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色彩科学において、カラーモデルとは、色を数値のタプル（通常は3つまたは4つの値または色成分）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。カラーモデルは絶対的なものではなく、つまりカラーモデル内の色をカラー空間内の点にマッピングする方法がないという点で、カラー空間とは異なります。[ 1 ]
本稿では、人間の色覚をモデル化する方法について説明し、一般的に用いられているいくつかのモデルについて論じる。
x、y、z軸を長波長（L）、中波長（M）、短波長（S）の光受容体への刺激と同一視すれば、この空間を3次元ユークリッド空間の領域としてイメージできます。これはLMS色空間と呼ばれます。原点（S、M、L ）=（0、0、0）は黒に対応します。白はこの図に明確な位置はなく、むしろ色温度またはホワイトバランスに応じて、あるいは周囲の照明から得られる値に応じて定義されます。最も彩度の高い色は領域の外周に位置し、明るい色は原点から遠ざかります。茶色や灰色などの色は、それぞれオレンジ色の光と白色の光を受けたときに知覚されますが、周囲の照明を考慮すると、オレンジ色や白色に期待される強度よりも低い強度で知覚されます。この現象は、会議中にオーバーヘッドプロジェクターの画面を見るとよくわかります。プロジェクターの電源を入れる前に投影されていた白いスクリーンよりも「黒」の部分が実際には暗くなっていないにもかかわらず、白い背景に黒い文字が見えます。「黒」の部分は実際には暗くなっていないのですが、周囲のスクリーンに投影された高輝度の「白」に比べて「黒」に見えるのです。色の恒常性も参照してください。
人間の三刺激値空間は、色の加法混色がこの空間におけるベクトルの加算に対応するという性質を持っています。この性質のおかげで、例えば、コンピューターディスプレイにおいて赤、緑、青の三原色から構成できる色（色域）を容易に記述することができます。
RYBは、美術や応用デザインで使用される減法混色モデルで、赤、黄、青の顔料が原色とみなされます。[ 2 ] [ 3 ] RYB カラー モデルは、美術やデザインにおける絵具や顔料の塗布という形での色に特に関連しています。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]他の一般的なカラー モデルには、ライト モデル (RGB)や、従来の RYB カラー モデルと比較して色域と強度の点でより正確な絵具、顔料、インクのCMY カラー モデルがあり、後者は印刷業界でCMYK カラー モデルと併せて登場しました。 [ 7 ] [ 8 ]このモデルは、1725 年にJacob Christoph Le Blonによって印刷に使用され、 Colorittoまたは色の調和と呼ばれました。[ 9 ]原色 (プライマリー) は黄色、赤、青であり、セカンダリーはオレンジ、緑、紫またはすみれ色であると述べています。[ 10 ] [ 11 ]
テレビなどの光を伝えるメディアは、赤、緑、青の三原色を用いた加法混色方式を採用しています。それぞれの原色は、目の3種類の色覚受容体のうち1種類を刺激し、他の2種類への刺激は最小限に抑えられます。これを「RGB」色空間と呼びます。これらの三原色の光の混合は、人間の色空間の大部分をカバーし、人間の色覚体験の大部分を生み出します。そのため、カラーテレビやカラーコンピューターモニターは、赤、緑、青の光の混合のみで済むのです。加法混色を参照してください。
原理的には他の原色も使用可能ですが、赤、緑、青の3色を用いることで、人間の色空間の大部分を捉えることができます。残念ながら、色度図上のどの位置に赤、緑、青を配置すべきかについて明確な合意がないため、同じRGB値でも画面によってわずかに異なる色が表示されることがあります。
RGBはデバイス依存の色モデルです。異なるデバイスでは、特定のRGB値を異なる方法で検出または再現します。これは、色要素（蛍光体や染料など）と、赤、緑、青の各レベルに対するそれらの反応が、メーカーごとに、あるいは同じデバイスでも時間の経過とともに異なるためです。[ 12 ] [ 13 ]したがって、何らかの色管理を行わない限り、 RGB値はデバイス間で同じ色を定義するものではありません。[ 14 ]
シアン、マゼンタ、イエローの透明染料／インクを白い基材に組み合わせることで、人間が認識できる幅広い色を再現することが可能です。これらは減法混色の三原色です。暗い色の再現性を向上させるために、4番目のインクとして黒が加えられることもよくあります。これは「CMY」または「CMYK」カラースペースと呼ばれます。
