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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、出力装置（プリンターやディスプレイなど）で正確に再現できる色、または入力装置（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。色域が大きい装置ほど、より多くの色を表現できます。同様に、色域は、特定の装置に関連しない、定義された色空間内の色を指す場合もあります。三原色色域は、しばしば色の三角形として視覚化されます。あまり一般的ではない用法では、色域は画像、シーン、またはビデオ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もので、中世ラテン語の「gamma ut」はG音階の最低音を意味し、やがて音楽の旋律を構成する音符の全範囲を意味するようになった。シェイクスピアが『じゃじゃ馬ならし』でこの用語を使用したことは、作家兼音楽家のトーマス・モーリーによるものとされることがある。[ 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・デ・クインシーは「斑岩は、大理石と同じくらい広い色相の範囲に及ぶと聞いている」と書いている。[ 2 ]
デバイスやプロセスのガマットとは、表現または再現可能な色空間の部分のことです。一般的に、色域は色相-彩度平面で指定されます。これは、システムは通常、その色域内で広い強度範囲の色を生成できるためです。デバイスのガマットは、実際の原色（物理的なスペクトルパワー分布で表現できる原色）を使用する必要があるため、常に不完全です（人間の可視色域よりも小さい）。有限個の原色で定義されたガマットでは、人間の可視色域全体を表現することはできません。人間の可視色域の近似値を表現するには、3つの原色が必要です。ガマットのサイズを大きくするには、より多くの原色を使用できます。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）を追加することでガマットのサイズを大きくし、より彩度の高い色を再現できます。
デジタル画像を処理する際、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カラーモデルに画像を変換する必要があります。この過程で、RGBモデルの色域外にある色は、何らかの方法で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、出力先のカラー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、出力先のデバイスの能力を超える色であるため、どれも完全にはできません。そのため、処理中にできるだけ早く、出力先のカラースペースの色域外にある画像の色を特定することが、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Adobe RGBなど、最も一般的に使用されているRGBカラースペースには含まれない色があることも覚えておく必要があります。
カラーマネジメントとは、異なる色域を持つデバイス間で、一貫性のある正確な色表示を保証するプロセスです。カラーマネジメントは、色域と標準色空間間の変換を処理し、異なるデバイス間でも色が均等に表示されるようにします。デバイスの色域は、通常はICCプロファイルと呼ばれるカラープロファイルによって定義され、色域を標準色空間に関連付け、デバイスのキャリブレーションを可能にします。ある色域からより小さな色域に変換すると、色域外の色が小さな色域に投影されるため情報が失われ、元の大きな色域に戻しても失われた情報は回復しません。
測色法は、一般的に人間の色の知覚を模倣する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、人間の三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、人間の視覚系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、三刺激測色計を除いて、真の測色を意図したものではありません。マルチスペクトルイメージャ、ハイパースペクトルイメージャ、分光計などの高次元入力デバイスは、人間の可視色域よりもはるかに広い色域で色を捉えます。人間が知覚するためには、まず画像をダウンディメンショナル化し、擬似カラーで処理する必要があります。
平均的な人間が識別できる色の範囲は、標準的な観察者によって近似され、可視色域（または視覚色域）と呼ばれます。可視色域に含まれる色度は、通常、CIE 1931 色度図で視覚化され、スペクトル軌跡（曲線エッジ）は単色（単一波長）またはスペクトル色を表します。現在のディスプレイは可視色域よりも色域が小さいため、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、一般的に可視色域を基準として示されます。標準的な観察者は典型的な人間を表しますが、色覚異常があると可視色域が狭くなります。
