色の恒常性

色の恒常性は主観的恒常性の一例であり、人間の色覚システムの特徴です。これにより、さまざまな照明条件下でも物体の知覚される色が比較的一定に保たれます。たとえば、青リンゴは、主な照明が白い太陽光である正午には緑色に見え、主な照明が赤い日没にも緑色に見えます。これは物体を識別するのに役立ちます。

イブン・アル＝ハイサムは、物体から反射される光が物体の色によって変化するという観察によって、色の恒常性について初期の説明を行った。彼は、光の質と物体の色が混ざり合い、視覚系が光と色を分離すると説明した。彼は次のように書いている。

また、光は色を伴わずに色のついた物体から目に伝わることはない。同様に、色の形も光を伴わずに色のついた物体から目に伝わることはない。色のついた物体に存在する光の形も色の形も、混ざり合った状態でなければ伝わることはなく、知覚者はそれらが混ざり合った状態でしか知覚できない。しかし、知覚者は目に見える物体が光っていること、物体に見える光は色以外のものであり、これらが2つの性質であることを認識している。^[1]

モンジュ (1789)、ヤング (1807)、フォン・ヘルムホルツ (1867)、ヘリング (1920)、フォン・クリース (1902、1905)、そしてその後の研究者であるヘルソンとジェファーズ (1940)、ジャッド (1940)、ランドとマッキャン (1971) は、いずれも色恒常性の調査に多大な貢献をしました。色恒常性の発生は無意識の推論の結果であるという考え (ジャッド、1940、フォン・ヘルムホルツ、1867) と、感覚順応の結果であるという考え (ヘルソン、1943、ヘリング、1920) は、この時代の大部分において共存していました。観察者の色恒常性判断の性質を明らかにするために、アーレンドとリーブス (1986) は最初の体系的な行動実験を実施しました。その後、新しい色恒常性モデル、皮質メカニズムに関する生理学的情報、自然風景の写真による色彩測定などが登場した。^[2]

色覚とは、物体から反射、透過、または放出される光の波長の違いに基づいて、人間、動物、機械が色を区別できる客観的な色を認識する方法です。人間の目では、錐体と桿体という2種類の光受容体を使って光が検出され、視覚野に信号が送られ、視覚野はその信号を処理して主観的な知覚に変換します。色の恒常性とは、特定の瞬間に反射する光の量や波長に関係なく、見慣れた物体を一貫した色として脳が認識できるようにするプロセスです。^{[3] [4]}

色恒常性という現象は、照明源が直接分からない場合に発生します。^[5]この理由から、色恒常性は曇りの日よりも太陽が照り空が晴れた日により大きな効果を発揮します。^[5]太陽が見えている場合でも、色恒常性は色知覚に影響を及ぼす可能性があります。これは、考えられるすべての照明源が不明なためです。物体が複数の光源を目に反射する場合でも、色恒常性により客観的な同一性が一定に保たれます。^[6]

DH フォスター (2011) は、「自然環境では、光源自体が明確に定義されない場合があり、シーン内の特定のポイントの照明は通常、さまざまな入射角に分散した直接光と間接光の複雑な混合であり、局所的な遮蔽と相互反射によって変化し、これらすべてが時間と位置によって変化する可能性がある」と述べています。^[5]自然環境での照度のスペクトルが広く、人間の目の色を知覚する能力が限られているため、色の恒常性は日常の知覚において機能的な役割を果たしています。色の恒常性により、人間は世界と一貫性のある、または真実性のある方法で対話することができ^[7]、より効果的に時刻を判断することができます。^{[6] [8]}

色恒常性の生理学的根拠には、錐体活動の局所的比率を計算する一次視覚皮質の特殊ニューロンが関与していると考えられている。これは、ランドのレティネックスアルゴリズムが色恒常性を達成するために使用する計算と同じである。これらの特殊細胞は、色拮抗性と空間拮抗性の両方を計算するため、二重拮抗細胞と呼ばれる。二重拮抗細胞は、ナイジェル・ドーによって金魚の網膜で初めて説明された。^{[9] [10]}霊長類の視覚系におけるこれらの細胞の存在についてはかなりの議論があったが、その存在は最終的に、逆相関受容野マッピングと、一度に単一の錐体クラスを選択的に活性化する特別な刺激、いわゆる「錐体分離」刺激を使用して証明された。^{[11] [12]}人間の脳画像の証拠は、色恒常性を生成するための重要な皮質部位が皮質領域 V4 にあることを強く示唆しており、^{[13]この部位の損傷は}脳性色覚異常症候群につながる。

