比色加法色空間

今日は色についてお話します。







これは、私の比色エンジンのプロトタイプを使用してsRGB色空間で構築された可視光スペクトルです。 ナノメートル単位の波長は以下のとおりです。 現在のインターネットの標準となっているのは、大部分のディスプレイでサポートされているsRGBスペースです。 しかし、実際には、その色域は小さい（目に見える色のわずか36％）; 緑色の色合いが非常に不十分です。 このため、表示されるスペクトルには灰色の背景が重ねられ、標準のモニターで表示できる色の彩度に低下します。 色の形成の根底にある同じパターンと、デジタルテクノロジーで色がどのように表現されるかについて、この記事で説明します。

カラー画像を作成する

カラー画像には3つの色成分が含まれることはよく知られています。 カラー写真の夜明け、カラーフィルムが登場する前でさえ、ロシアの写真家S. M.プロクディンゴルスキーは赤、緑、青のフィルターを使用して連続して撮影した3つの露出を組み合わせ、かなり信頼できる色で素晴らしい写真が得られました。 その後、3層のフォトエマルジョンが着色フィルムに使用されるようになりました。 カラーテレビの出現により、白ではなく赤、緑、または青の光を放出する電子が衝突したときに、テレビ画面で3つの異なる蛍光体のラスターが使用されました。 各色の適切な量を選択すると、他のすべての色を取得できます-これは、いわゆる加法混色モデルです。 印刷で使用される減法モデルをそのままにしておきましょう。 また、カラーテレビのアナログ信号伝送の機能については触れません。



ここでのキーワードは付加的です。 つまり、色は3つの主要なコンポーネントを追加することで正確に作成されます。 しかし、これらの原色は何ですか？ 彼らの選択は異なる目標を追求することができます。 数学的な抽象化の場合、これらの色は物理的に不可能な場合もあります。 テレビでは、それらは適用される蛍光体の特性によって決定されました。 発する色が主なものです。 蛍光体の各タイプは、独自の発光スペクトルによって特徴付けられます。 これらは純粋な単色とはほど遠いですが、それらのスペクトル帯域は、人生で遭遇するほとんどの色を再現できるほど十分に狭いです。



液晶がバックライト（バックライト）からの「過剰な」エネルギーを吸収し、白から目的の色が得られ、特別なフィルターが不要なスペクトル成分を吸収して赤になるという事実にもかかわらず、加法混色モデルはLCDディスプレイにも有効です。緑または青のサブピクセル：

比色分析の概要

技術的な手段による色の人間の知覚と伝達の詳細は、比色分析の科学です。 17世紀初頭、アイザックニュートンはプリズムを使用して白色光をスペクトルに分解し、各色が多くの基本色の合計であることを示しました。 将来、可視光のスペクトルの連続性にもかかわらず、3つの原色だけで十分な最小値になることが明らかになりました。 事実は、通常の人間の視覚は三色です-3種類の錐体によって形成されるすべての高等霊長類のように（研究に不十分な研究の中視状態を考慮せず、ロッドが含まれている場合）。 ほとんどの哺乳類には2種類のコーン（猫と犬を含む）があり、多くの種の動物は4匹を誇り、5匹は鳩で発見されています！



光感受性網膜細胞は、光の波長の関数である異なる感度曲線を持っています。 コーンのタイプは、 L 、 M 、 Sの文字で示されます（英語のlong、medium、shortから）。 各波長に対する標準化された感度は次のようになります。







コーンの各タイプの励起レベルを原色として使用するのは自然でしょう？ この色空間はLMSと呼ばれます。 困難なのは、すべての種類の異常はもちろんのこと、通常の色覚であっても、上記の感度曲線が各人でわずかに異なることです。 さらに、グラフから容易にわかるように、1種類の円錐のみを選択的に励起するような光刺激はありません。 これは、RGBセルのみを含むデジタルカメラセンサーのベイヤーフィルターではありません！ タイプLまたはSのコーンでキャプチャされた光は、タイプMのコーンである程度知覚されます。この点で、LMSシステムには多数の不可能な色が含まれており、視覚障害のモデリングには不可欠ですが、L = MまたはM = Lは、色覚異常を確実にシミュレートします。



