焦点合成ソフトによる多焦点使用痕画像の作成
著者 原田 幹
雑誌名 佐々木達夫先生退職記念事業実行委員会 (高濱 秀
・渡辺 芳郎・野上 建紀) [編] 考古学と陶磁史学 : 佐々木達夫先生退職記念論文集
ページ 172‑181
発行年 2011‑02‑26
URL http://hdl.handle.net/2297/47920
編者 佐々木達夫先生退職記念事業実行委員会 発行 金沢大学考古学研究室
2011 年2 月26 日発行
焦点合成ソフトによる多焦点使用痕画像の作成
原田幹
焦点合成ソフトによる多焦点使用痕画像の作成
原田 幹
１．はじめに
石器の使用痕分析は、石器の表面に残された痕跡を手掛かりに、石器の機能を推定する分析で ある。微細な痕跡の観察には実体顕微鏡や金属顕微鏡を使用し、使用痕の記録には顕微鏡写真を 用いる。
使用痕分析において、顕微鏡写真は客観性を保つ最も信頼できるデータであるが、使用痕のも つ複雑な属性を伝えるには限界もある。その一つが焦点深度の問題である。光学顕微鏡で石器の ような立体物を観察する場合、試料の高低差が焦点深度をこえてしまうと、視野の一部にしかピ ントが合わず、それ以外の部分はぼけてしまう。実物を観察しているときは、顕微鏡の照準器によっ てピントをずらすことで、立体的な構造を推定しながら石器表面の全体像をイメージすることが できる。しかし、その一部分を切り取った顕微鏡写真には、全体像の部分的な情報しか含めるこ とができない。このぼけた画像は、使用痕画像の「わかりにくさ」の一因ともなっている。
小論では、この焦点深度をカバーする方法として、３．パソコンソフトを使って焦点深度を合 成する方法について紹介する( 註 1)。そのうえで、４．今後の使用痕研究にも活用できるいくつか の応用的な事例を取り上げて紹介する。また、画像処理の前提として、２．使用痕研究における デジタル機器の導入とそのメリットについても筆者の経験をふまえてまとめておきたい。
２．画像記録のデジタル化
顕微鏡写真には、以前は 35 ミリフィルムなどが用いられていたが、近年は様々なデジタル機器 が普及し、電子的な画像データとして記録されるようになっている。
（1）フィルムカメラによる撮影
筆者が使用痕分析に取り組み始めた 1990 年代中頃は、顕微鏡の撮影装置として、まだ 35 ミリ フィルムカメラを用いた撮影装置が一般的であった。
フィルムの場合、大量の写真を処理するのには、かなりのコストと時間がかかった。フィルム を現像・焼き付けしないと画像を確認できないので、撮影画像をその場でチェックすることはで きなかった。撮影時にはシャッターを切る必要があり、不安定な環境では機械的な振動によって 像がぶれてしまうこともあった。また、プリント・フィルムの整理・保管の手間とコストも問題 であった。
（2）デジタルカメラの普及
90 年代後半に入ると、デジタルカメラが急速に普及し始めた。筆者が初めて手にしたデジタル カメラはカシオ製 QV—2300UX だったが、ふとこれを顕微鏡に取り付けられないだろうかと考 えた。カメラのレンズを顕微鏡の撮影レンズに押しつけて撮影したところ、ちゃんと顕微鏡の像 を撮影することができた。そこで、カメラを三眼部に固定できるよう筒状のアダプターを自作し、
最適な画像が得られるようカメラの設定なども試行錯誤し、簡易な撮影システムを構築すること ができた （図 1 左）（註 2）。
今日、顕微鏡撮影には、様々なデジタル機器が用いられている。市販のデジタルカメラを顕微 鏡にとりつける方法は、現在でも最も安価な方法のひとつである。最近ではカメラを顕微鏡に接 続するためのアダプターも市販されている。また、CCD や CMOS などのイメージセンサを用いた 顕微鏡用撮影装置も普及し、簡単に高画質なデジタル画像が撮影できるようになった（図 1 右）。
