色空間

  • 色空間(Color Space,カラースペース):
 色を立体的に記述できる空間のこと。
 色を秩序立てて配列する形式であり、色を座標で指示できる。
 色の構成方法は多様であり、色空間は3種類か4種類の数値を組み合わせて記述することが多い。
 色空間が数値による場合、その変数はチャンネルと呼ばれる。
 各色空間を説明するための幾何形体のこと。
 色空間の形状は、それぞれ円柱・多角柱・円錐・多角錐・球などの幾何形体として説明され、多様である。
  • 色域:
 色空間が表現できる色の範囲のこと。

  • 均等色空間(Uniform Color Space):
 色空間上での距離・間隔が、知覚的な色の距離・間隔に類似するよう設計されている空間のこと。
 色の物理的な差異よりも、人間の知覚上での差異に主眼を置いた色空間のこと。

  • 表色系:
 心理的概念あるいは心理物理的概念に従い、色を定量的に表す体系のこと。
 通常は、3つの方向性を具える空間で表現され、色空間を構成する。
  • 混色系(Color Mixing System):
 色を心理物理量と捉え色刺激の特性によって表す表色系のこと。
 数値として伝達する場合に適している。
 代表例)XYZ表色系
  • 顕色系(Color Appearance System):
 色を色の3つの特徴に従って配列して、その間隔を調整し整合性を高め、尺度と共に差し出す表色系のこと。
 代表例)マンセル表色系,NCS

加法混色:
スペクトル:
減法混色:

 色の具現化のガイドが厳格な色体系は、色を直接作り出す場面で用いられることが多く、そうでない色空間は、色を情報として伝達する場面で用いられること場合が多い。
 数学的には3つの変数があれば、すべての色を表現できると言える。
 すべての色を表示できる必要がない状況や、そのほか実用の便宜のために、2変数以下、あるいは4変数以上を用いる色空間もある。
 変数の取り方もさまざまなものがあり、目的に応じて多種多様な規格が存在する。

 計算によってある色空間から別の色空間への変換は行えるが、変換後の色空間で表現できない色の情報は失われてしまう。
 計算はふつう不完全である。
 色を扱うにあたっては、なるべく色空間を統一して作業することが求められる。
 色空間にはカラープロファイルとして記録可能な色空間 (RGB, RGBA, YCbCr, CMYK, Lab color) と記録できない色空間がある。

  • CIE表色系:
 CIE(国際照明委員会)が定める表色系。

  • RGB表色系:
  • CIE RGB表色系:
 CIExy色度図原色をR(赤:700nm),G(緑:546.1nm),B(青、435.8nm)とする表色系。
  • XYZ表色系:
 RGB表色系は色知覚のよい近似であるが、知覚できる色を完全に合成できるわけではない。
 例えば、レーザー光などにみられる単一波長の色はRGB色空間の外側であって、加色によって再現することができない。
 この問題は、RGBの係数に負の値を許可することによって色空間を拡張すれば表現することができるが、取り扱いに不便である。
 RGB表色系を単純な一次変換で負の値が現れないように定めたXYZ表色系を、CIEは1931年にRGB表色系と同時に定めた。
 XYZ表色系は他のCIE表色系の基礎となる。
 RGB表色系と異なりXYZ表色系では、それぞれの数値と色彩との関連がわかりにくい。
 Yは明度を表し、Zはおおむね青みの度合いを表すと考えてよい。Xは、それら以外の要素を含むと考えられる。
  • xyY表色系:
 XYZ表色系では数値と色の関連がわかりにくい。
 XYZ表色系から絶対的な色合いを表現するためのxyY表色系が考案された。
 YはXYZのYをそのまま使う。
 このxとyを色度座標と呼び、すべての色はxとyによる2次元平面、および明度を示すYで表現できる。
 xyYからXYZに変換することもできる。
  • L*u*v*表色系:
 CIEが1976年に定めた均等色空間のひとつ。
 CIE LUVは光の波長を基礎に考案されたもので、XYZ表色系のxy色度図の波長間隔の均等性を改善したものである。
  • L*a*b*表色系:
 CIE L*a*b*はXYZから、知覚と装置の違いによる色差を測定するために派生した。
 L*はBrightness(明度)を意味する。
 均等色空間である。
 ある色と他の色の色差を知るには、L*軸、a*軸、b*軸の差をそれぞれ二乗したものの和の平方根を(つまり、2つの座標の距離を)求めればよい。
 CIE 1976 L*a*b*はCIE XYZを直接の基礎として、色差の知覚の線形化を試みている。
 L*、a*、b*の非直線関係は、目の対数的な感応性の模倣を目的としている。
 色情報は、色区間の白色点nの色を参照する。
  • L*u*vやL*a*b*から派生して、計算の便宜を図った妥協的(実用的)な均等色空間がいくつか存在する


