2024年3月10日发(作者：上官曼彤)
平民科学家
福雷斯特·M·米姆斯三世
如何分析科研照片
数
码相机是我科研工作最重要的工具
之一
。
我用它们拍摄了数千张照
片
，
有曙暮辉
、
太阳光晕
、
云朵
、
年轮
、
昆虫
、
植物
、
细菌和霉菌菌落等
。
大多数照片都能一目了然
，
不必经过处理就
能够让我们明白它所表达的意思
。
但是如果希望
从照片中提取有用的数据的话又当如何呢
？
分析
照片不仅仅要描述
，
比如叶子的颜色或者日落的
亮度
，
还需要数字
。
数字时代以前
，
科学家只能凭借一种被称
为
“
光密度计
”
的仪器从照片中提取数据
。
透射
光密度计把胶卷每一点上的暗度
（
或密度
）
转化
为某种有意义的电压或信号
。
底片的一面受光
源照射曝光
，
透过的光线则被背面的感光器探测
到
。
当光源和探测器处于照片的同一侧时
，
照片
影像随之被数字化
。
尽管密度计量学方法至今仍用于从底片和照
片中提取数据
，
但如今底片和照片可以用一种新
的光密度计便捷地数字化
：
平板式扫描仪
。
数码
照片中的数据则是现成的
，
可以很方便地通过照
片处理软件加以分析
。
在过去，
ImageJ
：强大、不受平台限制
且免费的照片处理软件。
通过提取数据处理数码照片需要功能强大而
又昂贵的软件
，
高昂的价格使得许多学生和业余
科学家无法分析他们所拍摄的照片
。
1997
年
，
随着
ImageJ
这一款不受版权限制的
图像分析软件的问世
，
这一局面有了改观
。
该软
件由美国国立卫生研究院
（
NIH
）
的威恩
·
拉斯班
德研发
。
在该软件推出之后的
10
年内
，
它成了一
款功能强大
、
不受平台限制的照片分析软件包
，
可以运行在安装了
LINUX
、
苹果和视窗操作系统
的计算机上
。
我在安装了不同版本的视窗操作系
统上运行过
，
包括一台小型装有视窗
XP
操作系统
的宏
碁
Aspire One
型机
，
仅有
1 G
字节的内存
（
硬
盘容量为
160 GB
）。
28
爱上制作
1
ImageJ
不需要版权许可证
，
该程序和
JAVA
源
代码可在
ImageJ
的主页上免费下载
：
.
gov/ij/
。
运行
ImageJ
将与你电脑操作系统相对应的
ImageJ
版本下
载之后
，
选择并运行之
。
一个矩形的命令栏会
出现在你电脑屏幕的最上方
（
见图
A
）。
这一看
似微不足道但却功能强大的启动菜单是一套工具
栏
，
最上面一层是一组
8
个文本选项
，
下面是一
排指向菜单项的
19
个图标
，
也就是宏
，
这些图标
有的可以直接运行
，
有的则指向其他宏
。
无论程序运行在何种状态
，
ImageJ
的启动菜
单总是悬浮在屏幕上方边缘
。
你可以用鼠标将其
托动到屏幕的其他位置
。
如果工具栏消失了
，
只
需点击任务栏上的
ImageJ
图标即可恢复
。
应用
ImageJ
开展科学研究
让我们首先从分析一张数码相机拍摄的照片
开始吧
。
如图
B
所示
，
这张照片展现的是围绕太
阳的一圈光环
，
称为太阳光晕
。
我曾在之前的文
章中介绍过
，
太阳本身被遮光板挡住了
。
首先
，
选择文件
→
打开
，
选中一张照片
。
在
这里我们选择的是图
B
的
JPEG
格式图片
。
当照片
显示在屏幕上后
，
将其最大化
。
现在就可以着手
分析这张照片了
。
这张照片是在烈日当空时的万里晴空下拍
摄的
。
照片可以向我们展示空气中悬浮颗粒的浓
度
，
例如烟
、
尘以及薄雾
。
只需将鼠标移到照片
的不同位置
，
同时观察工具栏图标下面的
5
个数
字即可迅速了解浓度值
。
这
5
个数字的前两个指明了鼠标在照片中
的
X-Y
轴坐标值
。
后面的
3
个数字表明该位置上
红
、
绿
、
蓝
（
RGB
）
3
种波长的光的强度
，
范围从
0
～
255
不等
。
如果把鼠标移到黑色遮光板上
，
每
个
RGB
值都会降到
20
以下
。
把鼠标移到遮光板附
A
B
C
D
E
图A ImageJ的菜单窗口
图B 太阳光晕照片准备经过ImageJ的处理
图C 选定一块区域用于绘制曲线图
图D 图C所选择特定区域的光照强度曲线图
图E 受从非洲吹到德克萨斯的沙尘影响的太阳光晕强度
曲线图
近的天空
，
蓝色值会大大超过红色和绿色值
。
而
当鼠标移向照片边缘时
，
蓝色值最大
。
现在该是这款软件发挥作用的时候了
：
绘制
一张包含照片中心的蓝光强度分布图
。
首先
，
确
保
ImageJ
菜单栏显示在屏幕上
。
然后点击
－
拖动
摄
影
：
福
雷
斯
特
·
M
·
米
姆
斯
三
世
图
D
）。
图
D
中所绘制的太阳光晕曲线图是在晴天拍
摄的
。
图
E
所示的曲线图所反映的区域是在从非
洲吹到得克萨斯的撒哈拉沙尘大量出现的一天拍
摄的
。
这张照片明显不同于上一张照片
，
在曲线
图中也是如此
。
这些曲线图可以罗列数值
，
随后复制并粘贴
到电子表格程序中
，
如
Excel
或者是开放源代码软
件
Open O