USB 経由でパソコンに接続し、直接画像を取り込んだり、機器を設定することができるほか、パ ソコンの画面に使用痕画像を映し出し、複数人で観察したり、観察と同時に計測したりといった 使い方も簡単に実現できるようになっている。
（3）デジタル化のメリット
画像のデジタル化のメリットとしては、フィルムのように経年変化による劣化がないこと、現 像・焼き付けといった工程を必要とせずできあがりをリアルタイムに確認できること、大量のデー タを低コストで扱うことができること、そして、パソコンと連動した画像の加工・処理が容易で あることなどがあげられる。
一方、デジタル化のデメリットとしては、撮影に使用する機器が高価であること、画像処理に 専用のパソコンソフトが必要なことなどがあげられてきた。しかし、最近ではパソコンやプリン ターの高機能化・低価格化が進み、画像の管理・加工に用いるソフトも、特殊な画像処理を行う のでなければ、市販の低価格なもので十分使用することができるようになってきている。
３．焦点合成画像の作成
（1）概要
焦点深度は、レンズの受光面において、ピントが合って見える許容範囲のことである。一方、
対物レンズと観察物との間のピントが合ってみえる領域を被写界深度という（図２）。一般的に同 一仕様のレンズの場合、解像度や倍率が高くなれば、反比例して焦点深度・被写界深度は浅くなる。
金属顕微鏡のように高倍率の顕微鏡で凸凹 ( 高低差 ) の大きな石器表面を観察する場合、一部にし かピントは合わず他はぼけてしまう。
ここでは焦点深度をカバーする方法として、パソコンソフトを使って焦点深度を合成する方法 について紹介する。その概要は、焦点位置が異なる連続的な画像を作成し、これを専用のソフト で処理することで、全体にピントの合った画像を合成するというものである。
この機能はデジタルマイクロスコープなどの付加的な機能として紹介されることもあって高価 なイメージがあるが、市販のソフトを用いることで、一般的な光学顕微鏡や撮影装置でも比較的
複数枚の画像
焦点深度
被写界深度
多焦点合成画像
観察物
焦点距離
図 2 焦点深度と被写界深度
図 3 焦点合成のイメージ 図 4 焦点位置の異なる連続写真
1
2
3
4
5
6
7
8
9
＊実験石器 S-096 10
チャート、イネ、cutting（根刈り）、1000 回
図 1 顕微鏡撮影装置
左 デジタルカメラ 右 USB カメラ
対物レンズ
安価に実現することができる。
（2）連続画像の取得
画像処理に必要な顕微鏡画像を取得するには、顕微鏡の光軸方向に沿ってピントをずらしなが ら焦点位置の異なる連続した画像を撮影する。実際の撮影では、高低差のある観察物の最高所に ピントを合わせて撮影をスタートし、顕微鏡の微動ダイヤルを一定の間隔でずらしながら、低所 にピントがあうまで繰り返し画像を取得する（図 3）。
上下方向に一定の間隔で画像を取得するためには、顕微鏡の微動ダイヤルの目盛を使って撮影 する。高倍率であれば焦点深度が浅くなるので目盛の間隔を小さくし、低倍率であれば焦点深度 が深くなるので目盛の間隔を大きくできる。
図は実際に作成した使用痕の連続画像である（図 4）。最初の写真は画像右下の刃縁部分にピン トが合っており、徐々に画像中央から左上方向に合焦位置が移動していることがわかるだろう。
（3）焦点合成ソフト
複数の画像からピントの合った範囲を抽出する仕組みには、輝度処理やフィルタ処理といった 方法がある（山下ほか 1994 : 61-62）。輝度処理は連続する領域のなかでもっとも輝度が高い部 分を合焦した領域とみなす方法、フィルタ処理はコントラストの高い部分を合焦した領域と見な す方法である。実際のソフトでは様々なアルゴリズムを調整し、合成画像を生成している。