1931年、 CIE XYZ色空間が実験的に作成され、物理的に再現可能なすべての色に便利に対応しました。 CIE-フランス語では、「補償に関する国際委員会」（国際委員会委員会）。 今日まで、彼女が開発した空間は、sRGBを含む業界で使用されている色空間の参照システムとして機能しています。 コンポーネントYは、実際に目に知覚される明るさです。これにより、 xyYの表現も広がります 。xとy （小文字）は、X + Y + Zの合計に対するXとYの値にすぎません。明るさに依存し、0.0〜1.0の範囲にあり、色のみを決定します。 したがって、明るさと色を別々に操作できます。これは場合によっては非常に便利です。







これがCIE XYZカラーチャートです。 空間xyYを参照すると、ここでの水平座標は、 x座標、垂直軸yになります。 x + yを1より大きくすることはできないため、ダイアグラムは三角形になります。そうでない場合、 Zは負になります。 三角形のピラミッド（傾斜した正三角形）の底辺を見ており、z軸が私たちを直接「見ている」と想像できます。 しかし、この三角形内でも、色のかなりの部分は想像上のものであり、0.05セルで塗りつぶされています。 私たちはその図に興味を持っています。その図の中には、すべての物理的に実現可能な色があります。 馬蹄形のボーダーは、紫から赤まで、すべて単色です。 この形式の理由は、スペクトル色の視覚認識の性質です。



紫と赤を結ぶ一番下の線は、いわゆるマゼンタ線です（私の図では正確に位置していません）。 この行には、単色ではないが、最大の彩度を持つ色が含まれています。 このような色を得るのは困難です。可視スペクトルの端に立つ2つの単色を混合する必要があり、そのような光に対する目の感度は非常に小さいです。 実際、この線に漸近的に近づくことしかできません。



図のドットは、3つの主要なsRGBカラーと、6500 Kの色温度に対応する白色を示しています（これも重要です）。 原色の三角形の外側のすべての色は、このスペースでは表示できず、おおよそ表示できません。 しかし、アクセスできないターコイズの色合いの巨大な領域と混同しないでください-色の視覚的な違いはダイアグラム全体に均等に分散されておらず、この領域では色の違いは大きすぎません（MacAdamのGoogle楕円）。 ところで、色のニュアンスの知覚にそのような不均一性が存在すると、比色分析で2つの色の違いの程度を正確に測定することが特に難しくなります。 単純なユークリッドメトリックはここではできません！

色空間間の変換

XYZ空間で直接、「想像上の」色が出現する傾向があるため、作業が困難です。これは物理的に取得することはできません。 XYZ空間では、ビジョンの一部の機能が考慮されていません。 さらに、多数の想像上の色は、ビットグリッドのビットを無駄にしていることを意味します。 上記のカラーチャートを見ると、そのかなりの部分がそのような不可能な色で占められていることがわかります。 理論的には、網膜の細胞に直接作用しているように見えますが、これはディスプレイ技術の範囲を超えています。 しかし、良いニュースがあります：広い範囲の明るさでの目の色知覚は線形であり、任意の線形色空間では、R、G、Bの各値はX、Y、Zの線形結合になります。したがって、線形代数法を使用して、通常の3x3マトリックスを使用して、あるスペースから別のスペースへ！