最適色とは、表面が持つことができる最も彩度の高い色のことです*。すべての最適色の集合によって囲まれた色の立体は、最適色立体またはロッシュ・マクアダム色立体と呼ばれます。[ 4 ]今のところ、少なくともより複雑な物理現象に頼らずに、そのような色の物体を作ることはできません。
※古典的な反射を前提としています。蛍光や構造発色などの現象により、物体の色が最適色範囲外になる場合があります。
色の反射スペクトルは、各波長の光が反射する量を、1（100%）の最大値に比例して表したものです。色の反射スペクトルが可視スペクトル全体で0（0%）または1（100%）であり、0と1の間、または1と0の間の遷移が2つ以下であれば、それは最適な色です。現在の技術では、このような特性を持つ材料や顔料を製造することはできません。[ 5 ]
したがって、4種類の「最適な色」スペクトルが考えられる。
第１のタイプは、スペクトル色に似た色を生成し、おおよそCIE xy色度図の馬蹄形部分（スペクトル軌跡）に沿っていますが、表面ではより彩度が高く、スペクトル純度は低くなります。第２のタイプは、CIE xy色度図の直線（紫色の線）上の色に似た色を生成し（ただし、表面ではより彩度が高く、スペクトル純度は低くなります） 、マゼンタや紫色に似た色になります。
最適な色の固体では、可視スペクトルの色は理論的には黒です。なぜなら、反射スペクトルは1つの波長でのみ1（100%）であり、他の無限に存在するすべての可視波長では0であるため、白に対する明度は0であり、彩度も0ですが、もちろんスペクトル純度は100%です。要するに、最適な色の固体では、スペクトル色は黒（明度0、彩度0）に相当しますが、完全なスペクトル純度を持っています（色度図の馬蹄形のスペクトル軌跡に位置します）。[ 6 ]
LMSやCIE 1931 XYZなどの線形色空間では、原点（黒、(0, 0, 0)）から始まり、可視スペクトルの色を表すすべての点を通過する光線の集合と、紫の半線と赤の半線（可視スペクトルの両端）を通過する平面の一部が「スペクトルコーン」を生成します。最適な色立体の黒点（座標(0, 0, 0)）（黒点のみ）は「スペクトルコーン」に接し、白点（(1, 1, 1)）（白点のみ）は「反転スペクトルコーン」に接します。「反転スペクトルコーン」は、中央の灰色点（(0.5, 0.5, 0.5)）に関して「スペクトルコーン」と対称です。これは、線形色空間では、最適な色立体が中心対称であることを意味します。[ 6 ]
ほとんどの色空間では、最適な色の立体の表面は、2 つの点 (黒と白) と 2 つの鋭いエッジ (黒から赤、オレンジ、黄色、白へ続く「暖色」エッジと、黒から濃い紫、青、シアン、白へ続く「寒色」エッジ) を除いて滑らかです。これは次の理由によるものです。色の反射スペクトルの部分がスペクトル赤 (スペクトルの片端に位置する) である場合、それは黒として認識されます。全体の反射率の部分のサイズが大きくなり、スペクトルの赤端から黄色の波長までをカバーするようになると、それは赤として認識されます。その部分がさらに拡大され、緑の波長をカバーするようになると、オレンジまたは黄色として認識されます。さらに拡大すると、黄色の半色よりも多くの波長をカバーするようになり、白に近づき、最終的にスペクトル全体が反射される状態になります。このプロセスは「累積」と呼ばれます。累積は可視スペクトルの両端から開始できます（先ほどスペクトルの赤色端から開始して「暖かい」鋭いエッジを生成する累積について説明しました）。スペクトルの紫色端から開始して累積すると、「冷たい」鋭いエッジが生成されます。[ 6 ]
各色相には最大彩度点、半色、または完全色があり、物体はその色相でより高い彩度を持つことはできません。これらは物体が持つことができる最も彩度が高く、鮮やかな色です。これらは20世紀初頭にドイツの化学者で哲学者のヴィルヘルム・オストヴァルトによって半色または完全色と呼ばれました。 [ 6 ] [ 7 ]
B が波長 A の補波長である場合、A と B を結ぶ直線は、LMS や CIE 1931 XYZ などの線形色空間の無彩色軸を通ります。色の反射スペクトルが、A と B の間のすべての波長で 1 (100%)、色空間のもう一方の半分のすべての波長で 0 である場合、その色は最大彩度色、セミクローム、またはフルカラーです (これがセミクロームと呼ばれる理由です)。したがって、最大彩度色は最適色の一種です。[ 6 ] [ 7 ]
説明したように、フルカラーは単色とは程遠いものです。最大彩度の色のスペクトル純度が増加すると、可視スペクトルに近づくため彩度が低下し、結果として黒に近づきます。 [ 6 ]
知覚的に均一な色空間では、原色の明度は、紫がかった青色では約30%、黄色がかった色では約90%まで変化します。各最大彩度点の彩度も色相によって異なり、知覚的に均一な色空間にプロットされた最適なカラーソリッドでは、赤、緑、青、紫、マゼンタなどの半色は彩度が高く、黄色、オレンジ、シアンなどの半色は彩度がやや低くなります。
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求と、光スペクトルを測定する新たな可能性が、色の数学的記述に関する集中的な研究を促した。