2024年3月10日发(作者：上官曼彤)
平民科学家
福雷斯特·M·米姆斯三世
如何分析科研照片
数
码相机是我科研工作最重要的工具
之一
。
我用它们拍摄了数千张照
片
，
有曙暮辉
、
太阳光晕
、
云朵
、
年轮
、
昆虫
、
植物
、
细菌和霉菌菌落等
。
大多数照片都能一目了然
，
不必经过处理就
能够让我们明白它所表达的意思
。
但是如果希望
从照片中提取有用的数据的话又当如何呢
？
分析
照片不仅仅要描述
，
比如叶子的颜色或者日落的
亮度
，
还需要数字
。
数字时代以前
，
科学家只能凭借一种被称
为
“
光密度计
”
的仪器从照片中提取数据
。
透射
光密度计把胶卷每一点上的暗度
（
或密度
）
转化
为某种有意义的电压或信号
。
底片的一面受光
源照射曝光
，
透过的光线则被背面的感光器探测
到
。
当光源和探测器处于照片的同一侧时
，
照片
影像随之被数字化
。
尽管密度计量学方法至今仍用于从底片和照
片中提取数据
，
但如今底片和照片可以用一种新
的光密度计便捷地数字化
：
平板式扫描仪
。
数码
照片中的数据则是现成的
，
可以很方便地通过照
片处理软件加以分析
。
在过去，
ImageJ
：强大、不受平台限制
且免费的照片处理软件。
通过提取数据处理数码照片需要功能强大而
又昂贵的软件
，
高昂的价格使得许多学生和业余
科学家无法分析他们所拍摄的照片
。
1997
年
，
随着
ImageJ
这一款不受版权限制的
图像分析软件的问世
，
这一局面有了改观
。
该软
件由美国国立卫生研究院
（
NIH
）
的威恩
·
拉斯班
德研发
。
在该软件推出之后的
10
年内
，
它成了一
款功能强大
、
不受平台限制的照片分析软件包
，
可以运行在安装了
LINUX
、
苹果和视窗操作系统
的计算机上
。
我在安装了不同版本的视窗操作系
统上运行过
，
包括一台小型装有视窗
XP
操作系统
的宏
碁
Aspire One
型机
，
仅有
1 G
字节的内存
（
硬
盘容量为
160 GB
）。
28
爱上制作
1
ImageJ
不需要版权许可证
，
该程序和
JAVA
源
代码可在
ImageJ
的主页上免费下载
：
.
gov/ij/
。
运行
ImageJ
将与你电脑操作系统相对应的
ImageJ
版本下
载之后
，
选择并运行之
。
一个矩形的命令栏会
出现在你电脑屏幕的最上方
（
见图
A
）。
这一看
似微不足道但却功能强大的启动菜单是一套工具
栏
，
最上面一层是一组
8
个文本选项
，
下面是一
排指向菜单项的
19
个图标
，
也就是宏
，
这些图标
有的可以直接运行
，
有的则指向其他宏
。
无论程序运行在何种状态
，
ImageJ
的启动菜
单总是悬浮在屏幕上方边缘
。
你可以用鼠标将其
托动到屏幕的其他位置
。
如果工具栏消失了
，
只
需点击任务栏上的
ImageJ
图标即可恢复
。
应用
ImageJ
开展科学研究
让我们首先从分析一张数码相机拍摄的照片
开始吧
。
如图
B
所示
，
这张照片展现的是围绕太
阳的一圈光环
，
称为太阳光晕
。
我曾在之前的文
章中介绍过
，
太阳本身被遮光板挡住了
。
首先
，
选择文件
→
打开
，
选中一张照片
。
在
这里我们选择的是图
B
的
JPEG
格式图片
。
当照片
显示在屏幕上后
，
将其最大化
。
现在就可以着手
分析这张照片了
。
这张照片是在烈日当空时的万里晴空下拍
摄的
。
照片可以向我们展示空气中悬浮颗粒的浓
度
，
例如烟
、
尘以及薄雾
。
只需将鼠标移到照片
的不同位置
，
同时观察工具栏图标下面的
5
个数
字即可迅速了解浓度值
。
这
5
个数字的前两个指明了鼠标在照片中
的
X-Y
轴坐标值
。
后面的
3
个数字表明该位置上
红
、
绿
、
蓝
（
RGB
）
3
种波长的光的强度
，
范围从
0
～
255
不等
。
如果把鼠标移到黑色遮光板上
，
每
个
RGB
值都会降到
20
以下
。
把鼠标移到遮光板附
A
B
C
D
E
图A ImageJ的菜单窗口
图B 太阳光晕照片准备经过ImageJ的处理
图C 选定一块区域用于绘制曲线图
图D 图C所选择特定区域的光照强度曲线图
图E 受从非洲吹到德克萨斯的沙尘影响的太阳光晕强度
曲线图
近的天空
，
蓝色值会大大超过红色和绿色值
。
而
当鼠标移向照片边缘时
，
蓝色值最大
。
现在该是这款软件发挥作用的时候了
：
绘制
一张包含照片中心的蓝光强度分布图
。
首先
，
确
保
ImageJ
菜单栏显示在屏幕上
。
然后点击
－
拖动
摄
影
：
福
雷
斯
特
·
M
·
米
姆
斯
三
世
图
D
）。
图
D
中所绘制的太阳光晕曲线图是在晴天拍
摄的
。
图
E
所示的曲线图所反映的区域是在从非
洲吹到得克萨斯的撒哈拉沙尘大量出现的一天拍
摄的
。
这张照片明显不同于上一张照片
，
在曲线
图中也是如此
。
这些曲线图可以罗列数值
，
随后复制并粘贴
到电子表格程序中
，
如
Excel
或者是开放源代码软
件
Open O