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2017-05-01科學影像的處理與分析②─活用ImageJ軟體
569 期
Author 作者
簡志祥／新竹市光華國中教師，喜歡各種與生物相關的人事物，日常生活裡平淡無奇的事物，在他眼中都蘊含了許多科學原理，他的興趣從屍體、便當到電子電路。
現今有許多自動的圖形處理軟體，許多社交平台如Facebook、Google或Instagram等還會自動處理照片。但你是否有想過，自己來處理照片？坊間雖然也有許多軟體可以讓你來處理影像，有付費的專業軟體，也有免費而功能簡單的軟體。但有時候廠商開發的功能可能會不符合你的需求，或是不懂如何操作。若能了解電腦是如何解讀與處理影像，將有助於你了解這些軟體，你也會更了解影像科技。本文藉由介紹一個強大又免費的影像分析軟體——ImageJ，希望讀者能藉由學習這個軟體，並自行操作，從中得到影像處理的樂趣。
ImageJ是一套人人可自由下載並免費使用，是架構在Java平台上的開放原始碼軟體，不管用微軟或蘋果的作業系統都可以執行，且與一般影像分析軟體不同之處在於允許使用者自行用Java撰寫外掛程式（plugins）或由內建的編輯器撰寫巨集來擴充功能。目前ImageJ官網上已經有超過500 種由眾多使用者開發的外掛程式，皆可自由下載取得，此外也有人開發出一個稱為Fiji的專案，名稱來源是「Fiji is just ImageJ」。它已經將許多科學分析相關的套件與ImageJ整合在一起，並提供自動更新的功能。各位朋友若有興趣學習ImageJ，建議可以用Fiji 來學習，省去再去搜尋套件安裝的時間。
認識數位圖形—— 用數字格子畫小鳥
在開始進入ImageJ 的處理之前，我們先透過一個動筆繪圖的遊戲，藉此來了解數位影像的基本知識。圖一左是一張規則表，數字從0~255，每一個數字對應一種顏色，數字越小顏色就越黑，數字越大顏色就越白，由黑到白中間的數字則是不同深淺程度的灰色。如果我們按照圖一左的規則表將圖一右的數字塗色，就會看到一隻鳥。
如果我改用彩色筆來作畫的話，就需要另訂顏色的規則，如圖二左這個新的規則表，每個數字對應一種顏色，只要用這個規則，就可以畫出成圖二右這隻彩色的鳥。依據不同的顏色規則，可以畫出不同顏色的鳥，即使我們用的都是同一張數字表格。
如果想要更多一點的顏色，就需要更大張的顏色規則表，真實世界裡可以設計一張有1000 種顏色的規則表， 也就是103種顏色。但是電腦的世界是二進位的，一個位元（bit）只有0 與1，所以數位影像裡用的規則表， 顏色數量是2的n次方，就像256 色是28。那這回我們就用224種顏色 （16777216種）！由於顏色這麼多，因此要用特別的設計來表示它，理解它需要用到國中理化學到的知識——光的三原色。想像一下你手邊有紅綠藍3種顏色的手電筒，而這手電筒上有旋鈕可以讓你微調光線的強弱。你用一點點的紅光，加上一點點的綠光，就會組合出黃光；如果紅光再多一些，光就會看起來比較橘。如果3種光都開到最強，那麼白光就出現了，而3 種光都關起來，那就成了黑色。現在把我們的表格裡改成3組數字，依序代表紅、綠、藍三色光的亮度，由於紅、綠、藍三色各有256 種的亮度，所以就有256×256×256種組合。比方說，格子裡寫著（174 25 30），你就把紅光手電筒強度轉到174，綠光轉到25，藍光轉到30。
圖一與圖二其實就是數位影像顯示色彩的幾種方式。圖一情況只有灰階的256色，這種影像稱為「8-bit」影像，或稱為8 位元影像；彩色的256 色就是「8-bit Color」。而如果是用紅（Red）、綠（Green）、藍（Blue）3組數字組合，那就是24-bit，或稱為 24位元，在ImageJ裡的名字是「RGB Color」。 除此之外，也有「16-bit」、「32-bit」不同的類型，位元數愈高，能表現的色彩愈細緻。
圖一、圖二中的顏色規則表，在ImageJ 裡稱為LUT（Look Up Table）， 而在其他影像處理軟體可能被稱為調色盤。LUT 代表用來查資料的表，決定數字代表的顏色。而圖一和圖二中的每個格子就代表一個像素，剛看到的小鳥圖就相當於20×20個像素，也就是400像素的圖片。如果相機的規格是1200萬像素，拍下的影像可能是4000×3000 個像素。當影像用愈多像素來儲存，畫面就會愈細緻。但是像素越多就需要越多的儲存空間，因此儲存數位影像時需要進行壓縮來節省空間。
JPG 就是常見的一種壓縮影像的格式，它進行的是肉眼不易察覺的破壞性壓縮，相機的照片儲存也常用JPG 格式。破壞性壓縮雖然可以使檔案變小，但是會讓原有的資訊改變，也就是失真。各位可以嘗試透過 ImageJ 開啟一張圖片，再存成 JPG 檔。……【更多內容請閱讀科學月刊第569期】