RGBカラーモデル – HiSoUR 芸術文化美術歴史

RGBカラーモデルは、赤、緑、青の光をさまざまな方法で加算して幅広い色を再現する加法カラーモデルです。モデルの名前は、赤、緑、青の3つの加法原色の頭文字から来ます。

RGBカラーモデルの主な目的は、従来の写真撮影でも使用されているが、テレビやコンピュータなどの電子システムにおける画像のセンシング、表現、および表示のためである。電子時代の前に、RGBカラーモデルは、色の人間の知覚に基づいて、それの背後に既に堅実な理論を持っていました。

RGBは、デバイス依存のカラーモデルです。異なるデバイスは、色要素（蛍光体や染料など）と個々のR、G、Bレベルに対する応答が製造元によって異なるため、RGB値を異なる方法で検出または再現します。または同じデバイス内であっても時間の経過とともに。したがって、RGB値は、何らかの種類のカラーマネージメントなしにデバイス間で同じ色を定義しません。

一般的なRGB入力デバイスは、カラーTV、ビデオカメラ、イメージスキャナ、デジタルカメラです。典型的なRGB出力デバイスは、さまざまな技術（CRT、LCD、プラズマ、OLED、量子ドットなど）、コンピュータおよび携帯電話ディスプレイ、ビデオプロジェクタ、マルチカラーLEDディスプレイ、JumboTronなどの大画面テレビです。一方、カラープリンタはRGBデバイスではなく、減法混色デバイス（通常はCMYKカラーモデル）です。

この記事では、RGBカラーモデルを使用するさまざまな色空間に共通の概念について説明します。これらの色空間は、カラー画像生成テクノロジの1つの実装または別の実装で使用されます。

追加色
RGBで色を形成するには、（例えば、黒いスクリーンからの放射または白いスクリーンからの反射によって）3つの光線（赤色、緑色、および青色）を重ねなければならない。 3つのビームのそれぞれは、その色の成分と呼ばれ、それらの各々は、混合物中の完全オフから完全オンへの任意の強度を有することができる。

RGBカラーモデルは、3つの光ビームが加算され、その光スペクトルが波長の波長を加えて最終的な色のスペクトルを作るという意味で相加的です。これは、塗料、インク、染料、その他の物質に適用される減法混色モデルと本質的に正反対です。その色は、私たちが見る光の反射に依存します。プロパティのために、これらの3つの色は白を作成します。これは、混在すると黒くなるような物理的な色とはかなり対照的です。

各成分のゼロ強度は最も暗い色（光がなく、黒と見なされます）を与え、それぞれの完全な強度が白を与えます。この白色の品質は、主光源の性質に依存しますが、適切にバランスされていると、システムの白色点に合った白色のニュートラルです。すべての成分の強度が同じ場合、その結果は強度に応じて灰色、濃い、または薄い色合いになります。強度が異なる場合、その結果は、使用される原色の強度の最も強いものと最も弱いものとの差に応じて多かれ少なかれ飽和した色相となる。

一方の成分が最も強い強度を有する場合、その色はこの原色（赤、緑または青）の近くの色合いであり、2つの成分が同じ強度で最も強い場合、その色は2次色の色相シアン、マゼンタ、イエローのいずれか）。シアンは緑+青、マゼンタは赤+青、黄は赤+緑の2つの原色の和によって二次色が形成される。すべての2次色は1つの原色の補色です。プライマリとそれに相補的なセカンダリカラーが一緒に追加されると、結果は白です：シアンは赤を補完し、マゼンタは緑を補完し、黄は青を補完します。

RGBカラーモデルそのものは、赤、緑、青の測色値を明示的に定義していないため、それらを混合した結果は絶対値ではなく、原色に対して相対的に指定されます。赤色、緑色、青色の原色の正確な色度が定義されると、カラーモデルはsRGBやAdobe RGBなどの絶対色空間になります。詳細については、RGBカラースペースを参照してください。

赤、緑、青の選択のための物理的原理

原色の選択は、人間の眼の生理学に関連している。良好な原色は、異なる波長の光に対するヒト網膜の錐体細胞の応答の差を最大にする刺激であり、それによって大きな色の三角形を作る。

ヒトの眼の正常な3種の感光性光受容体細胞（コーン細胞）は、黄色（長波長またはL）、緑色（中型またはM型）、および紫色（短またはS）光（570nm付近のピーク波長、540nmおよび440nm）。 3つの種類から受け取った信号の違いにより、脳は色の異なる色域を区別することができ、黄緑色の光に最も敏感であり、緑色から橙色の領域に色相の違いがあります。

