デジタル画像補間

画像の補間は、すべてのデジタル写真で、ベイヤー デモザイクでも写真の拡大でも、ある段階で発生します。これは、あるピクセル グリッドから別のピクセル グリッドに画像のサイズを変更または再マップ (歪曲) するたびに発生します。ピクセルの総数を増減する必要がある場合は画像のサイズ変更が必要ですが、レンズの歪みの補正、遠近法の変更、画像の回転など、さまざまなシナリオで再マッピングが発生する可能性があります。

同じイメージのリサイズまたはリマップを実行しても、補間アルゴリズムによって結果が大きく異なる場合があります。これは概算にすぎないため、補間が実行されるたびに画像の品質が常に低下します。このチュートリアルは、結果がどのように変化するかをよりよく理解することを目的としており、補間による画質の低下を最小限に抑えるのに役立ちます。

コンセプト

内挿は、既知のデータを使用して未知のポイントの値を推定することによって機能します。例:正午の温度を知りたいが、午前 11 時と午後 1 時のみ測定した場合、線形補間を実行してその値を推定できます。

午前 11 時 30 分に追加の測定を行った場合、気温上昇の大部分が正午までに発生したことがわかり、この追加のデータ ポイントを使用して 2 次補間を実行できます。

正午に近い温度測定値が多ければ多いほど、内挿アルゴリズムはより洗練された (そしてできればより正確に) なります。

画像のサイズ変更の例

画像補間は 2 つの方向で機能し、周囲のピクセルの値に基づいて、ピクセルの色と強度の最適な近似を達成しようとします。次の例は、サイズ変更/拡大がどのように機能するかを示しています:

183% 拡大

→

気温の変動や上記の理想的な勾配とは異なり、ピクセル値はある場所から次の場所へと急激に変化する可能性があります。温度の例と同様に、周囲のピクセルについて知れば知るほど、補間はより適切になります。したがって、画像を引き延ばすほど結果は急速に劣化し、補間ではまだ存在していない詳細を画像に追加することはできません。

画像回転の例

画像を回転または歪ませるたびに補間も行われます。前の例は、インターポレーターが特に得意とするものであるため、誤解を招くものでした。次の例は、画像の詳細が非常に急速に失われる可能性があることを示しています:

オリジナル
回転

→ 45°回転
90°回転
(ロスレス) 2 X 45°
回転 6 X 15°
回転

2 つのピクセル間の境界にピクセルを再配置する必要がないため (したがって、分割する必要がないため)、90° 回転はロスレスです。最初の回転だけで細部のほとんどが失われていることに注意してください。ただし、画像は回転を重ねるごとに劣化し続けます。したがって、可能な限り写真の回転を避ける必要があります;平準化されていない写真で必要な場合は、1 回だけ回転してください。

上記の結果は、いわゆる「バイキュービック」アルゴリズムを使用しており、大幅な劣化を示しています。色の強度が低下することで明らかな全体的なコントラストの低下と、明るい青の周りにどのように暗い光輪が作成されるかに注目してください。上記の結果は、補間アルゴリズムと主題によっては大幅に改善される可能性があります。

補間アルゴリズムの種類

一般的な補間アルゴリズムは、適応型と非適応型の 2 つのカテゴリに分類できます。適応型メソッドは、補間対象 (シャープなエッジと滑らかなテクスチャ) に応じて変化しますが、非適応型メソッドはすべてのピクセルを同等に扱います。

非適応アルゴリズム 含まれるもの:最近隣、バイリニア、バイキュービック、スプライン、sinc、lanczos など。複雑さに応じて、これらは補間時に 0 ～ 256 (またはそれ以上) の隣接ピクセルを使用します。含まれる隣接ピクセルが多いほど、精度が向上しますが、処理時間が大幅に長くなります。これらのアルゴリズムは、写真の歪みとサイズ変更の両方に使用できます。

オリジナル 250% 拡大

適応アルゴリズム Qimage、PhotoZoom Pro、Genuine Fractals などのライセンス ソフトウェアに多くの独自アルゴリズムが含まれています。これらの多くは、エッジの存在を検出するときに (ピクセルごとに) 異なるバージョンのアルゴリズムを適用します。これは、エッジが最も目立つ領域で見苦しい補間アーティファクトを最小限に抑えることを目的としています。これらのアルゴリズムは主に、拡大された写真でアーティファクトのない詳細を最大化するように設計されているため、一部のアルゴリズムは画像の歪みや回転には使用できません.

