CIE 1931 色空間

CIE1931色空間：色の世界標準

CIE1931[色]]空間、あるいはCIE1931表色系は、光の物理的な特性と人間の色の知覚を結びつける画期的な色空間です。1931年に国際照明委員会]によって定義され、現代のカラーマネージメントにおいて欠かせない基盤となっています。[[印刷インキ、ディスプレイ、デジタルカメラなど、あらゆる色彩再現技術において、この色空間の数学的な関係式が活用されています。

CIEは1931年、CIE 1931 RGB色空間とCIE 1931 XYZ色空間の2つの色空間を同時に発表しました。CIE RGB色空間は、ライトとギルドによる複数の等色実験の結果と、CIEが1924年に定めた2度視野における明所視標準分光視感効率V(λ)を基に導き出されました。その後、実用性を高める目的で、CIE RGB色空間から変換されたCIE XYZ色空間が定義されました。

CIEはその後も色空間モデルの改良を続け、1976年にはCIELUVとCIELAB、近年ではCIECAM02といったモデルを発表していますが、CIE 1931色空間は現在でも世界標準として広く利用されています。

三刺激値：色の数値化

人間の目は、網膜の錐体細胞が光の波長に応じて異なる反応を示すことで色を認識します。短波長に感度のピークを持つS錐体、中波長に感度のピークを持つM錐体、長波長に感度のピークを持つL錐体です。これらの錐体細胞の反応を3つの数値で表現したものが三刺激値です。

物理的な光は、無数の波長とエネルギー強度からなる複雑な情報ですが、人間の目はそれを3つの錐体細胞の反応値として捉えるため、三刺激値を用いることで色を簡潔に表現できます。代表的な三刺激値に基づく色空間として、LMS色空間やCIE XYZ色空間が挙げられます。LMS色空間は錐体細胞の反応値を直接的に表現しますが、CIE XYZ色空間では、負の値を取らないように、また、Y成分が輝度と一致するように、実在しない色を原色として定義しています。

CIE XYZ色空間は、人間の知覚可能なすべての色を網羅しているため、デバイス非依存の色表現として利用されます。多くの他の色空間は、CIE XYZ色空間を基準として定義されています。

条件等色（メタメリズム）

異なる分光強度分布を持つ光源であっても、人間の目が同じ色として認識する場合があります。これを条件等色（メタメリズム）といいます。このような場合、両方の光源は同じ三刺激値を持っています。

CIE測色標準観察者

三刺激値は、観察者の視野や錐体細胞の分布状況によって変動します。この変動性を排除するために、CIEは標準的な色覚を持つ観察者を定義しました。CIE 1931 2度測色標準観察者は、中心窩から2度の視野角を対象として定義されています。CIE 1964 10度測色標準観察者も存在しますが、あまり使用されていません。

等色関数

等色関数は、CIE測色標準観察者の色覚応答を数値で表したものです。CIE XYZ三刺激値のスペクトル感度を表し、光の波長ごとの刺激値を定義します。これらの関数は、ガウス関数などで近似することも可能です。

スペクトルからの計算

光源の色をCIE XYZ三刺激値で表すには、光の分光放射輝度と等色関数を用いて積分計算を行います。色料の場合も同様ですが、光源の分光分布と色料の反射率または透過率を考慮する必要があります。

CIE xy色度図とCIE xyY色空間

CIE XYZ色空間では、Y成分が輝度を表します。色度は、X, Y, Zから正規化されたxとyで表されます。x, yとYを用いて定義されるのがCIE xyY色空間です。

CIE xy色度図は、人間の知覚可能な色域を2次元に表現したものです。図の外側の曲線はスペクトル軌跡と呼ばれ、単色光の色を表します。色域内にあるすべての色は正のx, y, z値で表現できます。

色度図では、色の距離が実際の色の差異と必ずしも一致しません。このため、知覚的均一性を追求したCIE 1960, CIE 1964, CIE 1976などの色空間が提案されました。

CIE XYZ色空間の定義：CIE RGB色空間

CIE RGB色空間は、700 nm(赤)、546.1 nm(緑)、435.8 nm(青)の単色光を原色とするRGB色空間です。ライトとギルドの実験結果に基づき定義されました。これらの実験では、試験色と原色の混合色を一致させることで等色関数が求められました。試験色に原色を混色する場合は負の値として扱われ、これにより人間の知覚できる範囲の色を網羅することができました。

グラスマンの法則

グラスマンの法則は、人間の色の知覚の線形性を表す法則です。これにより、異なる原色光を用いた実験結果でも、CIE RGB色空間とCIE XYZ色空間が線形変換で結びつくことが説明できます。

ライトとギルドの実験結果からCIE XYZ色空間へ

CIE RGB色空間からCIE XYZ色空間への変換は、線形変換によって行われ、負の値を取らない、Y成分が輝度と一致する、白色点でx = y = z = 1/3となるなど複数の条件を満たすように設計されています。

その後の改良

CIE 1931色空間には、短波長域の精度不足などの問題点がありました。このため、ジャッド・フォス修正、CIE 1964 X10Y10Z10、CIE 170-2 XFYFZF、CIE 170-2 XF,10YF,10ZF,10などの改良版が提案されています。これらの改良版は、より正確な色表現や広色域ディスプレイへの対応を目指しています。

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