一例として、オレンジ色の波長（約577nm〜597nm）の光が眼に入り、網膜に当たると仮定する。これらの波長の光は、網膜の中波長および長波長の両方の円錐を活性化するが、同等ではない。長波長の細胞がより応答する。応答の違いは脳によって検出され、この差はオレンジ色の認識の基礎となります。したがって、物体のオレンジ色の外観は、物体からの光が私たちの目に入り、同時に異なる円錐を刺激するが、異なる程度に起因する。

3原色を使用するだけでは、すべての色を再現することはできません。原色の色度によって定義される色の三角形内の色のみが、これらの光の色の非負の量の加算混合によって再現され得る。

RGBカラーモデルの理論と使用の歴史
RGBカラーモデルは、19世紀初頭〜19世紀のトーマス・ヤングとヘルマン・ヘルムホルツによって開発された三色色覚のヤング・ヘルムホルツ理論と、理論を精緻化したジェームズ・クラーク・マックスウェルの色彩三角形（1860年頃）に基づいています。

写真
初期のカラー写真でのRGBによる最初の実験は、1861年にMaxwell自身が行ったもので、3回のカラーフィルタリングされた別々のテイクを組み合わせるプロセスを含んでいました。カラー写真を再現するためには、暗室内のスクリーン上に3つの一致する投影が必要であった。

加法RGBモデルおよびオレンジ – グリーン – バイオレットのような変種は、AutochromeLumièreカラープレートおよび20世紀初頭のJolyカラースクリーンおよびPagetプロセスなどの他のスクリーン – プレート技術にも使用されていました。 1909年から1915年のロシアのSergey Prokudin-Gorskyのような他のパイオニアは、3枚の別々のプレートを使ってカラー写真を撮影しました。このような方法は、高価で非常に複雑な3色カルブロオートタイププロセスを使用して約1960年まで続きました。
採用した場合、3枚の写真からのプリントの再現は、フィルタリングされたテイクのネガプレートを使用するだけで補色CMYモデルを使用する染料または顔料によって行われました。逆の赤がシアンプレートを与えます。

テレビ
実用的な電子TVの開発に先立ち、ロシアでは1889年に機械的に走査されたカラーシステムに関する特許がありました。カラーテレビのパイオニアであるJohn Logie Bairdは、1928年に世界で初めてRGBカラー伝送を、そして1938年にはロンドンで世界初のカラー放送を実演しました。彼の実験では、色彩化された車輪を回転させて機械的に走査および表示を行った。

コロンビア放送システム（CBS）は、1940年に実験的なRGBフィールドシーケンシャルカラーシステムを開始しました。画像は電気的にスキャンされましたが、システムは依然として可動部品を使用していました：透明なRGBカラーホイールは垂直スキャンと同期して1,200rpm以上で回転します。カメラと陰極線管（CRT）はいずれも単色であった。カラーは、カメラとレシーバのカラーホイールによって提供されました。より最近では、テキサスインスツルメンツのモノクロDLPイメージャに基づくフィールドシーケンシャル投影テレビ受信機にカラーホイールが使用されている。

カラーCRTディスプレイ用の最新のRGBシャドーマスク技術は、1938年にドイツのWerner Flechsigによって特許取得されました。

パソコン
Apple、Atari、Commodoreなどの初期の1970年代後半から1980年代初頭のパーソナルコンピュータでは、色を管理する主な方法としてRGBを使用せず、ビデオを合成しました。 IBMは、最初のIBM PC（1981）用のカラー・グラフィック・アダプター（CGA）を使用して16色の方式（赤、緑、青、および強度ごとに1ビットずつ4ビット）を導入し、後に拡張グラフィック・アダプター）1984年にPC用のトゥルーカラーグラフィックカードの最初のメーカー（TARGA）は1987年にTruevisionでしたが、1987年にVideo Graphics Array（VGA）が登場して以来、RGBはアナログ非常に広範囲のRGBカラーを可能にするアダプタとモニタとの間の接続における信号。実際、VGAよりも自由度は高いが、VGAコネクタはアナログであったため、VGAの後継バージョン（非公式の下で様々なメーカーによって製造された）のため、元のVGAカードはEGAと同じようにパレット駆動されていたため、名前スーパーVGA）はついにトゥルーカラーを追加しました。 1992年、雑誌はtruecolor Super VGAハードウェアを大量に宣伝していました。