最適な色の概念は、バルト・ドイツの化学者ヴィルヘルム・オストヴァルト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「最も明るい顔料の理論」（Theorie der Pigmente von größter Leuchtkraft ） [ 5 ]で、与えられた全反射率で生成できる最も彩度の高い色は、任意の波長で反射率がゼロまたは完全な表面によって生成され、反射率スペクトルはゼロと完全な間の遷移が最大で2つしか存在しない必要があることを示しました。
シュレーディンガーの研究は、デイビッド・マクアダムとジークフリート・レッシュによってさらに発展させられました。[ 8 ]マクアダムは、CIE 1931 色空間の最適色ソリッド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 単位刻みで計算した最初の人物です。これにより、彼は許容できる精度で最適色ソリッドを描くことができました。彼の功績により、最適色ソリッドの境界はマクアダム限界(1935 年) と呼ばれています。
現代のコンピュータでは、最適な色彩立体を数秒で高精度に計算することが可能です。通常、計算されるのはマクアダム限界（最適な色、最適な色彩立体の境界）のみです。なぜなら、その他の（最適ではない）可能な表面色はすべてその境界内に存在するからです。
最適な色の単色は、表面の色の理論上の限界を表します。しかし、現実世界では、物体は色的に最適ではありません（少なくとも通常の反射を示す物体はそうではありません）。つまり、実際には、表面の色は、同じ色相と明度の最適な色よりも常に彩度が低くなります。実用的な用途では、より小さく、より現実的な色域が必要になる場合があります。
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色域を発表しました（鏡面反射のある表面、つまり「光沢のある」表面は、この色域から外れることがあります）。[ 9 ]元々は「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、その限界は一般的に「ポインターの色域」と呼ばれています。
この色域は色再現の基準として依然として重要ですが、[ 10 ] ISO SOCS ( Standard Object Colour Spectra ) のように、塗料、印刷物、花、葉、人間の顔、織物など 53,361 の表面をサンプリングした、より正確な表面の実用色域を定義する新しい規格が作成されています。[ 11 ] ISO Reference Colour Gamut (ISORCG、2007 年) [ 12 ] [ 13 ]および Pointer のデータ、1025 の Pantone サンプル、印刷サンプル、および ISO SOCS データから導出された ISO Gamut of Surface Colours (ISOGSC、1998 年) [ 14 ]があります。
減法混色システムでは、色域は多くの場合、不規則な丸みを帯びた領域となる。
CMYKカラースペースの色域は、理想的にはRGBカラースペースの色域と同じです。しかし実際には、ラスター印刷された色が互いに、そして紙とどのように相互作用するか、また吸収スペクトルが理想的ではないため、色域の角は丸みを帯びています。
加法混色方式で原色として使用される光源は明るい必要があるため、一般的に単色光に近いものではありません。つまり、ほとんどの可変色光源の色域は、純粋な単色光（単一波長）を生成することの難しさの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、これは非常に高価で、多くのシステムでは実用的ではありません。しかし、光電子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がすでにこの恩恵を受けています。[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]
加法混色方式を採用するシステムは通常、知覚的に均一な色相・彩度平面（色度図とは異なる）において、おおよそ凸多角形（またはわずかに凹形）となる色域を持つ。この多角形の頂点は、システムが生成できる最も彩度の高い色を表す。
以下は、代表的なカラーシステムを、おおよそ色域の広い順から狭い順に並べたリストです。
Ultra HD Forumは、広色域（WCG）をRec.709およびsRGBよりも広い色域と定義しています。[ 23 ] WCGを含む色空間には以下が含まれます。
シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックのインクを使用して得られる印刷色域は、企業ロゴの色を印刷する場合など、制限となることがあります。そのため、カラー印刷の方法によっては、より広い色域を実現するために追加のインク色を使用するものがあります。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の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色印刷などと呼ばれています。[ 26 ] [ 27 ]
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