シアンインクは赤色の光を吸収し、緑色と青色の光を透過します。マゼンタインクは緑色の光を吸収し、赤色と青色の光を透過します。イエローインクは青色の光を吸収し、赤色と緑色の光を透過します。白色の基材は透過した光を視聴者に反射します。実際には、印刷に適したCMYインクもわずかに色を反射するため、深くニュートラルな黒色は不可能です。そのため、通常は最後に印刷されるK（黒インク）成分が、これらの欠点を補うために必要になります。テキスト媒体など、黒色のコンテンツが多いことが予想される場合、3色のインクを同時に使用する量を減らすために、黒インクを別に使用することも経済的に有利です。従来のカラー写真プリントやスライドで使用される染料は、はるかに完全に透明であるため、これらの媒体では通常K成分は必要なく、使用されません。
色彩モデルには、円錐形、円筒形、球形などに色を配置する手法が数多く存在する。中心軸に沿って黒から白へと変化する中間色を配置し、外周の角度に応じて色相を変化させる。こうした配置方法は18世紀にまで遡り、現代的で科学的なモデルにおいても発展を続けている。
さまざまな色彩理論家がそれぞれ独自の色彩立体を設計しました。多くは球形ですが、歪んだ三次元楕円体の形をしているものもあります。これらのバリエーションは、色の関係の何らかの側面をより明確に表現するために設計されています。フィリップ・オットー・ルンゲとヨハネス・イッテンが考案した色彩球は、他の多くの色彩立体図式の典型的な例であり、プロトタイプとなっています。[ 15 ]ルンゲとイッテンのモデルは基本的に同一であり、以下の説明の基礎となっています。
純粋で彩度が高く、明るさが均一な色相は、色球の外周、赤道付近に位置しています。カラーホイールと同様に、対照的な（または補色関係にある）色相は互いに反対側に位置しています。赤道面上で色球の中心に向かうにつれて、色は徐々に彩度が低下し、中心軸上ではすべての色がニュートラルグレーとして交わります。色球を垂直方向に移動すると、色は上に向かうにつれて明るくなり、下に向かうにつれて暗くなります。上極ではすべての色相が白に、下極ではすべての色相が黒に交わります。
つまり、色球の垂直軸は、その全長にわたって灰色で、下部の黒から上部の白へと変化する。純粋な（彩度の高い）色相はすべて球の表面に位置し、色球に沿って明るい色から暗い色へと変化する。不純な（彩度の低い、対照的な色を混ぜ合わせて作られた）色相はすべて球の内部を構成し、同様に上から下へと明るさが変化する。
HSLとHSVはどちらも円筒形の幾何学であり、色相（角度次元）は、 0°の赤の原色から始まり、 120°の緑の原色、240°の青の原色を経て、360°で再び赤に戻ります。それぞれの幾何学において、中心の垂直軸は、明度0または値0の黒（最下）から明度1または値1の白（最上）までの範囲の、中性色、無彩色、または灰色で構成されます。
ほとんどのテレビ、コンピューターディスプレイ、プロジェクターは、赤、緑、青の光をさまざまな強度で組み合わせることで色を作り出します。これがRGB加法混色の三原色です。しかし、赤、緑、青の光の構成要素の量と結果として得られる色の関係は、特に経験の浅いユーザーや、絵の具の減法混色や、色合いと濃淡に基づく伝統的な芸術家のモデルに慣れているユーザーにとっては、直感的に理解しにくいものです。
より伝統的で直感的な混色モデルに対応しようと、PARCとNYITのコンピュータグラフィックスの先駆者たちは1970年代半ばにHSVモデルを開発し、1978年8月のComputer Graphics誌でAlvy Ray Smith [ 17 ]によって正式に記述されました。同じ号で、JobloveとGreenberg [ 18 ]はHSLモデル（その次元は色相、相対彩度、強度と名付けられました）について説明し、HSVと比較しました。彼らのモデルは、色相、明度、彩度などの他の色を作る属性の観点から人間の視覚で色がどのように組織化され概念化されているか、また、明るい色の顔料を黒や白と混ぜてより明るい色、より暗い色、または彩度の低い色を実現する、絵画などの伝統的な混色方法に基づいています。
翌年の1979年、SIGGRAPHにおいて、テクトロニクスはHSLを用いたカラー指定方式を採用したグラフィック端末を発表し、コンピュータグラフィックス標準化委員会は年次報告書でこれを推奨した。これらのモデルは、生のRGB値よりも直感的であるだけでなく、RGBとの変換処理が非常に高速であったため、1970年代のハードウェアでもリアルタイムで実行できたという点でも有用であった。その結果、これらのモデルや類似のモデルは、それ以降、画像編集ソフトウェアやグラフィックソフトウェアにおいて広く普及するようになった。
もう1つの影響力のある古い円筒形の色モデルは、20世紀初頭のマンセル色システムです。アルバート・マンセルは、1905年の著書『A Color Notation』で球状の配置から始めましたが、色を作る属性を色相、明度、彩度と呼ばれる別々の次元に適切に分離したいと考え、知覚反応を注意深く測定した後、対称的な形状ではうまくいかないことに気づき、システムを塊状に再編成しました。[ 19 ] [ 20 ] [ A ]
