色彩工学 (3) - RGB色空間
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目次
RGB色空間
一般の場合
色空間上で3次元の値として表される色を現実で利用するためには、光やインクの混ぜ合わせによって任意の色座標の色を再現するための法則を調べる必要がある。
モニターで色を再現する場合、赤・緑・青の3つの光を用いるのが自然だが、これら3つの色は等色実験で用いた原刺激
モニターの発光素子の三原色と参照白色光のxy色度座標が次のように与えられているとする。
(三刺激値が
このとき、これらの三原色で表されるモニターの色座標
となる。
したがって未知の係数
sRGB色空間
sRGB(standard RGB)は1996年にHewlett-PackardとMicrosoftが定義し、その後1999年に国際電気標準会議(IEC)によって標準化された色空間。Webの標準の色空間として定められており、現在コンピューター上で扱うほとんど全ての画像はsRGBに基づいた値で表現されている。
蛍光体を用いたCRT(=ブラウン管)に出力して色を再現することを想定した規格。
三原色と白色点は、1993年にテレビ放送のために定められた規格Rec. 709と同じものを採用している。
(Rec. 709もまた、1968年に定義されたSMPTE Cと、1970年に定義されたPALという規格に基づいて定められている。)
これらの三原色・白色点から、変換行列は次のように計算される。(
白色点は
色度が上記の
sRGBが表現可能な色は、xy色度図上で次の範囲となる。

sRGBが表現可能なxy色度図上の色の範囲と白色点の座標
ガンマ補正
sRGBではXYZ座標を上述の行列によって線形変換した結果の
画像処理の分野でガンマという言葉は「白と黒の中間の色の明るさ」を意味する。ディスプレイの発光素子には、加えた電圧と素子が放つ光の強度が正比例しないガンマ特性という性質がある。行列変換によって直接得られた
逆に、sRGBで保存されたデータをディスプレイに出力するには、ガンマ圧縮の逆の処理を行う必要がある。この処理をgamma expansion(decoding gamma)と呼ぶ。
ガンマ補正という言葉は前者を指すことが多いが、後者を含めてガンマ補正と呼ぶこともあるので注意が必要である。
ガンマ特性は、入力電圧を
sRGBでは、XYZ座標から線形変換された直接の結果

decoding gamma (V→L)
ここで、
原点を通る直線
このように原点付近に直線部分を持つような定義となっている理由は計算上の都合と言われている。

decoding gammaの原点付近の様子
sRGBはXYZからの線形変換をガンマ圧縮し、
なお、ガンマ補正する前のRGBの値をガンマ補正後のR'G'B'と区別してLinear RGBと呼ぶことがある。
Adobe RGB (1998)色空間
1998年にAdobeが定義したAdobe RGBでは次の三原色・白色点を用いる。
これらの三原色・白色点から、変換行列は次のように計算される。
sRGBと比べるとgのみ定義が異なる。Adobe RGBのgはNTSC(1953)に由来する値であり、sRGBよりも緑側に色域が広くなる。
Adobe RGBはsRGBに比べて色域が広いので、Adobe RGBで保存されたファイルをsRGB形式だと思い込んで開くと、(特に緑成分の)色がくすんで見えることになる。

Adobe RGBが表現可能なxy色度図上の色の範囲と白色点の座標
ガンマ補正は次のように定義される。ガンマ値は
sRGBとは異なり、原点付近の直線部分が存在しない簡素な形。
その他のRGB色空間
sRGBとAdobe RGB以外にも白色の色度座標・三原色の色度座標・ガンマを定めることで様々なRGB色空間を定義することができる。
名称 | 白色 | ||||
---|---|---|---|---|---|
NTSC | C | (0.670, 0.330) | (0.210, 0.710) | (0.140, 0.080) | 約2.2 |
PAL/SECAM (Rec.601) | D65 | (0.640, 0.330) | (0.290, 0.600) | (0.150, 0.060) | 約2.2 |
SMPTE-C | D65 | (0.630, 0.340) | (0.310, 0.595) | (0.155, 0.070) | 約2.2 |
sRGB (Rec.709) | D65 | (0.640, 0.330) | (0.300, 0.600) | (0.150, 0.060) | 約2.2 |
Display P3 | D65 | (0.680, 0.320) | (0.265, 0.690) | (0.150, 0.060) | 約2.2 |
Adobe RGB (1998) | D65 | (0.640, 0.330) | (0.210, 0.710) | (0.150, 0.060) | 約2.2 |
Rec.2020 | D65 | (0.708, 0.292) | (0.170, 0.797) | (0.131, 0.046) | 約2.0 |
ProPhoto | D50 | (0.734699, 0.265301) | (0.159597, 0.840403) | (0.036598, 0.000105) | 約1.8 |
PALとNTSCはそれぞれヨーロッパとアメリカの放送で用いられる映像信号の規格である。
色差色空間
YUV色空間
YUV色空間の誕生には白黒テレビとカラーテレビの互換性の歴史が関わる。
元々白黒テレビでは輝度
そこで、(ガンマ補正後の)
ルーマ
この係数の由来はNTSCにある。NTSCではRGBからXYZへの変換行列は以下のようになる。
本来輝度
色差
となり、最大値・最小値がそれぞれ2点で成り立つように定められる。
ここで、
特に、
これらの内、2は6の条件を、4は3の条件を、5は1の条件を含むので、2, 4, 5を全て満たすように未知数

これにより「4かつ5」を満たすだけで2は自動的に満たされることがわかる。
等式が2点で成り立つ必要があるので、4と5それぞれの境界の交点を求めれば良いことがわかる。4と5の等式部分より、
となるので、これを逆行列によって解くことで
を得ることができる。
つまり、色差は次のように計算することができるということになる。(0.436, 0.615はそれぞれ
R'G'B'からYUVへの変換は最終的に次の式になる。

Y'=0.5の場合
YIQ色空間
YIQは人間の視覚に合わせてU, Vを33°回転させることで、人の目が敏感な色領域により多くの情報量を割いて送信することを目的とした色空間。
YUVがヨーロッパのPALで使われるのに対して、YIQはアメリカや日本で採用されているNTSCで使われている。


Y'=0.5の場合
YCbCr色空間
YCbCrはYUVの
- Rec.601
- Rec.709
円筒色空間
円筒色空間は画像処理ソフトでよく使われる色空間。CIELABのようにRGBを人間の知覚的な概念に結びつけ、直感的に扱えるようにしたもの。
HSL色空間
HSL色空間は1938年にフランスの通信技術者Georges Valensiによって設計された色空間。
HSLはそれぞれ色相(Hue)、彩度(Saturation)、輝度(Lightness)を意味する。

L=1/2, S=1のときのHに対するR'G'B'の挙動

HSL色空間
HSV色空間
HSV色空間は1978年にアメリカのCG技術者Alvy Ray Smithが発表した色空間。
HSVはそれぞれ色相(Hue)、彩度(Saturation)、明度(Value)を意味する。
Hの定義はHSL空間と同じで、VとSは以下のように定義される。

HSV色空間
上記の定義では円筒の色空間になるが、HSVは