最近傍補間

Nearest Neighbor は最も基本的なアルゴリズムであり、補間されたポイントに最も近い 1 つのピクセルのみを考慮するため、すべての補間アルゴリズムの中で最も処理時間が短くてすみます。これには、単純に各ピクセルを大きくする効果があります。

バイリニア補間

双一次補間は、未知のピクセルを囲む既知のピクセル値の最も近い 2x2 近傍を考慮します。次に、これら 4 つのピクセルの加重平均をとって、最終的な補間値に到達します。これにより、最も近い画像よりもはるかに滑らかに見える画像が得られます。

左の図は、すべての既知のピクセル距離が等しい場合を示しているため、補間された値は単純にそれらの合計を 4 で割ったものです。

バイキュービック補間

Bicubic は、既知のピクセルの最も近い 4x4 近傍 (合計 16 ピクセル) を考慮することにより、bilinear を一歩超えています。これらは未知のピクセルからさまざまな距離にあるため、近いピクセルほど計算で高い重みが与えられます。 Bicubic は、前の 2 つの方法よりも著しく鮮明な画像を生成し、おそらく処理時間と出力品質の理想的な組み合わせです。このため、多くの画像編集プログラム (Adobe Photoshop を含む)、プリンター ドライバー、およびカメラ内補間の標準となっています。

高次補間:SPLINE &SINC

より多くの周囲のピクセルを考慮に入れる他の多くのインターポレーターがあり、そのため計算量もはるかに多くなります。これらのアルゴリズムにはスプラインと sinc が含まれ、補間後にほとんどの画像情報を保持します。したがって、画像が別々のステップで複数の回転/歪みを必要とする場合に非常に便利です。ただし、単一ステップの拡大または回転の場合、これらの高次アルゴリズムは、処理時間が増加するにつれて視覚的な改善を減らします。

注意すべき補間アーティファクト

非適応インターポレーターはすべて、エッジ ハロー、ブラーリング、エイリアシングという 3 つの望ましくないアーティファクトの間で最適なバランスを見つけようとします。

元の拡大
400%

→ エイリアシング ぼかし エッジ ハロー

最も高度な非適応補間器でさえ、他の 2 つを犠牲にして上記のアーティファクトの 1 つを常に増減する必要があります。したがって、少なくとも 1 つが表示されます。また、エッジ ハローは、アンシャープ マスクで過度にシャープにすることによって生成されるアーティファクトにどのように似ているかにも注意してください。また、鋭さを増すことでシャープネスの外観を向上させます。

アダプティブ インターポレーターは、上記のアーティファクトを生成する場合と生成しない場合がありますが、画像以外のテクスチャや小さなスケールで奇妙なピクセルを引き起こす可能性もあります:

元の拡大
220%

→ 適応補間

一方、適応インターポレーターからのこれらの「アーティファクト」の一部は、利点と見なされる場合もあります。目は、葉などのきめの細かい領域で最小の縮尺まで詳細を見ることを期待しているため、これらのパターンは遠くから目を欺くと主張されてきました (主題によっては)。

アンチエイリアシング

アンチエイリアシングは、「ギザギザ」と呼ばれる、エイリアシングまたはギザギザの対角エッジの出現を最小限に抑えることを試みるプロセスです。これらは、テキストや画像に大まかなデジタルの外観を与えます:

300%拡大
(エイリアシングあり)

300% 拡大
(エイリアシングなし)

アンチエイリアシングはこれらのギザギザを取り除き、より滑らかなエッジとより高い解像度の外観を与えます。これは、理想的なエッジが隣接するピクセルとどの程度オーバーラップするかを考慮して機能します。エイリアシングされたエッジは、中間値なしで単純に切り上げまたは切り捨てられますが、アンチエイリアスされたエッジは、各ピクセル内にあるエッジの量に比例する値を提供します:

完全な対角線

選択:

エイリアス

アンチエイリアス

低解像度にリサンプリング

画像を拡大する際の主な障害は、補間器がエイリアシングを誘発または悪化させないようにすることです。多くの適応補間器は、エッジの存在を検出し、エッジの鋭さを維持しながらエイリアシングを最小限に抑えるように調整します。アンチエイリアス処理されたエッジには、より高い解像度でのエッジの位置に関する情報が含まれているため、拡大時に強力な適応 (エッジ検出) 補間器がこのエッジを少なくとも部分的に再構築できることも考えられます。

光学ズームとデジタルズームに関する注意

多くのコンパクト デジタル カメラは、光学ズームとデジタル ズームの両方を実行できます。カメラはズーム レンズを動かすことで光学ズームを実行し、光がデジタル センサーに到達する前に光の倍率を上げます。対照的に、デジタル ズームは、画像がセンサーで取得された後、単純に画像を補間することで品質を低下させます。

10X 光学ズーム 10X デジタル ズーム

デジタル ズームを使用した写真には同じ数のピクセルが含まれていますが、細部は明らかに光学ズームよりもはるかに小さくなっています。 デジタルズームはほぼ完全に避けるべきです 、カメラの LCD プレビュー画面で遠くのオブジェクトを視覚化するのに役立つ場合を除きます。または、定期的に JPEG で撮影し、後で写真をトリミングして拡大する予定がある場合、デジタル ズームには、少なくとも圧縮アーティファクトが設定される前に補間を実行できるという利点があります。デジタル ズームが頻繁に必要になる場合は、テレコンバーターを購入してください。アドオン、またはいっそのこと:焦点距離の長いレンズ。

詳細については、次の詳細なチュートリアルを参照してください:
デジタル写真の拡大
Web および電子メール用の画像サイズ変更