  • マンセル表色系:
 色相、明度、彩度の3属性を用いて色を表す。
 マンセル表色系が心理的考察に基づいている。
  • オストワルト表色系
 オストワルト表色系は心理物理学的考察に基づいている。
  • NCS(Natural Color System)
 ヘリングの反対色説の系譜にある表色系。
 一般の人間の素朴な色の知覚を表現した表色系。
 純色量、白色量、黒色量によって色を指定する。
 これを人間の感覚判断に委ねることがNCSの特徴であると言える。
 色票系(color order system)としてはNCSカラーアトラスがある。
  • DIN表色系:
 均等色空間の実現を目指した表色系。
 色票集も刊行されている。
 色は色相、明度、飽和度で表現される。
 ヘリングの反対色説に則るが、色相は黄から始まる。

  • RGB:
 加法混色を表現するのに使われる。
 それぞれ赤 (red) 緑 (green) 青 (blue) の頭文字である。
 光の三原色であり、数値を増すごとに白に近づく。
 反対に、数値を減らすごとに黒くなる。
 コンピュータのモニタで用いられる。
 視覚上では、色は光の三原色に近い、3波長に対応した網膜の錐体細胞が受け取って知覚される。
 これには若干の個人差があり、また実際問題として純粋な3波長を用意することが難しい場合が多いため、加法混色系の色空間にはさまざまな種類のものがある。
 さまざまな表色系が存在するが、それぞれの表色系ごとに、赤・緑・青の基準が定められている。
  • RGV:
  • RG:
  • RGK:
  • sRGB/AdobeRGB:
 基準となっている平面はxyY色空間で、全ての色空間を包摂できる。
 xyYは均等色空間ではないため、面積の大きさが知覚上での色の多様さとは直接対応しない。
 RGB色空間に関する規格として、「sRGB (standard RGB)」と「AdobeRGB」の2種類がある。
  • sRGB:
 国際電気標準会議 (IEC) が定めた国際標準規格。
 一般的なモニタ、プリンタ、デジタルカメラなどではこの規格に準拠。
 互いの機器をsRGBに則った色調整を行なう事で、入力時と出力時の色の差異を少なくする事が可能になる。
  • AdobeRGB:
 Adobe Systemsによって提唱された色空間の定義。
 sRGBよりも遥かに広い(特に緑が広い)RGB色再現領域を持ち、印刷や色校正などでの適合性が高く、DTPなどの分野では標準的に使用されている。
 近年の技術向上によって、家庭用製品にもAdobeRGB色空間を用いるものが徐々にでてきている。
 プリンタにおいては、多色印刷を行うことによってAdobeRGBに迫っている。
 モニタにおいては、液晶ディスプレイでは冷陰極管とカラーフィルタの組み合わせで高彩度を得ることが技術的に難しいことと、JPEGなど一般的な画像ファイルがsRGBを想定しているためsRGBが再現できれば十分という考え方も重なって、sRGBどまりとなっているものが多い。

 sRGBでは24bitで十分だが、AdobeRGBやそれ以上の色空間を再現した場合、24bitでは諧調が不足している(グラデーションが滑らかに見えない)という指摘もある。
 そのため、ハイエンドディスプレイでは各色あたり10bitや12bit、さらにそれ以上を表現可能なものもある。
  • RGBA
 RGBAはRGBの色空間に加えて、アルファチャンネルも色決定に考慮させる。
 透過(透明度)を表現するものである(厳密にはこれは色空間ではない)。

  • CMY:
 CMYは印刷の過程で利用する減法混色の表現法。
 絵具の三原色。基本色は白で、それに色の度合いを加えて、黒色にしていく。
 始めは白いキャンバスから始め、インクを加えて暗くしていく(反射光を減らす、すなわち減法)ということ。
 シアン(cyan)、マゼンタ (magenta)、イエロー (yellow) インクの数値が含まれている。
  • CMYK:
 理論上、CMYをすべて均等に混ぜると黒色になるが、インクや紙の特性上、CMYのインクを混ぜて綺麗な黒色を作るのは技術的に困難であり、通常はすべてを混ぜても濁った茶色にしかならない。
 黒(Key plate)の発色をよくするために別途黒インクを用いるようになったのがCMYKである。
 キー・プレート (key plate) とは画像の輪郭など細部を示すために用いられた印刷板のことであり、通常黒インクのみが用いられた。
 Kは"blacK"の略とされることが多いが、これは俗説で本来誤りである。
 日本の印刷業界では黒インクを「スミ(墨)」と呼ぶことがある。
 印刷物では、黒は文字などで多用されるため、インクの節約にもなるので、現在ではもっとも使われている。
  • CMK:
 CMKは印刷の過程で利用する減法混色の表現法で、絵具の三原色からイエロー (yellow) を除いた表現である。
 シアン (cyan)、マゼンタ (magenta)、そして黒 (black) のインクの数値が含まれている。
 一般的にイエローの使用頻度が少なく、CMKだけで十分表現可能であり、印刷コストも下がることからチラシなど低価格印刷物に利用されている。

