色空間

カラースペースとは、特定の色体系のことです。様々な物理デバイスでサポートされているカラープロファイルと組み合わせることで、アナログ表現であろうとデジタル表現であろうと、再現可能な色表現を可能にします。カラースペースは、物理的に実現された色を対応する色名（例えば、Pantoneコレクションの離散的な数値を含む）を持つ一連の物理的なカラースウォッチに割り当てるなど、任意のものもあれば、数学的に厳密に構造化されたもの（NCSシステム、Adobe RGB、sRGBなど）もあります。「カラースペース」は、特定のデバイスやデジタルファイルの色再現能力を理解するための有用な概念ツールです。別のデバイスで色を再現しようとする場合、カラースペースによって、シャドウ/ハイライトのディテールや色の彩度が維持できるかどうか、またどの程度損なわれるかが分かります。   

「カラーモデル」とは、色を数値の組（例えば、 RGBでは 3 組、 CMYKでは 4 組）として表現する方法を記述する抽象的な数学モデルです。ただし、絶対色空間へのマッピング関数が関連付けられていないカラーモデルは、世界的に理解されている色解釈システムとは何の関係もない、多かれ少なかれ恣意的な色システムです。カラーモデルと参照色空間の間に特定のマッピング関数を追加すると、参照色空間内に明確な「フットプリント」（色域）が確立され、特定のカラーモデルに対して、これが色空間を定義します。例えば、Adobe RGB と sRGB は、どちらも RGB カラーモデルに基づいた 2 つの異なる絶対色空間です。色空間を定義する際の一般的な参照標準はCIELABまたはCIEXYZ色空間で、これらは平均的な人間が見ることができるすべての色を網羅するように特別に設計されています。^{[ 1 ]}

「カラースペース」とは、カラーモデルとマッピング関数の特定の組み合わせを指すため、非公式にはカラーモデルを指す言葉として使われることが多い。しかし、カラースペースを特定すれば関連するカラーモデルも自動的に特定されるとはいえ、厳密に言えばこの用法は誤りである。例えば、いくつかの特定のカラースペースはRGBカラーモデルに基づいているが、単一のRGBカラースペースというものは存在しない。

1802年、トーマス・ヤングは、眼の中に3種類の光受容体（現在では錐体細胞として知られている）が存在し、それぞれが特定の可視光の範囲に敏感であると仮定した。 ^{[ 2 ]}ヘルマン・フォン・ヘルムホルツは1850年にヤング＝ヘルムホルツ理論をさらに発展させ、3種類の錐体光受容体は、網膜に当たる光の波長に対する反応に応じて、短波長優先（青）、中波長優先（緑）、長波長優先（赤）に分類できるとした。3種類の錐体によって検出された信号の相対的な強さは、脳によって可視色として解釈される。しかし、彼らが色を色空間の点として考えていたかどうかは明らかではない。

色空間の概念は、おそらくヘルマン・グラスマンによるもので、彼はそれを2段階で発展させた。まず、彼はベクトル空間の概念を発展させ、それによってn次元空間における幾何学的概念の代数的表現を可能にした。^{[ 3 ]}フィーンリー＝サンダー（1979）は、グラスマンの線形代数の基礎を次のように説明している。^{[ 4 ]}

線形空間（ベクトル空間）の定義は、ヘルマン・ワイルらが正式な定義を発表した1920年頃に広く知られるようになった。実際には、グラスマンの数学研究に精通していたペアノが、それより30年も前に同様の定義を与えていた。グラスマン自身は正式な定義を書き残さなかった（当時はそのような言葉がなかった）が、彼がその概念を理解していたことは疑いの余地がない。

このような概念的背景のもと、1853年にグラスマンは色の混合に関する理論を発表しました。この理論と3つの色の法則は、グラスマンの法則として現在でも教えられています。^{[ 5 ]}

グラスマンが最初に指摘したように、光集合は無限次元線形空間において円錐の構造を持つ。その結果、光円錐の商集合（メタメリズムに関して）は円錐構造を受け継ぎ、これにより色は3次元線形空間において凸円錐として表現され、これは色円錐と呼ばれる。^{[ 6 ]}

