色域

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色再現と測色において、色域（カラー・ガマット / ˈ ɡ æ m ə t /）とは、正確に表現できる、つまり出力デバイス（プリンターやディスプレイなど）で再現できる、または入力デバイス（カメラや視覚システムなど）で測定できる色を含む凸集合のことです。色域が大きいデバイスは、より多くの色を表現できます。同様に、色域は、特定のデバイスにリンクされていない定義された色空間内の色を指す場合もあります。3色色域は、多くの場合、色の三角形として視覚化されます。あまり一般的ではありませんが、色域は、画像、シーン、またはビデオ内に含まれる色のサブセットとして定義されます。

ガマットという用語は音楽の分野から採用された。中世ラテン語の「ガマット」は、音楽のメロディーを構成する音符の全範囲を意味していた。シェイクスピアの『じゃじゃ馬ならし』におけるこの用語の使用は、作家で音楽家のトーマス・モーリーによるものだとされることもある。^[1] 1850年代には、この用語は色や色相の範囲に適用され、例えばトーマス・ド・クインシーは「斑岩は、大理石と同じくらい広い色域に及ぶと聞いた」と書いている。^[2]

デバイスまたはプロセスの色域とは、表現または再現できる色空間の部分です。通常、色域は色相-彩度の平面で指定されます。これは、システムは通常、その色域内の広い強度範囲にわたって色を生成できるためです。減法混色システム (印刷で使用されるものなど) の場合、システムで使用できる強度の範囲は、システム固有の特性 (インクの照度など) を考慮しなければ、ほとんど意味がありません。

デバイスの色域は、実際の原色（物理的なスペクトル分布で表すことができる色）を使用する必要があるため、常に不完全です（人間の視覚色域よりも小さい）。有限の数の原色で定義される色域では、人間の視覚色域全体を表せません。人間の視覚色域の近似値を表すには、3 つの原色が必要です。より多くの原色を使用すると、色域のサイズを拡大できます。たとえば、赤、黄、青の顔料で絵を描くことは色覚をモデル化するのに十分ですが、さらに顔料（オレンジや緑など）を追加すると、色域のサイズを拡大でき、より彩度の高い色を再現できます。

デジタル画像の処理中に使用される最も便利なカラー モデルは RGB モデルです。画像を印刷するには、元の RGB カラー モデルからプリンターのCMYK カラー モデルに変換する必要があります。このプロセス中に、色域外にある RGB モデルの色を、CMYK モデル内の近似値に変換する必要があります。色域外にある色だけを出力先のスペースで最も近い色に単純にトリミングすると、画像が焼き付いてしまいます。この変換を近似するアルゴリズムはいくつかありますが、それらの色は単にターゲット デバイスの能力を超えているため、どれも本当に完璧ではありません。このため、処理中にできるだけ早く、ターゲット カラー スペースで色域外にある画像の色を識別することが、最終製品の品質にとって非常に重要です。また、CMYK 色域内には、sRGBやAdob​​e RGBなど、最も一般的に使用される RGB カラー スペースの外側にある色があることを覚えておくことも重要です。

カラー マネージメントは、異なる色域を持つデバイス間で一貫性のある正確な色を保証するプロセスです。カラー マネージメントは、色域と標準色空間の間の変換を処理して、異なるデバイスで色が均等に表現されるようにします。デバイスの色域は、色プロファイル (通常はICC プロファイル) によって定義されます。色域は標準化された色空間に関連付けられ、デバイスの調整が可能になります。1 つの色域からより狭い色域に変換すると、色域外の色が狭い色域に投影されるため情報が失われ、広い色域に戻してもこの失われた情報は回復されません。

測色法は、一般的には人間の色覚を模倣した方法で色を測定することです。^[3]デジタルカメラやスキャナなどの入力デバイスは、3色型の人間の色覚を模倣するように作られており、異なるスペクトル感度を持つ3つのセンサー要素に基づいており、理想的には人間のフォトプシンのスペクトル感度とほぼ一致しています。この意味で、それらは人間の視覚システムと同様の色域を持っています。しかし、これらのデバイスのほとんどはルーサー条件に違反しており、三刺激値色彩計を除いて、真の色域を意図していません。マルチスペクトルイメージャー、ハイパースペクトルイメージャー、分光計などの高次元入力デバイスは、人間の視覚色域よりもはるかに広い色域で色をキャプチャします。人間が認識できるようにするには、まず画像を低次元化し、擬似カラーで処理する必要があります。

平均的な人間が検出できる色の範囲は、標準的な観察者によって近似され、人間の視覚色域と呼ばれます。視覚色域は通常、CIE 1931 色度図で視覚化され、スペクトル軌跡(曲線のエッジ)は単色(単一波長) またはスペクトル色を表します。図の表示に使用しているデバイスの色域は視覚色域よりも狭いため、色域外の色はディスプレイの色域内の色として再現されます。デバイスの色域は通常、視覚色域を基準にして表されます。標準的な観察者は一般的な人間を表しますが、色弱があると視覚色域が狭くなります。