注意、質問は次のとおりです。理論的に可能な範囲の100％を占める色域を持つディスプレイを作成する方法は？ 目に見える色の領域のこのような複雑な形状により、 物理的に可能な3つの原色だけですべての可能な色を空間に表示することは不可能です-ダイアグラム上では常に三角形の形状になります。 想像上の色では、すべてがシンプルになりますが、想像上の色は数学的な抽象化であり、画面上でそれらを作成することはできません。 実際、単色の原色に切り替えた後、デバイスの色域をさらに拡大する唯一の方法は、これらの同じ色の数を増やすことです。 3つ以上の原色を適用して、完全に任意のスペクトルで発光する個々のピクセルの能力まで、ハイパースペクトル色空間を作成しますが、そのようなディスプレイは作成されていません（3色の可能性もまだ実現されていないため）。 ハイパースペクトル画像は、測色とは関係のない衛星画像の科学的目的にのみ使用されます。



目に見えるすべての色を伝える比較的成功した試みは、CIE L * a * b *モデル（アスタリスクのないハンターラボモデルには大きな違いがあり、あまり一般的ではありません）でした.XYZ空間は、非線形（立方根を含む）関数によって主観的な色を反映するものに変換されました軸に沿った感覚は黄青と赤緑です。 ただし、加法カラーモデルで使用するには、スペースが線形でなければなりません。



ここで、実際の色空間（プロファイル）は原色と白色点だけでなく、ガンマ補正曲線（伝達関数）によっても特徴付けられ、その特異性は測光の分野にあることに注意する必要があります。 各番号に8ビットのみが割り当てられている場合（24ビットカラーなど）、これらのビットを最大限に使用する必要があります。 ガンマ補正の主なタスクは、ビットグリッドの使用を最適化し、信号の量子化をそれほど目立たなくするために、知覚される明るさの変化に従って256の可能な階調すべてを均等に分散することです。 0から255までの線形で測光的に正確なスケールでは、暗い領域に顕著なステップがあります。 伝達関数として何を適用できますか？ 主な要件は、関数が入力値の範囲全体にわたって単調に成長することです。これにより、全単射になり、ある値と別の値が明確に一致します。つまり、逆変換が可能になります。 形式の通常のべき関数 $$$V _ {\ text {out}} = {V _ {\ text {out}}} ^ {\ gamma}$ 、ここでγ-およびガンマ補正のインジケータがあります。 元の数を復元するには、次数を1 /γに置き換えるだけで十分です。 伝達関数により、実際に使用される色空間はほとんどの場合非線形です。



最初に、ガンマ曲線は、変調電圧の変化に対する蛍光体の応答の性質も反映していました（CRTモニターのガンマは自然な形で2.2でした）。 さらに、色に関するすべての操作は、線形表現でのみ実行する必要があります。 コンピューティングリソースを節約するために、ゲームとインターフェイスはガンマカーブを考慮せずに半透明のサーフェスを描画する場合があります（最近のHDRの前の時代では、これは普遍的な現象でした）が、これは著しく歪んだ結果につながります。 したがって、すべての比色変換の前に、rgb値は必ず線形スケールに返されます。



その後、CIE XYZスペースは、異なるカラープロファイル間の変換の媒介として機能します。 したがって、1つのRGB空間から別のRGB空間への色の変換は、4つの簡単な手順で行われます。

1. ソースRGB表現からリニアRGB（ガンマ拡張）への移行
2. 線形RGBから線形XYZへの移行
3. 線形XYZから新しいR'G'B 'スペースへの移行
4. ガンマ補正-最終色空間の線形R'G'B 'からr'g'b'への移行（ガンマ圧縮）

線形代数のプロパティを使用して、中央の2つのステージは、マトリックスを乗算するだけで簡単に組み合わせることができます。 RGBに加えて、他の多くのカラーモデルがありますが、単純な線形変換を使用してXYZから取得することはできません。