RGBデバイス

RGBとディスプレイ
カラーCRTの切出し：1.電子銃2.電子ビーム3.フォーカシングコイル4.偏向コイル5.アノード接続6.表示された画像の赤、緑、青部分のビームを分離するマスク7.赤、緑色および青色のゾーン8.スクリーンの蛍光体でコーティングされた内側の拡大図

RGBカラーモデルの1つの一般的な用途は、陰極線管（CRT）、液晶ディスプレイ（LCD）、プラズマディスプレイ、またはテレビジョン、コンピュータモニタなどの有機発光ダイオード（OLED）または大規模な画面に表示されます。画面上の各ピクセルは、3つの小さくて非常に近いがまだ分離されたRGB光源を駆動することによって構築される。一般的な視聴距離では、別々の音源が区別できないので、目を奪って特定の単色を見ることができます。矩形のスクリーン表面に一緒に配置された全てのピクセルは、カラー画像に適合する。

デジタル画像処理の間、各ピクセルは、赤、緑、および青の色成分のバイナリ値として、コンピュータメモリまたはインターフェースハードウェア（例えば、グラフィックスカード）で表すことができる。適切に管理されると、これらの値はガンマ補正を介して強度または電圧に変換され、意図された強度がディスプレイ上に再現されるように、いくつかのデバイスの固有の非線形性を補正する。

SharpによってリリースされたQuattronはRGBカラーを使用し、利用可能なカラーの数を増やすことができると思われるサブピクセルとして黄色を追加します。

ビデオエレクトロニクス
RGBは、ビデオエレクトロニクス業界で使用される一種のコンポーネントビデオ信号を指す言葉でもあります。赤、緑、青の3つの信号で構成され、3本の別々のケーブル/ピンで伝送されます。 RGB信号フォーマットは、しばしば、モノクロームビデオ用のRS-170およびRS-343標準の修正バージョンに基づいています。このタイプのビデオ信号は、標準のSCARTコネクタで伝送できる最高品質の信号であるため、ヨーロッパで広く使用されています。この信号はRGBS（BNC / RCA終端ケーブル4本もあります）として知られていますが、コンピュータモニタ用のRGBHVと直接互換性があります（通常15ピンD-subまたは5 BNCコネクタで終端された15ピンケーブル）別個の水平および垂直同期信号を搬送する。

ヨーロッパ以外では、RGBはビデオ信号フォーマットとしてあまり普及していません。 S-Videoはヨーロッパ以外のほとんどの地域でその地位を占めています。しかし、世界中のほぼすべてのコンピュータモニタはRGBを使用しています。

ビデオフレームバッファ
フレームバッファは、いわゆるビデオメモリ（ビデオRAMまたは同様のチップのアレイを含む）にデータを格納するコンピュータ用のデジタルデバイスである。このデータは、3つのデジタル・アナログ変換器（DAC）（原色ごとに1つ）またはデジタル・モニタに直接送られます（アナログ・モニタ用）。ソフトウェアによって駆動され、CPU（または他の特殊なチップ）はビデオメモリに適切なバイトを書き込んで画像を定義する。現代のシステムは、R、G、およびB成分のそれぞれに8ビットを割り当てることによって、ピクセルカラー値を符号化する。 RGB情報は、ピクセルビット自体によって直接運ばれるか、またはインデックスカラーグラフィックモードが使用される場合には別個のカラールックアップテーブル（CLUT）によって提供される。

CLUTは、特定の色を定義するR、G、Bの値を格納する特殊RAMです。各色には独自のアドレス（インデックス）があります。画像に必要なときにその特定の色を提供する説明的な参照番号として扱います。 CLUTの内容は色のパレットによく似ています。インデックス付きカラーを使用する画像データは、特定のピクセルごとに必要なR、G、B値を一度に1ピクセルずつ提供するために、CLUT内のアドレスを指定します。もちろん、表示する前に、各画像のレンダリングに必要な色のパレットを定義するR、G、Bの値をCLUTにロードする必要があります。ビデオアプリケーションの中には、このようなパレットをPALファイル（Microsoft AOEゲーム、たとえば半ダース以上のもの）に格納し、画面にCLUTを組み合わせることができます。

RGB24およびRGB32
この間接スキームは、画像CLUT内の利用可能な色の数を、典型的には256-立方体（0〜255の値を有する3つの色チャネルの8ビット）に限定するが、RGB24CLUTテーブルの各色は、 R、G、Bの原色の組み合わせの数学の理論は、これは任意の与えられた色が16,777,216の可能な色のうちの1つであることを意味する。ただし、インデックス付きのカラーイメージファイルは、各プライマリに対して1ピクセルあたりわずか8ビットの場合よりも大幅に小さくすることができます。