焦点合成ソフトは、フォーカス合成ソフトあるいは深度合成ソフトなどとも呼ばれ、いくつか のものが市販されている。デジタルマイクロスコープなど観察機器の機能として実装されてい るものもあるが、ソフト単体で入手できるものもある。ここでは、筆者が使用している Helicon Focus（註 3）というソフトを用いて説明する 。
図 5 は Helicon Focus の画面である。作業の手順としては、まず合成処理を施す一連の画像ファ イルを読み込む。次に合成する際のパラメータを設定し、合成処理を実行するだけである。左（上）
側に読み込んだ画像が、右（下）側に画像の処理状況がリアルタイムで表示される。画像のサイ ズやパソコンの処理能力にもよるが、数十秒から数分で合成処理が行われる。
Helicon Focus では、合焦部分の検出方法を、コントラストによる検出（Method Ａ）と輝度に よる検出（Method Ｂ）の二つの方法から選択することができる。パラメータは、処理を行う際の 画素の径（Rsdius）と画像結合時のなめらかさ（Smoothing）を設定することで、合成画像の仕上 がりを調整することができる。
図 6 は、図 4 の連続画像（実際には 20 枚の画像を使用）を Helicon Focus で合成処理したもの である。右側の高所から左側の低所まで、撮影範囲全体に焦点が合った画像となっている。
４．活用の可能性
多焦点画像を作成する最大のメリットは、ひとつの画像により多くの情報を含めることができ ることにある。その応用として、いくつかの事例をあげ、今後の使用痕研究に資する可能性を考 えてみたい。
図 5 Helicon Focus 画面
図 6 多焦点使用痕画像
図４の連続写真を Helicon Focus で合成した多焦点画像。methodA（コントラスト処理）
によって作成したものである。
左側のウィンドウは読み込んだ画像、右側のウィンドウには現在の処理状況及び処理結果が表示される。
カメラについたゴミなどを除去する機能、スケールやコメントを画像上に記入する機能もある。
（1）定量的な計測
視野の全体に焦点があった鮮明な画像が得られることで、定量的な処理・計測が可能になると 期待される。使用痕分析では、微小剥離痕の形態、微小光沢面の外観上の特徴など、定性的な観 察に基づいて判定されることが多い。その一方で定量的な視点での観察や記録の作成はあまり行 われていなかった。多焦点使用痕画像を活用することで、画像解析ソフトなどとも連携した定量 的な分析が行いやすくなる。
ここでは、石庖丁などの表面に形成されるパッチ状の微小光沢面を例としてあげる（図 7）。こ の使用痕は作業量が増えるにしたがって、パッチの大きさと分布密度が増加する。同一の器面上 での分布密度の違いは、石器と作業対象物との接触頻度の差を反映し、石器の使用方法を推定す るうえでも重要な情報である。図 7 のように、パッチの径を計測したり、画面上にしめる光沢部 分の面積を算出するといった計測が行いやすくなり、定量的な情報の取得および客観的なデータ の提示が可能になる。
（2）パノラマ画像の作成
顕微鏡視野には、焦点深度のような高さによる情報の制限だけでなく、視野の隣接範囲など広 範囲な情報を一度に呈示できないという限界もある。観察者は、ステージ上の試料をＸ軸・Ｙ軸 に沿って移動させることで、広い領域の情報を取得しているが、顕微鏡画像として切り取られる 範囲は限定されている。
焦点合成画像を用いれば、視野を少しずつずらした画像を結合することで、平面的に連続した パノラマ画像を作成することも可能である。PhotoShop などの画像処理ソフトには、重複した範 囲を自動で計算して画像を結合する機能がある（註 4）。一部にしかピントが合っていない顕微鏡画 像では、重なり合う範囲を正確に検出できないが、焦点合成によって全体にピントが合った画像 を作成することで、これらの処理が容易になる。