自然界の反射色の色域は、より丸みを帯びていますが、似たような形をしています。狭い波長帯域のみを反射する物体は、CIE 図の端に近い色になりますが、同時に輝度は非常に低くなります。輝度が高くなると、CIE 図のアクセス可能な領域は次第に狭くなり、すべての波長が正確に 100 パーセント反射される単一の白点まで狭くなります。白の正確な座標は、光源の色によって決まります。

20 世紀初頭、色を制御可能な方法で表現したいという産業界の要望と、光スペクトルを測定するという新たな可能性により、色の数学的表現に関する熱心な研究が始まりました。

最適色の概念は、バルト海沿岸のドイツ人化学者ヴィルヘルム・オストワルドによって提唱されました。エルヴィン・シュレーディンガーは、1919年の論文「最高輝度の顔料の理論」^[4]で、与えられた全反射率で作り出せる最も彩度の高い色は、与えられた波長で反射率がゼロか完全な表面によって生成され、反射率スペクトルにはゼロと完全な間の遷移が最大で2回なければならないことを示しました。

したがって、2 種類の「最適な色」スペクトルが考えられます。右の図に示すように、スペクトルの両端のゼロから中央の 1 に移行するか、両端の 1 から中央の 0 に移行するかのいずれかです。最初のタイプは、スペクトル色に似た色を生成し、CIE xy 色度図の馬蹄形の部分にほぼ沿っていますが、一般的に彩度は低くなります。2 番目のタイプは、CIE xy 色度図の直線上の色に似た色 (ただし、一般的に彩度は低くなります) を生成し、マゼンタのような色になります。

シュレーディンガーの研究は、デイヴィッド・マカダムとジークフリート・レーシュによってさらに発展させられました [Wikidata] ^[5]。マカダムは、CIE 1931色空間における最適色立体の境界上の選択された点の正確な座標を、明度レベルY = 10から95まで10単位ごとに計算した最初の人物でした。これにより、彼は許容できる精度で最適色立体を描くことができました。彼の功績により、最適色立体の境界はマカダム限界（1935年）と呼ばれています。

1980年、マイケル・R・ポインターは、4089サンプルを使用して拡散反射のある実際の表面の最大色域を発表しました（鏡面反射（「光沢のある」）のある表面はこの色域外になる可能性があります）。^[6]もともと「マンセルカラーカスケード」と呼ばれていましたが、彼の研究にちなんで、この限界はポインターの色域と呼ばれることがよくあります。この色域は色再現の基準として重要であり、^[7] ISO 12640-3 Annex Bの新しい方法によって更新されました。^[8]

現代のコンピュータでは、最適な色立体を数秒で非常に正確に計算できます。最も飽和した (または「最適な」) 色が存在する MacAdam 限界は、黄色を除いて、単色に近い色は非常に低い輝度レベルでのみ実現できることを示しています。これは、緑と赤の間のスペクトル軌跡の長い直線部分の波長の混合が組み合わさって、単色の黄色に非常に近い色になるためです。

加法混色再生システムで原色として使用される光源は明るい必要があるため、通常は単色に近くありません。つまり、ほとんどの可変色光源の色域は、純粋な単色（単一波長）光を生成することが困難な結果として理解できます。単色光の最良の技術的光源はレーザーですが、多くのシステムではかなり高価で実用的ではありません。ただし、光電子工学技術が成熟するにつれて、単一縦モードダイオードレーザーは安価になりつつあり、ラマン分光法、ホログラフィー、生物医学研究、蛍光、複写、干渉法、半導体検査、遠隔検出、光データストレージ、画像記録、スペクトル分析、印刷、ポイントツーポイント自由空間通信、光ファイバー通信など、多くのアプリケーションですでにこの恩恵を受けています。^{[9] [10] [11] [12]}

加法混色プロセスを使用するシステムでは、通常、色相と彩度の平面でほぼ凸多角形となる色域があります。多角形の頂点は、システムが生成できる最も彩度の高い色です。減法混色システムでは、色域は不規則な領域になることが多いです。