  • HSV(HSB):
 色を色相(色味)と彩度という観点から考える場合、加法混色や減法混色よりも自然だからである。
 色相 (hue)、彩度 (saturation value)、明度 (value) が含まれている。
  • HLS(HSL,HSI):
 色相 (hue)、彩度 (saturation)、輝度 (luminance) よりなる、HSVに近い表現法である。
 明度と輝度との違いは値の算出方法である。
 明度がrgb各色のビットを足して単純に3で割ったものであるのに対し、輝度は下に書かれているように各色の重み付けが違う。
 (比率 赤:0.29891 緑:0.58661 青:0.11448) 明度より輝度の方がより人間の目から見た場合の明るさに近いと言われる。

  • YIQ
 YIQは、NTSC信号を得る前段階で使用されるコンポーネント信号である。
 現在使用されている色差コンポーネント信号のクロマ成分(Cb,Cr)に対して33°回転した色相となり、I軸とQ軸は直交する。
 YIQが使用される背景には、人間の目がI軸(オレンジ-ライトブルー間)の変化には比較的敏感であるのに対して、Q軸(青紫-黄緑間)の変化には鈍感である性質を利用して、NTSC信号の伝送帯域を少しでも狭めようという意図があった。
 Y、I、Qに対する人間の目の分解能比は4:1:0.5と評価されており、RGB4:4:4信号をYIQ4:1:0.5に変換することで、人間の目には劣化が感じられないものの、電気的には確実に情報量を減らした信号を得ることができる。
 ビデオ機器はこのYIQ信号を直角二相変調することで、NTSC信号を作り出している。

 欧州を中心に使用されているPAL信号の生成には、クロマ信号としてIQ成分の代わりにUV成分が使われているが、これは現在使用されているCb,Cr(あるいはPb,Pr)成分に近いものであり、IQ信号とは色相が異なる。
  • YCbCr / YPbPr
 輝度信号Yと、2つの色差信号(Cb,Cr)を使って表現される色空間。
 Cb(Pb)はB信号から輝度Yを差し引いた(B-Y)に特定の定数を掛けた値であり、 同じくCr(Pr)はR信号から輝度Yを差し引いた(R-Y)に特定の定数を掛けた値である。
 Adobe社のPhotoshopではこれと似た形式をL*a*b* (Luminescence alpha beta) カラーとして扱っている。
 YUVと表記される例を見かけるが、YUVはPAL信号を得るためのコンポーネント信号であり、Cb,Cr(Pb,Pr)とは似ていながらも異なる。

Cb,CrとPb,Prの使い分けについて、

1.(B-Y),(R-Y)に特定の定数を掛けたアナログ信号にCb,Crを用い、デジタル化された数値にはPb,Prを使う。
2.アナログ、デジタルを問わず、SD映像用の色差コンポーネント成分にはCb,Crを、HD映像用の色差コンポーネント成分にはPb,Prを使う。
の2説があり、明確には統一されていない。 一般的なビデオ機器には後者が採用されているようである。GBR成分からのカラーマトリックスがSD用とHD用で異なることを考慮すると、後者の使い方が望ましいと考えられる。

 YCbCr信号の伝送には、業務用ビデオ機器のアナログ伝送の場合は、BNC端子(ケーブル)で接続された3本の信号線を用いる。デジタル伝送ではBNC端子で接続される1本のケーブルを用いるSDIか、パラレルインターフェースを用いる。 家庭用ビデオ機器では、アナログ信号の場合、RCA端子(ケーブル)で接続された3本の信号線を用いるか、ケーブルをまとめたD端子ケーブルを用いる。デジタル伝送では、IEEE-1394やHDMIを用いる。
 コンポジット端子やS端子から伝送されるNTSC信号は、輝度,色相,彩度の成分を持っており、色差コンポーネント信号とは根本的に異なる。

 YCbCrで帯域を減らす際に、色差成分を間引く方法も併せて使用される。
 人間の目は色の変化よりも明るさの変化に敏感なので、色差成分を減らしても不自然だと感じにくいためである。
最終更新:2010年10月31日 21:18
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