印刷では、 CMYK カラー モデルに基づくカラースペースを使用して色を作成できます。これは、顔料の減法三原色(シアン、マゼンタ、イエロー、キー、イエロー)を使用します。黒])。与えられた色空間の3次元表現を作成するには、表現のX軸にマゼンタ色の量を、Y軸にシアン色の量を、Z軸に黄色の量を割り当てることができます。結果として得られる3次元空間は、これら3つの顔料を組み合わせることによって作成できるすべての色に対して固有の位置を提供します。

コンピューターモニターでは、 RGBカラーモデルに基づいたカラースペースを用いて、加法混色の三原色（赤、緑、青）で色を表現できます。3次元表現では、3つの色それぞれをX、Y、Z軸に割り当てます。モニター上で生成される色は、蛍光体（CRTモニターの場合）やフィルターとバックライト（LCDモニターの場合）といった表示媒体によって制限されます。

モニター上で色を表現するもう一つの方法は、色相、彩度、明度（値/明るさ）に基づいたHSLまたはHSVカラーモデルを使用することです。このようなモデルでは、変数は円筒座標に割り当てられます。

多くの色空間はこのように3次元の値として表現できますが、次元数が多いものや少ないもの、またパントンのように全くこの方法で表現できないものもあります。

色空間変換とは、ある色の表現を別の色空間に変換することです。これは通常、ある色空間で表現された画像を別の色空間に変換する際に行われ、変換後の画像が元の画像とできるだけ似たものになるようにすることを目的としています。

RGBカラーモデルは、使用するシステムの機能に応じてさまざまな方法で実装されます。2021年現在、一般的に使用されている最も一般的な実装は以下のとおりです。これは 24ビット実装であり、8 ビット、つまりチャンネルごとに 256 の離散的な色レベルがあります。^{[ 7 ]}このように 24 ビット RGB モデルに基づくカラー スペースは、256×256×256 ≈ 1670 万色の範囲に制限されます。一部の実装では、コンポーネントごとに 16 ビットを使用して合計 48 ビットとなり、同じ色域でより多くの異なる色が得られます。これは、広色域カラー スペース (一般的な色のほとんどが比較的近い位置にある) を扱う場合、または多数のデジタル フィルタリング アルゴリズムを連続して使用する場合に特に重要です。同じカラー モデルに基づいているが、異なるビット深度で実装されているカラー スペースにも同じ原理が適用されます。

CIE 1931 XYZ 色空間は、人間の色覚の測定に基づいて色空間を作成しようとした最初の試みの 1 つです (それ以前の試みは、インペリアル カレッジのJames Clerk Maxwell、König と Dieterici、および Abneyによるものでした) ^{[ 8 ]}であり、他のほとんどすべての色空間の基礎となっています。CIERGB色空間は、CIE XYZ と線形関係にある補完的な色空間です。CIE XYZ のその他の派生色には、 CIELUV、CIEUVW、およびCIELABがあります。

ジェネリック

RGBは加法混色方式を採用しており、特定の色を生成するためにどのような光を照射する必要があるかを記述します。RGBは赤、緑、青の個別の値を格納します。RGBAは、透明度を示すアルファチャンネルを追加したRGBです。RGBモデルに基づく一般的なカラースペースには、sRGB、Adobe RGB、ProPhoto RGB、scRGB、CIE RGBなどがあります。

CMYKは、印刷工程で使用される減法混色方式を採用しています。これは、基材から反射した光とインクを通して透過した光によって特定の色が生成されるように、どのようなインクを塗布する必要があるかを記述するからです。まず、白い基材（キャンバス、紙など）を用意し、インクを使って白から色を減算することで画像を作成します。CMYKは、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックのインク値を格納します。さまざまなインク、基材、印刷機の特性（各インクのドットゲインまたは伝達関数が変化し、それによって見た目が変わる）に対応するために、多くのCMYKカラースペースが存在します。