以下は、色域の広いものから狭いものの順に並べた代表的なカラー システムのリストです。

• レーザービデオ プロジェクターは、レーザーが真に単色の原色を生成するという事実から、3 つのレーザーを使用して、今日の実用的なディスプレイ機器で利用可能な最も広い色域を生成します。このシステムは、 CRTの電子ビームのように、画像全体を一度に 1 ドットずつスキャンしてレーザーを直接高周波で変調するか、レーザーを光学的に拡散させて変調し、一度に 1 行ずつスキャンして、その行自体をDLPプロジェクターとほぼ同じように変調するかのいずれかによって機能します。レーザーは、DLP プロジェクターの光源としても使用できます。色域の範囲を広げるために 3 つ以上のレーザーを組み合わせることができ、この手法はホログラフィーで時々使用されます。^[13]
• デジタル ライト プロセッシング(DLP) 技術は、テキサス インスツルメンツの商標技術です。DLP チップには、ヒンジに取り付けられた最大 200 万個の微小ミラーの長方形アレイが含まれています。各マイクロミラーの幅は、人間の髪の毛の 5 分の 1 未満です。DLP チップのマイクロミラーは、DLP プロジェクション システムの光源に向かって (オン) または光源から離れて (オフ) 傾きます。これにより、投影面上に明るいピクセルまたは暗いピクセルが作成されます。^[14]現在の DLP プロジェクターは、透明な色の「パイ スライス」が付いた高速回転ホイールを使用して、各カラー フレームを連続して表示します。1 回転で完全な画像が表示されます。
• 写真フィルムは、一般的なテレビ、コンピュータ、または家庭用ビデオシステムよりも広い色域を再現できます。 ^[15]
• CRTや類似のビデオ ディスプレイの色域はほぼ三角形で、可視色空間の大部分をカバーします。CRT では、画面内の赤、緑、青の光を生成する蛍光体によって制限が生じます。
• 液晶ディスプレイ(LCD) 画面は、バックライトから放射される光をフィルタリングします。したがって、LCD 画面の色域は、バックライトから放射されるスペクトルに制限されます。一般的な LCD 画面では、バックライトに冷陰極蛍光灯 ( CCFL ) を使用します。特定のLEDまたは広色域 CCFL バックライトを備えた LCD 画面は、 CRT よりも包括的な色域を実現します。ただし、一部の LCD 技術では、視野角によって表示される色が変わります。In Plane SwitchingまたはPatterned Vertical Alignment画面は、 Twisted Nematicよりも色の範囲が広くなります。
• テレビでは通常、CRT、LCD、LED、またはプラズマ ディスプレイが使用されますが、放送の制限により、そのカラー表示特性が十分に活用されていません。テレビの一般的なカラー プロファイルは、ITU 標準Rec. 601に基づいています。HDTVはそれほど制限がなく、ITU 標準Rec. 709に基づいたわずかに改善されたカラー プロファイルを使用します。それでも、同じ表示技術を使用するコンピューター ディスプレイなどに比べると、いくぶん劣ります。これは、放送では RGB の限られたサブセット (16 ～ 235 の値) が使用されるのに対し、コンピューター ディスプレイでは 0 ～ 255 のすべてのビットが使用される完全な RGB が使用されるためです。
• 芸術的用途でも商業用途でも、塗料の混合は、CRT の赤、緑、青や印刷のシアン、マゼンタ、黄色よりも大きなパレットから始めることで、かなり広い色域を実現します。塗料は、CRT ではうまく再現できない高彩度の色 (特に紫) を再現できますが、全体的な色域は狭くなります。^[要出典]
• 印刷では、通常、CMYKカラー スペース (シアン、マゼンタ、イエロー、ブラック) が使用されます。黒を含まない印刷プロセスはほとんどありませんが、そのようなプロセス (昇華型プリンターを除く)では、彩度が低く強度が低い色を表現するのが苦手です。非原色のインクを追加することで、印刷プロセスの色域を拡大する取り組みが行われてきました。非原色インクは、通常、オレンジと緑 (ヘキサクロームを参照)、またはライト シアンとライト マゼンタ ( CcMmYK カラー モデルを参照) です。非常に特定の色のスポット カラーインクが使用されることもあります。
• モノクロディスプレイの色域は色空間における1次元曲線である。[ ^16]

Ultra HDフォーラムは、 BT.709（ Rec. 709 ）よりも広い色域を広色域（WCG）と定義しています。^[17] WCGの 色空間には以下のものがあります。

• Rec. 2020 – UHDTVに関するITU-R勧告^[18]
• Rec. 2100 – HDR -TVのためのITU-R勧告（Rec. 2020と同じ原色と白色点の色度）^[19]
• DCI-P3
• Adobe RGBカラースペース
• DxO広色域

シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックのインクを使用して達成される印刷色域は、企業ロゴの色を印刷する場合など、制限となる場合があります。そのため、カラー印刷の一部の方法ではさらにインク色を追加して、より広い色域を実現します。たとえば、緑、オレンジ、紫のインクを使用して、それらの色に近い色相の達成可能な彩度を高める方法があります。これらの方法は、ヘプタトーンカラー印刷、拡張色域印刷、7色印刷など、さまざまな名前で呼ばれています。^{[20] [21]}

無料辞書『ウィクショナリー』で「gamut」を調べてください。

• Bruce Lindbloom による色度図を使用した色域評価。
• Jan Morovic 著のカラー ガマット マッピングの本。
• 色域の定量化 (ウィリアム・D・カッペル著)
• スタンフォード大学 CS 178 のカラー ガモット マッピングを説明するインタラクティブ Flash デモ。
• Ujjwal Bhardwaj による Wide Color Gamut。