CIE色空間、CIE 1931とCIE 1976 の違いを解説

人間はなぜ色を認識することができるのでしょうか？。人間の目には、長波長、中波長、短波長に対応した3種類の錐体細胞があり、人間が色を認識できるのは、それらの錐体細胞のおかげです。単色は光の波長によって定義されますが、実際に人間が見るのは様々な波長が混ざりあった混色です。色と人間の色の認識を定量化して特徴付けるために開発されたシステムが複数あります。人間が知覚するすべての色を色度座標(x,y)で表現するのがCIE1931色空間です。この色度座標上で人間が同じ色と認識する領域を示したものがMacAdam楕円です。CIE1931色空間では、MacAdam楕円は円形ではなく、また色によってサイズ、向きが異なり、色の差を比較するのには向きません。その欠点を解決するために開発されたのが、CIE1960色空間です。CIE1960の(u,v)座標はCCT(相関色温度)やDuv(色偏差)を計算するのに使用されます。この他に、標準偏差カラーマッチング(SDCM)ステップの評価に使用されるCIE1976(u’,v’)、TM-30の演色性評価システムで使用されるCAM02UCS(a’,b’)などがあります。このように色と人間の色の認識を定量化するシステムは複数あります。これらをわかりやすく解説したブログ記事をご紹介します。

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CIE色空間とは何ですか? CIE 1931 と CIE 1976 の違いは何ですか?

CIE色空間とは？

色と人間の色の認識を定量化して特徴付けるために、国際照明委員会 (CIE、国際照明委員会) によって開発されたシステムです。

光の可視スペクトルには、約 380 ～ 740 ナノメートル (nm) の電磁波長が含まれます。人間の目の桿体と錐体と呼ばれる光受容細胞は、この範囲の光波に反応し、視覚処理システム/脳が光と色の認識に変換します。具体的には、錐体は私たちが色をどのように認識するかを決定します。色と人間の色の認識を定量化して特徴付けるために開発されたシステムが複数あります。これらの中で最も重要なものは、国際照明委員会 (CIE、国際照明委員会) によって開発されたシステムです。

人間の色の知覚

図１

人間の目には、長、中、短 (または L、M、S) の 3 種類の錐体細胞があり、それぞれが可視波長スペクトルの特定の範囲に敏感です。図1は、正規化された人間の錐体応答を示しています。曲線のピークは、各種類の錐体が最も強い応答を持つ場所を示しています。錐体応答は、開発されたすべての色表現システムの基礎ですが、使用される実際の数学関数にはいくつかの違いがあります。これらの違いは、目の中の桿体と錐体の分布に関連しており、主に人間の視覚研究から得られた経験的データに基づいています。錐体は個々の波長を認識しませんが、代わりに、さまざまな強度の曲線の下にあるすべての波長のブレンドが見えます。

図１：個々の錐体細胞の反応: S 錐体は紫/青の範囲の短波長の光に最も強く反応し、M 錐体は緑の範囲の中波長の光により多く反応し、L 錐体は黄色/オレンジ /赤の範囲のより長波長の光に最も強く反応します。

人間の光学系の詳細については、Luminus ヘルプセンターの記事を参照してください。
How do Humans See Light and Color？（外部リンク）

色の定量化: 三刺激反応曲線

図2

1920 年代、科学者のウィリアム・デイビッド・ライトとジョン・ギルドは、人間の色の知覚を定量化することを目的とした一連の実験を実施しました。これらの実験は、最初の RGB (赤、緑、青) 「色空間」の開発の基礎を築きました。これは、3 つの純粋な (単色) 原色の波長によって定義される限界を持つ数学的領域です。 1931 年、CIE はこの研究をさらに進め、人間が見る色の物理的特性を科学的に定量化するための基準を定義しました。一般に「CIE 1931」と呼ばれるその結果は、平均的な人間の目で認識できるすべての色を定量化する数学システムでした。

図２：三刺激曲線は人間の視覚のスペクトル応答をグラフ化したものです。曲線は、各波長の強度をどのように認識するかに基づいた錐体の相対的な応答を示しています。各曲線のピークは、その色の知覚が最も強くなる波長にあります。

