにしている。Sheer, VC (2011年1月～3月)。ティーンエイジャーのMSN機能の使用、議論のトピック、オンラインでの友情の発展：メディアの豊かさとコミュニケーション制御の影響。Communication Quarterly、59(1)。
デジタル写真は、カメラや同様の装置によって物理的なシーンから直接作成できます。あるいは、デジタル画像は、写真、写真フィルム、印刷された紙などのアナログ媒体の別の画像から、イメージスキャナや同様の装置によって取得することもできます。断層撮影装置、サイドスキャンソナー、電波望遠鏡などで取得される多くの技術的な画像は、実際には非画像データの複雑な処理によって得られます。テレビニュースで見られる気象レーダーマップは、その一般的な例です。アナログの実世界データのデジタル化はデジタル化として知られており、サンプリング（離散化）と量子化を伴います。デジタルラジオグラフィーの投影イメージングは、画像を直接デジタル形式に変換するX線検出器によって行うことができます。あるいは、蛍光体プレートラジオグラフィーでは、まず光刺激性蛍光体（PSP）プレートに画像が撮影され、その後、光刺激発光と呼ばれるメカニズムによってスキャンされます。
デジタル画像は、幾何学的モデルや数式から計算することもできます。この場合、「画像合成」という名称の方がより適切であり、「レンダリング」と呼ばれることもよくあります。
デジタル画像の認証は、医療機関、法執行機関、保険会社などのデジタル画像の提供者や作成者にとって問題となっています[ 32 ] 。法医学写真では、デジタル画像を分析し、改ざんされているかどうかを判断する方法が登場しています。
従来、デジタル画像処理は化学的および機械的なプロセスに依存していました。現在では、これらのプロセスは電子的に変換されています。デジタル画像処理を行うにはいくつかの工程が必要です。まず、光エネルギーが電気エネルギーに変換されます。これは、数百万個の太陽電池からなるグリッドによって実現されます。それぞれの条件によって特定の電荷が発生します。これらの「太陽電池」の電荷は、解釈のためにファームウェアに伝送され、伝達されます。ファームウェアは、色やその他の光の特性を解釈し、変換します。ピクセルは、それぞれ異なる強度で異なる色を作り出し、画像を作成します。ファームウェアは、将来の日付や複製のために情報を記録します。
デジタルイメージングにはいくつかの利点があります。まず、このプロセスにより、写真やワード文書に簡単にアクセスできるようになります。Googleは、世界の書籍をデジタル化するという使命を掲げ、この「革命」の最前線に立っています。このようなデジタル化により、書籍が検索可能になり、スタンフォード大学やカリフォルニア大学バークレー校などの参加図書館が世界中で利用できるようになります。[ 33 ]デジタルイメージングは、「モデムを介して第三者プロバイダー、紹介歯科医、コンサルタント、保険会社に画像を電子的に送信できる」ため、医療分野にもメリットがあります。[ 33 ]また、このプロセスは「化学処理を必要としないため、環境にも優しい」です。[ 33 ]デジタルイメージングは、歴史的、科学的、個人的な出来事を文書化および記録するためにも頻繁に使用されています。[ 34 ]
写真に関しても利点があります。デジタルイメージングは、オリジナル画像との物理的な接触の必要性を減らします。[ 35 ]さらに、デジタルイメージングは、部分的に損傷した写真の視覚的内容を再構築する可能性を生み出し、オリジナルが改変または破壊される可能性を排除します。[ 35 ]また、写真家は「暗室に縛られる」ことから解放され、撮影に費やす時間が増え、より効果的に仕事をこなすことができます。[ 36 ]デジタルイメージングは、「写真家がフィルムを急いでオフィスに持ち帰る必要がなくなり、締め切りを守りながら現場に長く滞在できる」ことを意味します。[ 37 ]
デジタル写真のもう一つの利点は、カメラ付き携帯電話にも普及したことです。カメラを持ち歩いたり、写真をすぐに他の人に送信したりできます。[ 38 ]
デジタル画像処理の批判者たちは、読者に高品質な画像を提供する柔軟性が高まることで、編集者、写真家、ジャーナリストが写真を加工する誘惑に駆られる可能性があるなど、マイナスの影響を指摘している。[ 36 ]さらに、「編集者が何を『撮影』するかを決める権限を持つため、専属写真家はもはやフォトジャーナリストではなく、カメラオペレーターになるだろう」[ 36 ] 。
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