白い点について

写真やビデオを撮影するときのホワイトバランスの設定はよく知っています。 表示される色は、光がプロットをどのように照らすかに直接依存します。 しかし、私たちの知覚は、ある程度、この効果を補うことができ、電子デバイスは、照明によってもたらされる色とともに、全世界をそのまま知覚します。 すべては問題ありませんが、後処理、コントラスト、彩度、およびその他の「改善」を増やした後、色がゆがみ、印刷するとホワイトバランスの強い変化が悪くなります。 キャンドルの炎と青い空の光では、オブジェクトのスペクトルが大きく異なるため、オブジェクトの外観は大きく異なります。 同様に、モニター画面で再現されるすべての色は、原色の選択だけでなく、最大輝度で撮影された3色すべてを追加した後の白色の色相にも依存します。 どこかで黄色くなり、どこかではっきりと青みが出たり、緑がかったりすることがあります。 これは、計算で考慮する必要があるホワイトポイントです。 したがって、白色点は色空間の不可欠な特性ですが、成分R、G、Bを単純にスケーリングすることで変更できます。



完全に均一なスペクトルを持つ光、つまり、同じエネルギーを含むすべての波長（数学ではこのスペクトルはホワイトノイズと呼ばれます）は、白く見えず、通常の昼光に比べて茶色がかったピンクになります。 実際には、完全に黒体（黒体）からの熱放射があり、そのスペクトルは常に特定の波長でピークを持ち、これは温度に依存し、両方向で徐々に減少します。 物理学の法則によれば、物体が高温になるほど、その放射のピークはスペクトルの紫色の領域に移動します。



もちろん、現実の物体はすべての光を吸収せず、完全に黒ではありませんが、このモデルは正常に適用され、任意の吸収スペクトルに合わせて調整されます。 「絶対に白い」体は、原則として何も放射できません。 室温の物体は遠赤外線のみを放射し、800 Kの温度の物体はほとんど赤く光り始めず、黄色のフィラメントは2800 Kまで加熱され（赤外線は依然としてスペクトル内に広がります）、太陽の表面は有効温度が5778 Kで、最高温度なのでほぼ白色です放射線は可視領域に移動しました。 無限に高い温度の仮想体は青く光ります：







多くのさまざまな光源が人間によって作成され、非常に異なるスペクトルを持ち、しばしば黒体の放射とは視覚的に完全に異なります。 混乱を避けるために、標準的な光源が導入されました。これには、ビタミンと同様に文字が指定されていました。 そのため、白色点D65は、この空間の白色の色温度が6500 Kであることを意味します。これは、散乱日光の典型的なものです。 これは、今日のディスプレイで最も一般的に使用される値です。 他の標準ソースは次のとおりです。

イルミナントa

2856 Kの色温度を持つ最も一般的な白熱灯の光。

イルミネーションb

これは、色温度が4874 Kの直射日光シミュレーターでした。Dシリーズの登場により、時代遅れと認識されました。

光源c

温度が6774 Kの昼光シミュレータ。これも旧式で、D65に置き換えられました。

Dシリーズ

さまざまな種類の日光。 数値は色温度を数百ケルビン単位で示します。 正規のソースはD50、D55、D65、およびD75です。D93を見つけることもできます。

イルミネーションe

Eは等しいエネルギーを意味します。 フラットスペクトルの同じグレーブラウンラズベリーソース。

Fシリーズ

蛍光という言葉から。 F1からF12までの光源は、かなり支配的なスペクトルを持つさまざまな蛍光灯に対応しています。

Lシリーズ

私たちが愛するLEDを含む標準ソースのリストはまだ公開されていません。

一般的なRGBカラースペースの概要

CIE RGB

1920年代の実験中に取得されたこのスペースは、CIE XYZの基盤として機能しました。 原色は純粋なスペクトル-700 nm（またはそれ以上）、546 nm、436 nmです。 白色点は光源Eと見なされます。この標準はガンマ補正に影響しません。 図では、カバレッジは赤から緑の領域で優れているように見えますが、これは青とターコイズの色合いとは言えません-結局、436 nmの長さの光はすでにほぼ紫です。