YIQ は、歴史的な理由からNTSC (北米、日本、その他) テレビ放送で以前は使用されていました。このシステムでは、輝度とほぼ類似した (そして時々誤ってそう識別される) ^{[ 9 ] [ 10 ] の}輝度値と、色の青と赤の相対的な量を近似的に表す2 つの色度値を格納します。これは、ほとんどのビデオキャプチャシステム^{[ 11 ]}およびPAL (オーストラリア、ヨーロッパ、ただしSECAMを使用するフランスを除く) テレビで使用されるYUVスキームに似ていますが、YIQ 色空間は YUV 色空間に対して 33° 回転し、色軸が入れ替わっています。SECAMテレビで使用されるYDbDrスキームは、別の方法で回転されます。

YPbPrはYUVのスケーリング版です。最も一般的にはデジタル形式であるYCbCrとして見られ、 MPEGやJPEGなどのビデオおよび画像圧縮方式で広く使用されています。

xvYCCは、IEC （IEC 61966-2-4）によって発行された国際的なデジタルビデオ色空間規格です。ITU BT.601 およびBT.709規格に基づいていますが、これらの規格で規定されているR/G/Bの原色を超えて色域を拡張しています。

HSV（色相、彩度、明度）、別名HSB（色相、彩度、明度）は、加法混色や減法混色といった色の構成要素で考えるよりも、色相と彩度で考える方が自然であるため、アーティストによく使われます。HSVはRGBカラースペースの変換であり、その構成要素と測色特性は、元のRGBカラースペースを基準としています。

HSL（色相、彩度、明度）は、HLSまたはHSI（色相、彩度、強度）とも呼ばれ、HSVと非常によく似ていますが、「明度」が「明るさ」に置き換えられています。違いは、純色の明るさが白の明るさに等しく、純色の明度が中間の灰色の明度に等しい点です。

色彩科学において、 「絶対色空間」という用語には2つの意味がある。

• 色の知覚的な違いが、色空間内の点によって表される色間の距離に直接関係する色空間、すなわち均一色空間。^{[ 12 ] [ 13 ]}
• 色が曖昧でない色空間、つまり、外部要因を参照することなく、空間内の色の解釈が測色的に定義される色空間。^{[ 14 ] [ 15 ]}

本稿では、2番目の定義に焦点を当てる。

CIEXYZ、sRGB、およびICtCpは、一般的なRGBカラースペースとは対照的に、絶対色空間の例です。

絶対色空間ではない色空間は、絶対測色量との関係を定義することで絶対色空間にすることができます。たとえば、モニターの赤、緑、青の色がモニターの他の特性とともに正確に測定された場合、そのモニターのRGB値は絶対値とみなすことができます。CIE 1976 L*、a*、b*色空間は絶対色空間と呼ばれることもありますが、絶対色空間にするには白色点の指定も必要です。 ^{[ 16 ]}

RGBのようなカラースペースを絶対色にする一般的な方法は、RGBの属性を含むICCプロファイルを定義することです。これは絶対色を表現する唯一の方法ではありませんが、多くの業界で標準となっています。広く受け入れられているプロファイルで定義されているRGBカラーには、sRGBやAdobe RGBなどがあります。ICCプロファイルをグラフィックやドキュメントに追加するプロセスは、タグ付けまたは埋め込みと呼ばれることもあります。したがって、タグ付けは、そのグラフィックやドキュメント内の色の絶対的な意味を示すものです。

• カラーモデル– 色を数値の組として記述する数学モデル 
• 色空間とその用途の一覧
• 色彩理論― 色の実際的な振る舞いを説明する原理 
• 色のリスト
• 原色– 色の混合における基本色 
• 色の単色表現 – 色空間の三次元表現 

ウィキメディア・コモンズには、色空間に関連するメディアがあります。

• 色のFAQ、チャールズ・ポイントン
• 色彩科学、ダン・ブルートン
• カラースペース、ロルフ・G・キューニ著（2003年10月）
• 色彩空間 ― 知覚的、歴史的、応用的な背景、マルコ・トカルチッチ（2003）
• 画像およびビデオ処理のためのカラーフォーマット– RGB、YUV、YCbCr、YPbPr間のカラー変換。
• PixFC-SSE – SSEに最適化されたカラーフォーマット変換のためのC言語ライブラリ。 
• コニカミノルタセンシング：高精度な色彩コミュニケーション
• ハイアム、ニコラス・J.、「色空間とデジタルイメージング」、『プリンストン応用数学入門』より