マンセルシステムは、知覚測定に基づいて構成され、覚えやすく体系的な3つの数字で色を指定し、マンセルカラーブックで販売されているカラーチップが広い色域をカバーし、時間の経過とともに安定していた（退色しなかった）こと、そしてマンセル社によって効果的に販売されたことから、アメリカの色標準の事実上の基準として非常に人気を博し、絵の具やクレヨンの色だけでなく、電線、ビール、土壌の色などを指定するためにも使用されました。1940年代には、アメリカ光学会が広範な測定を行い、マンセル色の配置を調整して、「再表記」のセットを発行しました。コンピュータグラフィックスアプリケーションにおけるマンセルシステムの問題点は、その色が単純な方程式のセットではなく、その基礎となる測定値、つまり実質的にルックアップテーブルによってのみ指定されることです。RGB ↔ Munsellの変換には、そのテーブルのエントリ間の補間が必要であり、RGB ↔ HSLまたはRGB ↔ HSV の変換に比べて計算コストが非常に高い。RGB ↔ HSL またはRGB ↔ HSV の変換では、いくつかの単純な算術演算のみが必要となる。[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]
ヨーロッパで広く使われているスウェーデン自然色システム（NCS）は、右図のオストワルド二円錐と同様のアプローチをとっています。測光特性や心理的特性ではなく「現象論的」な特性に基づいて、馴染みのある形状の立体に色を当てはめようとするため、HSLやHSVと同様の欠点を抱えています。特に、黄色、赤、緑、青といった鮮やかな色を平面に押し込めるため、明度次元が知覚される明度と異なってしまうのです。[ 25 ]
濃度測定では、 CMYK プロセスインクの色を記述するために、上記で定義した色相と非常によく似たモデルが使用されます。1953 年に Frank Preucil は、色相の 2 つの幾何学的配置、すなわち、それぞれHとH 2に類似した「Preucil 色相円」と「Preucil 色相六角形」を開発しましたが、これらは理想化されたシアン、イエロー、マゼンタのインクの色を基準として定義されています。インクの「Preucil色相誤差」は、その色と対応する理想化されたインクの色相との間の「色相円」上の差を示します。インクのグレー度はm / Mで表され、mとM は濃度測定における理想化されたシアン、マゼンタ、イエローの量の中で最小値と最大値です。[ 26 ]
CIEの最新モデルであるCIECAM02（CAMは「色彩外観モデル」の略）は、以前のモデルよりも理論的に洗練され、計算も複雑です。その目的は、CIELABやCIELUVなどのモデルのいくつかの問題を解決し、厳密に制御された実験環境での応答だけでなく、現実世界のシーンの色彩外観もモデル化することです。その次元J（明度）、C（彩度）、h（色相）は極座標幾何学を定義します。[ 21 ] [ 25 ]
色を分類し、その効果を分析するカラーシステムにはさまざまな種類があります。アルバート・H・マンセルが考案したアメリカのマンセルカラーシステムは、色相、彩度、明度に基づいてさまざまな色をカラーソリッドに整理する有名な分類法です。その他の重要なカラーシステムには、スウェーデン自然色システム（NCS）、米国光学会のユニフォームカラースペース（OSA-UCS）、ブダペスト工科経済大学のアンタル・ネムチチが開発したハンガリーのカラーロイドシステムなどがあります。これらのうち、NCSは反対色プロセスカラーモデルに基づいているのに対し、マンセル、OSA-UCS、カラーロイドは色の均一性をモデル化しようとしています。アメリカのパントンとドイツのRALの商用カラーマッチングシステムは、カラースペースが基となるカラーモデルに基づいていない点で、上記のシステムとは異なります。アイスランドスポットマッチングシステム（SMS）は、いわゆるメディアニュートラルカラーパレットであり、すべての色がオンライン、テレビ、標準プロセス印刷（CMYK以上）で再現可能です。
また、「色モデル」は、視覚錐体から神経節細胞への色信号の処理方法を説明する色覚のモデルまたはメカニズムを示すためにも使用されます。簡潔にするために、これらのモデルを色メカニズムモデルと呼びます。古典的な色メカニズムモデルは、ヤング-ヘルムホルツの三色モデルとヘリングの拮抗処理モデルです。これらの 2 つの理論は当初矛盾していると考えられていましたが、後に、色の拮抗を担うメカニズムは 3 種類の錐体から信号を受け取り、より複雑なレベルで処理するという仮説が立てられました。[ 27 ]広く受け入れられているモデルはゾーンモデルと呼ばれています。三色理論、拮抗理論、およびスミスの色変換モデルと互換性のある対称ゾーンモデルは、デコーディングモデルと呼ばれます。[ 28 ]
