色域

コンピュータグラフィックスや写真撮影を含む色再現では、色域、色の完全なサブセットです。 最も一般的な使用法は、所与の色空間内または特定の出力装置など、所与の状況において正確に表すことができる色のサブセットを指す。

それほど頻繁には使用されないが、依然として正しい別の意味は、所与の時間に画像内に見つかる完全な色の集合を指す。 この文脈では、写真のデジタル化、デジタル化画像の異なる色空間への変換、または特定の出力装置を用いた所与の媒体への出力は、一般に、その色域を変更する。プロセス。

前書き
色域という用語は、音楽の分野から採択されました。それは、音楽のメロディーが構成されているピッチの集合を意味します。 シェイクスピアの言葉の使い方は、時には作者/ミュージシャンのトーマス・モーリーに起因する。 1850年代、この言葉は色彩や色調の範囲に適用されました。例えば、「ポルフィーリーは、大理石と同じ色相の広い範囲を通っています」と書いたThomas De Quinceyです。

カラー理論では、デバイスまたはプロセスの色域は、表現または再生可能な色空間の部分である。 一般に、色域は色相 – 彩度面で指定されます。システムは通常、色域内の広い強度範囲で色を生成できます。 （印刷に使用されるような）減色システムでは、システム内で利用可能な強度の範囲は、システム特有の特性（インクの照射など）を考慮することなく、ほとんど無意味である。

特定のカラーモデル内で特定の色を表現できない場合、それらの色はガモットから外れていると言われます。 例えば、純粋な赤はRGB色空間で表現することができるが、CMYK色空間で表現することはできない。 純粋な赤はCMYK色空間のガモットから外れています。

可視色空間全体を再現することができる装置は、カラーディスプレイおよび印刷プロセスの工学において未だ実現されていない目標である。 近代的な手法では近似がますます良くなりますが、これらのシステムの複雑さはしばしば実用的ではありません。

デジタル画像を処理する際に使用される最も便利なカラーモデルはRGBモデルです。 イメージを印刷するには、イメージを元のRGBカラースペースからプリンタのCMYKカラースペースに変換する必要があります。 このプロセスの間、ガマット外のRGBからの色は、何らかの形でCMYK空間ガマット内の近似値に変換されなければならない。 色域外にある色のみを目的の空間で最も近い色にトリミングするだけで、画像が焼き付けられます。 この変換に近似するいくつかのアルゴリズムがありますが、それらの色は単に目標デバイスの能力から外れているため、どれも完全に完全ではありません。 これは、処理中にできるだけ早く目標色空間の色域外にある画像内の色を特定することが、最終製品の品質にとって重要である理由である。

ガマットの表現
ガマットは、CIE1931色度図の領域として、右図に示すように、単色（単波長）またはスペクトルの色を表す曲線の端部で表示されます。

アクセス可能なガマットは明るさに依存します。 したがって、全色域は以下のように3D空間で表現されなければならない。

左の画像は、コンピュータのモニターなどのRGBカラースペース（上）と自然界の反射色のガマットを示しています。 灰色で描かれた円錐は、明るさの次元が追加された右のCIE図にほぼ対応しています。

これらの図の軸は、人間の目の短波長（S）、中波長（M）、長波長（L）のコーンの応答です。 他の文字は、黒（Blk）、赤（R）、緑（G）、青（B）、シアン（C）、マゼンタ（M）、黄（Y）、および白の色（W）を示す。

左上の図は、RGBガマットの形状が、より低い明度で赤、緑、青の間の三角形であることを示しています。 シアン、マゼンタ、イエローの間の三角形がより高い輝度で、単一の白色点が最大の明るさである。 頂点の正確な位置は、コンピュータモニタにおける蛍光体の発光スペクトル、および3つの蛍光体の最大輝度（すなわち、カラーバランス）の比に依存する。

CMYK色空間の色域は、理想的には、色素の正確な特性と光源の両方に応じて、わずかに異なる頂点を有するRGBの色域とほぼ同じです。 実際には、ラスタプリントされた色が互いにや紙と相互作用する方法と、それらの非理想的な吸収スペクトルのために、ガモットはより小さく、角が丸くなります。

自然界の反射色の色域は、より丸みを帯びた形になっていますが、類似しています。 波長の狭い帯域のみを反射する物体は、CIE図のエッジに近い色を有するが、同時に非常に低い光度を有する。 より高い光度では、CIEダイアグラムのアクセス可能な領域は、すべての波長が正確に100％反映される白色の単一点まで小さくなります。 白色の正確な座標は、光源の色によって決定される。

色表現の限界

サーフェス
20世紀の初めに、色を記述する制御可能な方法と光スペクトラムを測定する新しい可能性に対する産業界の要求は、色の数学的記述についての鋭い研究を開始した。