CIE は、標準 (比色) オブザーバーと呼ばれるカラーマッピング関数を定義しました。これは、2° 円弧内の人間の中心窩 (錐体が最も集中している網膜の領域) の平均的な人間の色応答を表します。 3 つの分光感度曲線には X、Y、Z のラベルが付けられています。私たちが見るすべての色は、これら 3 つの赤、緑、青 (RGB) の「原色」の混合であり、各錐体タイプの応答を波長の関数としてグラフ化する三刺激曲線で表されます。

したがって、人間の色知覚の全範囲は、図2のグラフの 3 つの曲線すべての下の面積で表されます。変数 x_bar、y_bar、z_bar は、三刺激線図内の任意の点の輝度 (明るさ/強度) と色度 (色) の値の両方を含むカラーマッチング関数です。これらは、20 世紀初頭に行われたオリジナルの色知覚研究に基づいた円錐の数学的表現です。

これらの関数は、光源の三刺激値 (X、Y、Z) を計算するために使用され、その後正規化されて 1931 CIE 色空間で使用される x、y 座標が生成されます。これらの計算の詳細については、Luminus ヘルプセンターの記事「SPD から CIEx と CIEy を計算するにはどうすればよいですか?」に記載されています。

How do I calculate CIEx and CIEy from an SPD？（外部リンク）

CIE 1931 色空間

図３

三刺激関数曲線とともに、1931 年に CIE は、人間が知覚するすべての色のグラフィック表現である「色空間」も形式化しました。図3を参照してください。実際には、人間の色の知覚は 3 次元の現象です。 CIE 色空間は、人間が知覚する輝度 (明るさ) と色度 (色) の値を表す 2 次元の馬蹄形のグラフに変換されています。グラフ上の任意の点の色度座標には、x と y (または Cx と Cy) のラベルが付けられます。

私たちが見るすべての色は、3 つの原色 R、G、B がさまざまな量で混合されたものです。純粋な RGB 値は、三角形色空間の 3 つの極点に表示されます。色空間の外側の湾曲した境界はスペクトル軌跡と呼ばれます。これは、単一波長の純粋な色相を表す単色点によって定義されます。あらゆる色をこの色空間上の座標として定量化するために、CIE は数学的な「カラーマッチング関数」を指定します。関数は、色空間内の任意の点の三刺激値 (X、Y、Z) に基づいて導出されます。

CIE 色空間は、その誕生以来、印刷、光源の特性評価、光学設計、照明されたディスプレイ画面の測定など、広範囲のアプリケーションで色の正確な測定、表現、複製を可能にしてきました。 CIE 色空間も、1960 年に 1 回、1976 年に 2 回、再スケールされています。

図３：CIE 1931 色空間のグラフィック表現。2° 標準観察者に基づいて人間の目に見えるすべての色を網羅します。青色の数字はスペクトル軌跡上の単色光の波長です。画像はクリエイティブコモンズ (CC By-SA 3.0) に基づいてライセンスされています。

マクアダム楕円(MacAdam Ellipses)

図４

1930 年代後半から 1940 年代初頭にかけて、科学者のデビッドマクアダムは、人間の色の識別、つまり色の違いの認識を理解するための一連の実験を主導しました (LED 照明では、これらの違いは色温度として測定されます)。この研究の結果は、図4に示すように、Perley Nutting によって CIE 色空間図上にプロットされた、同名の MacAdam Ellipses です。各楕円は、人間の視覚が同じ色として認識する領域を囲んでいます (ただし、説明のために、楕円は実際のサイズの 10 倍で描かれています)。各楕円の中心点は「ターゲット」色 (実験で使用される開始点の色の値) です。

たとえば、x=0.4、y= 0.52 の点の黄色は、x=3.8、y=0.46 の点の色と同じように私たちの目に見え、両方ともその中心点の色と同じに見えます。楕円。 3 つのポイントは、平均的な人間の視聴者には区別できません。

図４：1931 CIE 色空間で表示された MacAdam 楕円。画像はクリエイティブコモンズ (CC By-SA 3.0) に基づいてライセンスされています。

科学者たちは、楕円はすべて円形であり、規則的にずれているだろうと予想していました。明らかに、楕円のサイズ、方向、形状は非常に多様です。この発見は、見かけの歪みを軽減し、色の知覚のさまざまな側面をより適切に表現する、CIE 色空間のいくつかの新しいバージョンの開発につながりました。