ITU-R BT.709

この規格は、高解像度テレビ（HDTV）での使用に採用されています。 そして、sRGB空間が基づいているのはまさにそれです。 原色は、受像管の蛍光体の色です。 その結果、現在の消費者レベルのモニターは、そのようなRGBを適切に再現できます。 目に見える花の36％を覆っています。 ここの緑は特に緑ではなく、ライムで、赤はそれほど大きくありません。 しかし、陰極線管はかなり良い青でした。 基準白は通常D65です。



ガンマ補正率は2.2であると考えられていますが、平均では、伝達関数の黒の近くに小さな線形セクションが作成されます（黒点での微分破壊を回避するため）。これは常に記憶されているわけではありません。

Adobe RGB '98

緑色が変更された同じsRGB。これにより、緑色の陰影の転送が大幅に改善され、L * a * b *のカバレッジが52％になりました。 さらに、シャドウのガンマの愚かな線形部分が削除され、そのインジケーターはどこでも2.2になります。 このスペースでは、高価なプロのモニターが機能します。 ただし、ここでは実際の赤は見えません。 写真で広く使用されており、通常は一眼レフカメラでサポートされています。

Adobe Wide Gamut RGB

Adobe Systemsによって設計された、真に広い色域。 700 nm、525 nm、450 nmの純スペクトル原色が導入されました。 線形セクションのない2.2のガンマがあります。 ホワイトポイントはD50になりました。 色域は実に非常に広く（結局78％）、プレーンな青色のsRGB色のみがわずかに有害なバリを残してまだ突出しています。

ProPhoto RGB

名前から推測できるように、写真を扱うためにKodakによって開発されました。 非常に広い色域ですが、緑と青は虚数です。 ホワイトポイントD50。 ガンマインデックスは約1.8で、値の低い範囲に線形セクションがあります。

ITU-R BT.2020

Rec。とも呼ばれます 2020.この規格は、将来の超高精細度テレビシステム（UHDTV）に推奨され、徐々に実装されています。 原色は単色に置き換えられます-630 nm、532 nm、および467 nmの波長のレーザーの色。 Adobe Wide Gamut RGBとは異なり、sRGBスペース全体がここに完全に収まります。 ガンマ曲線はsRGBと同じですが、白もD65です。 新しい記録 2100では、広いダイナミックレンジを持つ画像に対してさらに2つの伝達関数が導入されています。

おわりに

明らかな進歩にもかかわらず、ほとんどの最新ディスプレイの色域はまだ理論的な限界からかなり遠いです。 今後数年間で、OLEDとレーザー投影を使用した広色域ディスプレイが期待されています。 測色では、まだ多くの未解決の問題があります。 私たちの夜と昼の視力の相互作用の特徴、色知覚の個人差はほとんど理解されていません。 一部の人々は四色覚者である可能性があります。 そして、人が目のレンズを取り外すと、彼は近紫外光を白青として見始めます。



HDRディスプレイの登場により、映画やゲームの没入感が強まり、ダイナミックシーンはさらにエキサイティングで本物になりますが、ハイブリッドログガンマやPerceptual Quantizerなどの新しい伝達関数を使用して、拡張されたダイナミックを同じ256レベルに適合させる必要があります範囲。 BT.2100では、これらの拡張機能を標準化することを推奨しています。



Recに似た色空間を開発しました。 2020年、単色の原色を使用し、D65ホワイトポイントの広い色域を提供するために特別に選択されました。 さらに、ガンマ値2.0を使用しました。 このような色域の使用は、RGBの線形表現を取得するために、色成分を単純に2乗する必要があることを意味し、色の精度を維持しながら計算を大幅に簡素化します。 これには物理的な意味もあります。信号の振幅はパワーの2乗に比例し、この場合のrgb値は振幅をエンコードするだけです。 HDR画像の代替として、指数関数的特性を備えた完全対数伝達関数を試しています。これにより、ライティングの計算時に乗算を加算に置き換えることができます。