スペクトル画像の数値化・一次元化と再画像化

フラウンホーファー線に限らずスペクトル画像を見たとき輝線・吸収線の波長を知りたくなります。画像位置と波長はだいたい線形と言っても完全に線形ではないので近似や補間が必要なわけで画像位置から波長を知るのはけっこう手間です。それに輝線・吸収線の中心（極大、極小）がどこにあるか画像をみるだけでわかることはまれです。

ということでまず画像を数値化する必要があります。

今はこれには

　　「国立天文台 - すばる画像解析ソフト －Makali`i－   配布サイト」

にある“マカリ”を使っています。

こんなのです。


スペクトル画像を読み込むと画像が表示されるので、数値データにしたいところを矩形で囲むとそこを一次元化/数値化してグラフ表示するとともに“テキストデータ”ボタンでCSVを得ることができます。

そう言えば以前マカリはFITS形式しか読み込めないと書いたような気がするのですが、勘違いでふだん使うような画像ファイルはたいてい読み込めるようです。

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じつはマカリの存在を知る前はいろいろ試行錯誤しました。

まず画像データを読み込む必要があるのですがプログラムの開発環境は“MPLAB X IDE”しかないわけでちょっとプログラムを書くというわけにもいきません。テキストデータだったら秀丸なりawkなり使えばどうにかできると思うのですが画像データだからバイナリです。

いろいろ調べたらWindowsにcertutil というコマンドがありこれでバイナリのファイルをエンコードしてテキストファイルにすることができます。テキストファイルになればあとはどうとでもなるわけでしばらくはこれを使って画像の数値化を行っていました。

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ところでほよほよさんが「「写真から撮影方向を分析する」アプリ」の新たな手法に基づくバージョンをリリースされています。

　　「写真から撮影方向を分析する－新たな試み6 リリース」

おまけで“JPGファイルから指定矩形領域の数値をCSV形式で取り出せ”るjpg2csvもリリースされていますので、せっかくですから使わせていただきました。

jpg2csv は画像の任意の矩形領域を数値化できますので、csvファイルをExcelで読み込んだあと一次元化します。マカリの一次元化というのは“カウント値は指定した範囲の分散軸に直行する方向の平均値となります”とあるので単に平均値をとればいいのでしょう。RGBそれぞれの平均をとってそれをグラフにしたものです（このとき画像位置から波長への変換も行います）


これを見るとE線の分離が難しいことの理由がよくわかるのですが、今回の話とは関係ないのでその話は省略します。

こちらはマカリの出力から作成したもの


とうぜんのことながら二つのグラフは完全に一致しています（重ねたものも作ったのですが、上の二つと同じなので省略します）

マカリの場合はRGB以外に輝度の出力があります。輝度をどうやって計算しているかも気になるのですが、これについてはマニュアルには記載がないようです。気にはなるのですが今のところ波長にしか興味がないので、何か調べてみようと気にはなりません。

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こうやって数値化したものは一次元化によってノイズが減っているはずです。となると今度は数値データを画像化すればきれいなスペクトル画像が得られると思われます。

実際「国立天文台岡山天体物理観測所 - ☆スペクトル物語☆～デジタルアトラス～」にあるスペクトル画像はそうやって再画像化したものだそうです。こちらは数値化にIRAF を使っているとありますが、IRAF にはそういう機能もあるのかもしれません。

再画像化となると今度はテキストデータをバイナリにする必要がありますが、これもcertutil にあります。手間なのは手間なわけですが。

上の画像の数値データを再画像化しGIMPで暗線をみやすくしたもの。


ノイズは減っているはずですから、ここに見える暗線はほんとうに暗線なんでしょう。とすると相当な数の暗線を検出できていることになります。
（スペクトル画像すべてを使って一次元化すればノイズはさらに削減できて暗線であることがより確かになるのですが、今回はExcelの操作が面倒くさくなりそうだったので使ったのは100ピクセル分だけです）

なお再画像化については

　　「スペクトルデータをExcelでSVG画像にしてみた」

にある方法の方が（最初はたいへんですが）かなり細かいこと＿＿例えば波長が直線的に変化するようにする＿＿ができます。

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簡易分光器の現在の構造ではスペクトル画像の分散軸は画像の辺とは平行になりません。分散軸が辺と平行になるように回転するのがけっこう手間です。
ひょっとしたらIRAFにはそういうことをやってくれる機能もあるのかもと思ったのですが、よく考えるとこれはなさそうに思えます。プロが撮影するスペクトル画像の分散軸が画像の辺と平行でないということはないでしょうから。

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まとめ記事
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　　　　簡易分光器とは？
　　　　簡易分光器の実力
　　　　　　太陽光（フラウンホーファー線）
　　　　　　蛍光灯
　　　　原理・設計
　　　　製作・材料
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　　　　フラウンホーファー線の撮影法
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　　　　デジカメの分光感度特性
　　　　スペクトルデータの再画像化
　　　　分光器の応用
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　　　　　　半導体レーザー出力光の波長の変化
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　　　　スペクトル（画像）の実例

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