CIE 1960 and CIE 1976

1960 年に、CIE は、図5に示す新しい色度図、1960 CIE 均一色空間 (UCS) を発表しました。 CIE 1960 色空間は、プランク軌跡を参照して別の色の概念である相関色温度 (CCT) を定量化するシステムの基礎でした。 CCT の詳細については、Luminus ヘルプセンターの記事「LED 照明における CCT、CIE、および SPD の意味は何ですか?」を参照してください。現在、1960 UCS は主に CCT の計算に使用されています。図5に示されている等温線は、プランク軌跡に垂直です。

What does CCT, CIE, and SPD mean in LED lighting？（外部リンク）

図５

図５：CIE 1960 均一色空間。色温度の区別を表します。 (画像クレジット: Adoniscik)

図６

その後、CIE は 1976 年に、CIE L*u*v* (または CIELUV) 色空間とも呼ばれる新しい色空間を発行しました。色度の違いの割合をよりよく表現するために調整されました。以前の x、y または u、v 変数を置き換えて、1931 年の三刺激値 XYZ 値または色度座標 xy から計算できる新しい変数 u’v’ が使用されます。

図6：CIE 1976 色空間のグラフィック表現。人間の色の知覚における比例的な違いをより適切に表すために再スケールされています (MacAdam らによって測定)。 x、y の色度値は u’v’ に置き換えられています。画像はクリエイティブコモンズ (CC By-SA 3.0) に基づいてライセンスされています。

図７

また 1976 年には、CIE L*a*b* (CIELAB) スペースが導入されました。これは、色を 3 つの値で表現する 3 次元表現です。L* は輝度、a* と b* は人間の視覚の 3 色 (赤、緑、青に黄色を加えたもの) です。改訂された色空間は、ほぼ同じ輝度で色の間隔がより均一になるようにスケーリングされました。 CIELAB は、CAM02 および CAM02-UCS (a’、b’) として改良され、一次視覚野における神経活動のより妥当性のあるモデルであることが示されています。

図7：CIELAB (または CIE L* a* b*) 色空間図。3 つの軸で色の定量的関係を表します。L* 値は明度を示し、a* および b* は色度座標です。平面の中心はニュートラルまたは無彩色です。中心軸からの距離は、色の彩度 (C*) を表します。色度軸上の角度は色相を表します。

これらの色空間はすべて今でも使用されています。 CIE 1931、1960、および 1976 システムはすべて相互に線形変換されており、特定の計算に最適なシステムに簡単に変換できます。 LED の世界での用途の一部の概要は次のとおりです。

CIE 1931 x、y は、LED カラーポイントを指定し、ビン構造を定義するために使用されます。
CIE 1960 u,v は、白色点の CCT と Duv を計算するために使用されます。
CIE 1976 u’,v’ は、ANSI C78.377 および CIE TN 001:2014 で推奨されているように、任意のカラーポイントにおける標準偏差カラーマッチング (SDCM) ステップのサイズと形状を評価するために使用されます。
CAM02UCS a’,b’ は、TM-30 演色性評価システムで使用されます。

詳細については、ヘルプセンターの記事を参照してください。

Color Quality Metrics（外部リンク）
Achieving Optimal Color Rendition with LEDs（外部リンク）

まとめ

色と人間の色の認識を定量化して特徴付けるために、国際照明委員会 (CIE、国際照明委員会) によって開発された様々な指標をご紹介いたしました。最後に、CIE 1931とCIE 1976 の違いについてまとめます。

CIE 1931とCIE 1976 の違いとは？

CIE1931は、1931年に定義され、今でも広く使用されています。人間が知覚する輝度 (明るさ) と色度 (色) の値を表す 2 次元の馬蹄形のグラフに変換し、グラフ上の任意の点の色度座標には、x と y のラベルが付けられます。しかし、人間の視覚が同じ色として認識する領域の大きさが色によって異なる欠点があります(マクアダム楕円のサイズ、方向、形状が不均一)。CIE1976は、この欠点の改善を目指し開発されたもので、人間の色の知覚における比例的な違いをより適切に表すために再スケールされています。SDMC(色のばらつき)を評価する指標として使われています。

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