パノラマ画像を用いることで、使用痕が形成された領域内の漸移的な変化や使用痕の形成範囲 と使用痕のない範囲との比較といったことについて、よりわかりやすく情報を提示することがで きる（図 8）（註 5）。
（3）３Ｄ画像の作成
図 3 でも示したように、顕微鏡の対物レンズから観察物の間で焦点が合う距離は一定である。
つまり、連続した各画像の合焦した部分は、レンズからみて同じ高さということであり、各画像 の合焦した範囲は擬似的な等高線に見立てることができる。この仕組みを利用することで、擬似 的に立体的な画像を作成することもできる。焦点合成ソフトには３Ｄ画像の作成機能を備えたも のもあり、小論で紹介している Helicon Focus も、プロ・バージョンではこの機能が実装されている。
図 9 は、実際に Helicon Focus で作成した多焦点使用痕画像をもとに３Ｄ画像を作成した事例 である。画像の作成方法でも説明したように、ここで紹介している方法は、顕微鏡の照準器のダ イヤル目盛から手動で取得したものである。自動制御のＺ軸ステージのように正確な位置情報を 取得しているわけではないので、厳密な計測に用いることはできないが、画像上の大まかなイメー ジを得ることは可能だ。
図 7 使用痕画像の計測
図 8 使用痕画像のパノラマ合成
左 磨製石斧刃部（パプア・ニューギニア民族資料・南 山大学人類学博物館蔵）
実体顕微鏡で撮影した刃縁の画像を連結。
右 実験石 S-259 大型磨製石庖丁、イネ根株の刈り取り 584 株
画像下が刃縁で上方向が内側になる。刃縁には明るくな めらかな微小光沢面が分布しているが、内側に行くに従っ て漸移的に光沢が弱くなっていくのがわかる。写真は 5 カット計 70 枚の画像を処理して作成したものである。
全域に焦点が合った画像であれば、画像計 測ソフトを使用して、正確な長さや面積の 計測ができる。
図は Motic Image Plus 2.1S を使用した例。
図 9 使用痕画像の 3D 表示
1．実験石器 S-180a 黒曜石、シカ皮（乾燥）、
cutting、1000 回
2．実験石器 S-089 チャート、貝殻（加水）、
sawing、2000 回
3．実験石器 S-102 チャート、シカ皮（乾燥）、
scraping、2000 回
4．実験石器 S-096 チャート、イネ（生）、
cutting、1000 回 刃縁に沿って微細な線状痕が形成されている。線状痕
は微細な起伏の比較的低所にも及んでいる。
剥離の稜線に沿って光沢面が形成されている。光沢面は 非常に平坦で、ほとんど低所に侵入していない。これは 粘弾性の小さな硬い被加工物の特徴である。
刃縁が大きく摩滅し、全体に丸みを帯びている。微細 な起伏の凹部にも変化が及んでいる様子がよくわかる。
光沢が発達している部分（立体図左手前）は、元の地 形も平坦に変化している。右奥の部分はやや低く、表 面の起伏に沿って徐々に光沢が広がりつつある。
石器使用痕分析では、使用痕が形成されている石器表面の微細な地・ 形・ を把握し、使用痕がどの 部分にどのように形成されているかを理解することが重要である。特に微小光沢面の場合は、微 地形の高所から低所まで変化が及んでいるのか、あるいは高所だけに限定しているのかという特 徴が、被加工物などを推定する情報になることもある。３Ｄ画像は、このような立体的なイメー ジを得るうえで補助的な情報として期待できる。
５．おわりに
近年の顕微鏡画像のデジタル化の実態をふまえ、その有効な活用の方法として、焦点合成ソフ トによる多焦点使用痕画像の作成とその応用について述べてきた。ここでは、筆者が行っている 低コストな方法を紹介したが、高度な専用の観察機器を用いることで、より高精度な情報を簡単 に取得することも可能だ。また、この分野の技術的な進歩は著しいので、ソフト、ハードの改良 によって、新しい機能が追加されることもある。しかし、どんなに高価な機器を用いても、使用 痕そのものの理解と確かな観察基準が確立していなければ、有効な成果は望めない。この点をふ まえつつ、本稿で紹介した方法が今後の分析技術の向上に役立てれば幸いである。