最適な色のアイデアは、ドイツの化学者Wilhelm Ostwaldによって紹介されました。 ErwinSchrödingerは1919年の論文で、特定の全反射率で作成できる最も彩度の高い色が、任意の特定の波長でゼロまたは全反射率のいずれかを持つ表面によって生成されることを示しました（最も高い輝度を持つピグメントの理論）反射スペクトルは、ゼロとフルとの間に最大で2つの遷移を有さなければならない。 したがって、2つのタイプの「最適な色」スペクトルが可能です。スペクトルの両端のゼロから中央のスペクトルへの遷移、または右の図に示すように遷移の両端の1つから中間。 第1のタイプは、スペクトルカラーに類似し、概してCIE xy色度図の馬蹄型部分に従うが、一般に飽和しない色を生成する。 第2のタイプは、CIE xy色度図の直線上の色に似ているが（一般的に飽和度が低い）、マゼンタのような色になります。 Schrödingerの研究はDavid MacAdamとSiegfriedRöschによってさらに発展しました。 MacAdamは、明るさレベルがY = 10から95まで10単位でCIE 1931色空間の最適な色立体の境界上の選択された点の正確な座標を計算する最初の人でした。 これにより、許容可能な精度で最適な色のソリッドを描くことができました。 彼の業績のおかげで、最適な色の固体の境界はMacAdam限界と呼ばれています。 最新のコンピュータでは、秒または分単位で精度の高い最適な色のソリッドを計算することができます。 最も飽和した（または「最適な」）色が存在するMacAdamの限界は、単色の色に近い色は、黄色を除いて非常に低い輝度レベルでしか達成できないことを示している。なぜなら、長い直線緑と赤との間のスペクトル軌跡の線部分は、単色の黄色に非常に近い色を作るために結合する。

光源
加法混色の再現システムにおいて原色として使用される光源は明るくなければならないので、一般に単色に近くない。 すなわち、ほとんどの可変色光源の色域は、純粋な単色（単一波長）光を生成することの困難性の結果として理解することができる。 単色光の最良の技術的供給源はレーザーであり、これはかなり高価で多くのシステムでは実用的ではない。 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はより安価になりつつあり、多くの用途はこれで既に利益を得ることができる。 蛍光検査、干渉計測、半導体検査、遠隔検出、光学データ記憶、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、および光ファイバー通信などの、

加法的カラープロセスを使用するシステムは、通常、色相 – 彩度平面においておおよそ凸多角形である色域を有する。 ポリゴンの頂点は、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であることが多い。

さまざまなシステムの比較
以下は、大規模から小規模の色域の多かれ少なかれ順に並べられ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生まれた実用的なディスプレイ装置で現在入手可能な最も広い色域を生成するために3つのレーザーを使用しています。 システムは、一度に1ドットずつ画像を走査し、CRTの電子ビームと同様に高周波で直接変調するか、または光学的に広げて変調して一度にラインを走査することによって、ライン自体はDLPプロジェクタと同じように変調されます。 レーザは、DLPプロジェクタの光源としても使用できます。 3つ以上のレーザーを組み合わせて色域を広げることができます。これは、ホログラフィで使用されることもあります。
Digital Light ProcessingまたはDLPテクノロジは、Texas Instrumentsの商標技術です。 DLPチップには、200万個までのヒンジマウントされた顕微鏡鏡の長方形アレイが含まれています。 各マイクロミラーは人間の髪の毛の幅の5分の1以下です。 DLPチップのマイクロミラーは、DLP投影システム（ON）またはそれから離れて（OFF）の光源に向かって傾斜する。 これにより、投影面に明るいピクセルまたは暗いピクセルが作成されます。 現在のDLPプロジェクタは、透明な色の「パイスライス」を備えた素早く回転する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、典型的なテレビ、コンピュータ、または家庭用ビデオシステムよりも大きな色域を再現することができる。
CRT及び同様のビデオディスプレイは、可視色空間のかなりの部分をカバーするほぼ三角形の色域を有する。 CRTでは、限界は、赤色、緑色、および青色の光を生成するスクリーン内の蛍光体によるものである。
液晶ディスプレイ（LCD）スクリーンは、バックライトによって放射される光をフィルタリングする。 したがって、LCDスクリーンの色域は、バックライトの放出スペクトルに制限される。 典型的なLCDスクリーンは、バックライト用の冷陰極蛍光灯（CCFL）を使用する。 特定のLEDまたは広域CCFLバックライトを備えたLCDスクリーンは、CRTよりも包括的なガマットをもたらす。 しかしながら、いくつかのLCD技術は、視野角によって提示される色を変える。 In Plane SwitchingまたはPatterned Verticalアライメントスクリーンは、Twisted Nematicよりも幅が広い。
テレビジョンは、通常、CRT、LCDまたはプラズマディスプレイを使用するが、放送の限界のためにそのカラー表示特性を十分には利用しない。 HDTVは、それほど制約が少ないが、例えば、同じディスプレイ技術を使用するコンピュータディスプレイよりもいくぶん少ない。
芸術的および商業的用途の両方のペイントミキシングは、CRTの赤色、緑色および青色またはシアン、マゼンタ、および黄色の印刷よりも大きなパレットから開始することにより、かなり広い色域を達成する。 ペイントは、CRT（特にバイオレット）でうまく再現できない高飽和色を再現することがありますが、全体的に色域は小さくなります。
印刷は、通常、CMYK色空間（シアン、マゼンタ、イエロー、ブラック）を使用します。 黒を含まない印刷プロセスはごくわずかです。 しかし、これらのプロセス（色素昇華型プリンターを除く）は、低い彩度、低い強度の色を表現するのに貧弱である。 非原色のインクを加えることにより、印刷プロセスの範囲を広げるための努力がなされている。 これらは通常オレンジとグリーン（Hexachrome参照）またはライトシアンとライトマゼンタ（CcMmYKカラーモデル参照）です。 非常に特定の色のスポットカラーインクも使用されることがあります。
モノクロディスプレイの色域は、色空間の1次元カーブです。

広い色域
Ultra HD Forumでは、Rec。よりも広い色域としてのWCG（Wide Color Gamut）が定義されています。 WCGには、DCI-P3とRec。 2020年