色の恒常性は、入射光にさまざまな波長が含まれている場合にのみ機能します。目のさまざまな錐体細胞は、シーン内のすべてのオブジェクトによって反射された光の異なるが重複する波長範囲を記録します。この情報から、視覚システムは照明光のおおよその構成を判断しようとします。次に、この照明は^{[14]オブジェクトの「真の色」または}反射率、つまりオブジェクトが反射する光の波長を取得するために割り引かれます。この反射率は、知覚される色を主に決定します。

色恒常性には2つのメカニズムが考えられます。1つ目は無意識の推論です。^[15] 2つ目の見解では、この現象は感覚順応によって引き起こされると考えられています。^{[16] [17]研究では、色恒常性は}網膜細胞や視覚に関連する皮質領域 の変化に関連していることが示唆されています。 ^{[18] [19] [20]}この現象は、視覚系のさまざまなレベルの変化に起因する可能性が最も高いです。^[5]

網膜内の特殊細胞である錐体は、局所環境内の光レベルに応じて調整します。^[20]これは個々のニューロンレベルで発生します。^[21]しかし、この適応は不完全です。^[5] 色順応は脳内のプロセスによっても制御されます。サルの研究では、色感度の変化は小細胞性 外側膝状体ニューロンの活動と相関していることが示唆されています。^{[22] [23]}色の恒常性は、個々の網膜細胞の局所的な変化に起因する場合もあれば、脳内のより高次の神経プロセスに起因する場合もあります。^[21]

メタメリズム、つまり2つの別々のシーン内で色を知覚する現象は、色の恒常性に関する研究に役立ちます。^{[24] [25]}研究によると、競合する色刺激が提示された場合、視覚システムの早い段階で空間比較が完了していなければならないことが示唆されています。たとえば、被験者に両眼視的に刺激、つまり色の配列と灰色などの空白色を提示し、配列の特定の色に焦点を合わせるように指示すると、空白色は両眼で知覚した場合とは異なって見えます。^[26]これは、空間比較に関連する色の判断は、V1単眼ニューロンで、またはその前に完了している必要があることを意味します。^{[26] [27] [28]}空間比較が視覚システムの後期、たとえば皮質領域V4で発生すると、脳は色と空白色の両方を両眼で見たかのように知覚できるようになります。

「ランド効果」とは、同じシーンを赤フィルターと緑フィルターを通して撮影し、それぞれ赤と白の光（または2つの異なる黄色の波長）で照らした白黒の透明フィルムを重ね合わせた画像を見るだけで、フルカラー画像が見える能力である。この効果は、ジェームズ・クラーク・マクスウェルのフルカラー画像に関する初期の実験を再現しようとしていたエドウィン・H・ランドによって発見された。ランドは、重ね合わせた画像を黄色の光だけで照らした場合でも、視覚系がフルレンジの色（たとえ色が薄かったとしても）を知覚することに気づいた。ランドはこの効果を1959年のScientific Americanの記事で説明した。^{[29] [4]} 1977年、ランドは別のScientific American の記事で一般化されたランド効果について説明し、人間の色覚の主な基礎であると彼が信じていたものを説明する「レティネックス理論」を策定するに至った。^[30]「レティネックス」という言葉は「網膜」と「皮質」を組み合わせたもので、目と脳の両方が処理に関与していることを示唆しています。

一般化されたランド効果は、次のように実験的に実証できます。多数の色のパッチで構成される「モンドリアン」(類似の絵画を描いたピエト・モンドリアンにちなんで名付けられました) と呼ばれるディスプレイが、ある人物に示されます。ディスプレイは、3 つの白色光で照らされます。1 つは赤色のフィルターを通して投影され、1 つは緑色のフィルターを通して投影され、もう 1 つは青色のフィルターを通して投影されます。人物は、ディスプレイ内の特定のパッチが白く見えるように光の強度を調整するように求められます。次に、実験者は、この白色に見えるパッチから反射される赤色、緑色、青色の光の強度を測定します。次に、実験者は、たとえば緑色に見える隣接するパッチの色を特定するように人物に求めます。次に、実験者は、緑色のパッチから反射される赤色、青色、緑色の光の強度が、白色のパッチから最初に測定された強度と同じになるように光を調整します。人物は、緑色のパッチが緑色に見え続け、白色のパッチが白色に見え続け、残りのすべてのパッチが元の色を保ち続けるという点で、色の恒常性を示します。