註
1 : 焦点合成の技術は、使用痕分析だけでなく、顕微鏡やカメラなど光学機器を扱う広い分野で応 用が可能である。筆者が目にした範囲では、プラントオパール分析の同定に応用しようとした論 文があった（Yan and Changsui 2009）。
2 : デジタルカメラを顕微鏡に取り付ける際に注意することを付け加えておこう。まず、デジタル カメラの標準の画角では周辺部がけられ黒くなってしまうことがある。なるべく望遠側に設定し、
最適な画角がえられるよう、撮影レンズとカメラレンズとの距離を調節する必要がある。カメラ の設定はフォーカスをマニュアルまたは無限大に設定し、顕微鏡の照準器を使用してピントを合 わせるようにする。画像の色合いが変わってしまう場合は、カメラのホワイトバランスを調節する。
3 : このソフトはウクライナの Helicon Soft 社が提供しており、インターネットを通じて購入・ダ ウンロードできる（http://www.heliconsoft.com/heliconfocus.html）。体験版もあり、全ての機能 を購入前に確認することができる。OS はウィンドウズとマックに対応し、購入ライセンスは 1 年 間だけまたは無制限、バージョンもベーシックとプロを選択できる。今回使用したバージョンは、
4.80.3 Pro である。メニューは英語であるが、操作はシンプルなので迷わずに使うことができる だろう。
4 : PhotoShop では、フォト・マージという機能を使用して合成画像を作成する。図 8 のパノラマ 画像はこの機能によって合成したものである。
5 : これまでの使用痕分析でも、焦点合成こそしていないが、顕微鏡画像を多数つなぎ合わせ広範 囲の情報を呈示しようと試みられている（平塚 2003）。
参考文献 井上勤（監修）
1998 『新版顕微鏡観察シリーズ 1 顕微鏡観察の基本』地人書館 野島博（編）
1997 『顕微鏡の使い方ノート』羊土社 平塚幸人
2003 「扁平片刃石斧の使用痕研究－仙台市高田Ｂ遺跡出土資料を対象にして－」『仙台市富 沢遺跡保存館研究報告』6 : 51-88.
山下憲親・矢島正男・周欣欣・大木真・橋口住久
1994 「顕微鏡によるパンフォーカス画像の合成」『山梨大学工学部研究報告』第 45 号 : 61-65.
Yan Wu and Changsui Wang
2009 Extended depth of focus image for phytolith analysis. Journal of Archaeological Science 36 : 2253–2257.
要約
石器使用痕分析では、顕微鏡を用いた観察が行われ、記録には顕微鏡写真が用いられる。しかし、
顕微鏡の焦点深度の限界により、高低差の激しい石器表面の一部の情報しか含めることはできな い。本稿では、近年の顕微鏡撮影におけるデジタル機器の普及をふまえ、焦点合成ソフトを使用 した多焦点使用痕画像の作成方法を紹介した。そのうえで、使用痕の定量的な計測、パノラマ画 像の作成、3D 画像による立体的な情報の取得といった、今後の応用の可能性について述べた。
考古学と陶磁史学
−佐々木達夫先生退職記念論文集−
編 者 佐々木達夫先生退職記念事業実行委員会 （高濱 秀・渡辺 芳郎・野上 建紀）
発 行 金沢大学考古学研究室 〒 920-1192
金沢市角間町金沢大学人文学類
印 刷 株式会社 三光 〒 848-0022
佐賀県伊万里市大坪町乙 4161-1 2011 年 2 月 26 日発行
