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イメージングとは、物体、場面、現象の視覚的表現を作成するプロセスです。この用語は、物理的なプロセスによる画像の形成と、画像をキャプチャ、保存、処理、表示するために使用される技術の両方を包含します。従来のイメージングは可視光に依存していましたが、最新のイメージングシステムは、電磁スペクトル全体にわたる情報や、音波、磁場、粒子放出などの他の物理現象を通して情報を視覚化することができ、人間の目には見えない対象物の視覚化を可能にします。
画像科学または画像科学技術は、画像の生成と分析の理論的基礎と実際的応用に関わる学際的な分野です。[ 1 ]この分野は、物理学、数学、電気工学、コンピュータ科学、コンピュータビジョン、知覚心理学を活用して、画像を生成、収集、複製、分析、変更、視覚化するシステムを開発します。
イメージングチェーンとは、あらゆるイメージングシステムの相互接続されたコンポーネントを説明する概念的な枠組みです。このチェーンの各リンクを理解することで、エンジニアや科学者は特定のアプリケーション向けにシステムのパフォーマンスを最適化できます。[ 2 ]
このプロセスは、対象物とその観測可能な特性（通常は放出、反射、または透過されるエネルギー）から始まります。光源またはその他のエネルギー源が対象物を照らし、これらの特性を検出可能にします。次に、キャプチャデバイスが適切なセンサーを使用してこのエネルギーを収集します。電磁放射の場合は光学システム、音波の場合はトランスデューサー、無線周波数の場合はアンテナアレイが使用されます。デジタルシステムでは、プロセッサがキャプチャされた信号をレンダリングに適した形式に変換し、ノイズ低減、強調、または再構成のためのアルゴリズムを適用します。最後に、ディスプレイが処理された情報を紙、スクリーン、投影面などの媒体上に可視画像として表示します。このプロセス全体を通して、人間の視覚システムの特性が設計上の決定に影響を与えます。なぜなら、ほとんどのイメージングシステムの最終的な目的は、人間の観察者に情報を伝えることだからです。[ 1 ]
イメージングシステムは、コヒーレント照明を使用するか非コヒーレント照明を使用するかによって分類されることが多い。コヒーレントイメージングは、レーダー、合成開口レーダー、医療用超音波、光コヒーレンストモグラフィーのように、位相関係が一定の波を生成するアクティブ光源を使用する。これらのシステムは、振幅に加えて位相情報も取得できるため、ホログラフィーや干渉法などの技術が可能になる。従来の写真、蛍光顕微鏡、望遠鏡などの非コヒーレントイメージングシステムは、光波の位相関係がランダムな照明光源に依存する。[ 3 ]
画像化手法は、それぞれ特定の用途に適した、幅広い物理原理に基づいている。
光学イメージングには、写真撮影、映画撮影、顕微鏡観察、望遠鏡による観測が含まれます。これらの手法は、可視光スペクトル内またはその近傍の電磁波を捉え、ほとんどの民生用および科学用イメージングの基礎となっています。その拡張として、赤外線を可視化して温度分布を明らかにするサーモグラフィや、リモートセンシングや材料分析への応用を目的として複数の波長帯にわたるデータを取得するマルチスペクトルイメージングなどがあります。
医用画像診断は、診断や治療の目的で人体内部を可視化するために設計された技術です。放射線撮影やコンピュータ断層撮影は、 X線を使用して骨などの密度の高い構造を画像化します。磁気共鳴画像診断は、核磁気特性を利用して、電離放射線を使用せずに詳細な軟部組織画像を生成します。超音波画像診断は高周波音波を使用し、リアルタイム画像診断や胎児モニタリングに特に有用です。陽電子放出断層撮影などの核医学技術は、放射性トレーサーを追跡して代謝活動を明らかにします。新たなモダリティには、光学原理と音響原理を組み合わせた光音響画像診断や、生体組織の電気伝導率をマッピングする磁気音響電気断層撮影などがあります。[ 4 ]
音響イメージングは、音波を用いて画像を生成する技術です。医療用超音波以外にも、水中航行や地図作成のためのソナー、地質調査のための地震探査、産業分野における非破壊検査など、様々な用途があります。
レーダーとマイクロ波イメージングは、電波を用いて物体を検出・画像化する。合成開口レーダーは、天候や照明条件に関わらず、航空機や衛星から高解像度画像を生成するため、地球観測や偵察に不可欠である。地中探査レーダーは、考古学や工学用途において、地中構造を画像化する。
電子・粒子イメージングは、電子ビームやその他の粒子ビームを用いて、可視光の回折限界をはるかに超える解像度を実現します。電子顕微鏡は個々の原子を画像化できるため、材料科学や構造生物学の進歩に貢献しています。
化学イメージングは、分光法と空間イメージングを組み合わせて試料の化学組成をマッピングする技術であり、医薬品開発、食品安全、法医学などの分野で応用されている。
LIDAR（光検出・測距）は、レーザーパルスを用いて距離を測定し、表面や物体の三次元表現を作成する技術であり、自動運転車、地形図作成、林業などで広く利用されている。
計算機画像処理およびデジタル画像処理には、画像処理、コンピュータグラフィックス、3次元レンダリング、デジタル画像復元が含まれます。コンピュータビジョンは、アルゴリズム解析を用いて画像から情報を自動的に抽出します。
写真とイメージングは常に密接に結びついてきました。1826年にジョセフ・ニセフォール・ニエプスがヘリオグラフィーを使用して最初の永久写真を作成し[ 5 ]、 10年後にルイ・ダゲールがそのプロセスをダゲレオタイプに改良したとき、彼らは単に新しい芸術形式を発明しただけでなく、ハロゲン化銀化学に基づいた科学分野全体の基礎を築いたのです。
19世紀の大半において、写真は専門家の領域にとどまっていた。しかし、1888年に「ボタンを押すだけで、あとはお任せください」というスローガンとともにジョージ・イーストマンのコダックカメラが発売されたことで状況は一変した。 [ 6 ]突然、誰でも写真を撮ることができるようになった。ほぼ同時期に、ヴィルヘルム・レントゲンは1895年にX線を発見した。 [ 7 ]この偶然の発見が、医療画像分野全体の誕生につながった。
第二次世界大戦は転換点となった。紛争の両陣営で猛烈に開発されたレーダー技術は、後に合成開口レーダーや医療用超音波に応用される概念をもたらした。[ 8 ] [ 9 ]そして電荷結合素子が登場した。ウィラード・ボイルとジョージ・E・スミスが1969年にベル研究所で最初のものを作り、[ 10 ]数十年以内にフィルムをほぼ時代遅れにした。1970年代には磁気共鳴画像法が登場し、 [ 11 ] X線では決してできなかった放射線を使わずに軟部組織の詳細な画像を提供するようになった。
デジタルカメラは急速に普及した。2000年代にはフィルムはすでに衰退し始めており[ 12 ]、2010年代にはスマートフォンによって驚くほど高性能なカメラがほぼすべての人のポケットに入るようになった。かつては真の技術、適切な露出、シャープなピント、正確な色を必要とした機能が自動化された[ 13 ] 。
今日では、毎日何十億もの写真がソーシャルメディアにアップロードされています。 [ 14 ]その結果、生成型人工知能がゼロからフォトリアリスティックな画像を作り出すことができるという問題が深刻化しています。何が「本物」の写真とみなされるかは、もはや必ずしも明確ではありません。[ 15 ] [ 16 ]