ランドはジョン・マッキャンとともに、人間の生理機能で起こっていると考えられているレティネックスのプロセスを模倣するように設計されたコンピュータプログラムも開発した。 ^[31]色の恒常性はコンピュータビジョンの望ましい機能であり、この目的のために多くのアルゴリズムが開発されてきた。これらにはいくつかのレティネックスのアルゴリズムが含まれる。^{[32] [33] [34] [35]これらのアルゴリズムは、画像の各}ピクセルの赤/緑/青の値を入力として受け取り、各ポイントの反射率を推定しようとする。そのようなアルゴリズムの1つは次のように動作する。すべてのピクセルの最大赤の値r _maxが決定され、最大緑値g _maxと最大青値b _maxも決定される。シーンにすべての赤色光を反射するオブジェクト、すべての緑色光を反射する（他の）オブジェクト、およびすべての青色光を反射するオブジェクトが含まれていると仮定すると、照明光源は（r _max、g _max、b _max）で記述されると推測できる。値（ r、g、b ）を持つ各ピクセルの反射率は（r / r _max、g / g _max、b / b _max）として推定される。LandとMcCannによって提案されたオリジナルのレティネックスのアルゴリズムは、この原理の局所的なバージョンを使用している。^{[36] [37]}

レティネックスモデルはコンピュータビジョンで今でも広く使用されていますが、実際の人間の色覚はより複雑であることが示されています。^[38]

• 色順応
• 記憶色効果
• シャドウとハイライトの強調
• 三色色覚
• 四色型色覚
• 色彩理論^[39]

ここで「McCann に再掲載」とは、McCann, M. 編、1993 年。Edwin H. Landのエッセイ。バージニア州スプリングフィールド: Society for Imaging Science and Technology を指します。

• (1964)「レチネックス」Am. Sci. 52(2): 247–264。McCann、vol. III、pp. 53–60に再掲載。1963年12月30日、オハイオ州クリーブランドで行われたウィリアム・プロクター科学賞受賞演説に基づく。
• LC Farney および MM Morse と共著 (1971)「初期発達による可溶化」Photogr. Sci. Eng. 15(1):4–20。McCann、第 1 巻、pp. 157–173 に再掲載。1968 年 6 月 13 日ボストンでの講義に基づく。
• JJ McCann との共著 (1971)「明度とレティネックス理論」J. Opt. Soc. Am. 61(1):1–11。McCann、第 3 巻、pp. 73–84 に再録。1967 年 10 月 13 日の Ives Medal 講演に基づく。
• (1974)「色覚のレティネックス理論」Proc. R. Inst. Gt. Brit. 47:23–58。McCann、第3巻、pp. 95–112に再録。1973年11月2日金曜日の夜の講演に基づく。
• (1977)「色覚のレティネックス理論」Sci. Am. 237:108–128。McCann、第3巻、pp. 125–242に再録。
• HG Rogers および VK Walworth と共著 (1977)「ワンステップ写真法」Neblette の Handbook of Photography and Reprography, Materials, Processes and Systems、第 7 版、JM Sturge 編、pp. 259–330。ニューヨーク: Reinhold。McCann、第 1 巻、pp. 205–263 に再版。
• (1978)「私たちと周囲の世界との『極性パートナーシップ』: 知覚のメカニズムに関する発見は、心と物質の間の想像上の隔たりを解消しつつある」Harv. Mag. 80:23–25。McCann、第3巻、pp. 151–154に再掲載。
• DH Hubel、MS Livingstone、SH Perry、MM Burns と共著。(1983)「脳梁を介した色生成相互作用」Nature 303(5918):616–618。McCann、第 3 巻、pp. 155–158 に再掲載。
• (1983)「レティネックス理論の最近の進歩と皮質計算への影響: 色覚と自然画像」Proc. Natl. Acad. Sci. USA 80:5136–5169。McCann、vol. III、pp. 159–166 に再掲載。
• (1986)「色覚のレティネックス理論における指示子の計算のための代替技術」Proc. Natl. Acad. Sci. USA 83:3078–3080。

ウィキメディア・コモンズには、色の恒常性に関連するメディアがあります。

• 色の恒常性 – マッキャン
• 色の恒常性 – 光源の推定
• レティネックス画像処理
• 偏微分方程式とフーリエ変換を介して実装されたRetinex、コードとオンラインデモ付き
• BBC ホライゾン 21x08 カラフルな概念 1985