しかし、現代のストレージは、コストが非常に低く、画像ファイルのサイズを最小限に抑える必要が大幅に減ります。赤、緑、青の強度を適切に組み合わせることにより、多くの色を表示することができます。現在の典型的なディスプレイアダプタは、各ピクセルについて24ビットの情報を使用します.1つのコンポーネントにつき8ビットに3つのコンポーネントを掛けたものです（24ビット= 2563、各主要値は0〜255の値です）このシステムでは、R値、G値、B値の16,777,216（2563または224）個の離散的な組み合わせが許され、何百万もの異なる色相、彩度、明度の異なる色合いを提供します。 .pngファイルや.tgaファイルなどのいくつかのフォーマットは、第4のグレースケールカラーチャネルをマスキングレイヤー（しばしばRGB32と呼ばれる）として使用します。

最も暗いものから最も明るいものまで適度な範囲の明るさを持つ画像の場合、原色あたり8ビットが良好な画像を提供するが、極端な画像は、高度な表示技術だけでなく、原色あたりより多くのビットを必要とする。詳細については、高ダイナミックレンジ（HDR）イメージングを参照してください。

非線形性
従来の陰極線管（CRT）装置では、加速された電子の衝撃による蛍光スクリーン上の所定の点の輝度は、電子銃制御グリッドに印加される電圧に比例するのではなく、その電圧の広範な関数に比例する。この偏差の量は、ガンマ値（{\ displaystyle \ gamma} \ gamma）として知られています。これは、この法則を詳しく説明しているべき乗則関数の引数です。線形応答はガンマ値1.0で与えられるが、実際のCRT非線形性は約2.0〜2.5のガンマ値を有する。

同様に、TVおよびコンピュータ表示装置の出力の強度は、R、GおよびBの印加された電気信号（または、デジタル – アナログ変換器を介して駆動されるファイルデータ値）に正比例しない。典型的な標準的な2.2ガンマCRTディスプレイでは、（0.5,0.5,0.5）の入力強度RGB値は、50％の代わりに最大輝度（1.0,1.0,1.0）の約22％しか出力しない。正しい応答を得るために、画像データを符号化する際にガンマ補正が使用され、場合によっては装置の色較正プロセスの一部として更なる補正が使用される。ガンマは白黒テレビやカラーにも影響します。標準的なカラーTVでは、放送信号はガンマ補正される。

RGBとカメラ

1990年代前に製造されたカラーテレビとビデオカメラでは、入射光をプリズムとフィルターで3つのRGB原色に分離し、それぞれの色を別々のビデオカメラチューブ（またはピックアップチューブ）に供給しました。これらの管は陰極線管の一種であり、CRTディスプレイとは混同しないようにしています。

1980年代に商業的に実行可能な電荷結合素子（CCD）技術が登場したことで、まずピックアップチューブがこの種のセンサに置き換えられました。その後、より高度な集積エレクトロニクスが（主にソニーによって）適用され、中間光学素子を単純化および除去し、それによって家庭用ビデオカメラのサイズを縮小し、最終的にフルビデオカメラの開発に導いた。現在のウェブカメラおよびカメラ付き携帯電話は、このような技術の最も小型化された商業的形態である。

CMOSまたはCCDイメージセンサを使用する写真デジタルカメラは、しばしばRGBモデルのいくつかのバリエーションで動作します。ベイヤー配列では、クロミナンス分解能より高い輝度分解能を達成するために、緑には赤と青の2倍の検出器（比率1：2：1）が2回与えられています。センサは、第1の行がRGRGRGRGであり、次がGBGBGBGBであり、そのシーケンスが後続の行で繰り返されるように配置された赤、緑、青の検出器のグリッドを有する。すべてのチャネルについて、完全な画像を構築するために、デモザイク処理での補間によって欠落画素が得られる。また、カメラRGB測定値を標準RGB色空間にsRGBとしてマッピングするために、他の処理が適用されていました。

RGBとスキャナ
計算において、イメージスキャナは、画像（印刷されたテキスト、手書き、またはオブジェクト）を光学的に走査し、それをコンピュータに転送されるデジタル画像に変換する装置である。他のフォーマットの中でも、フラット、ドラム、フィルムスキャナーが存在し、そのほとんどがRGBカラーをサポートしています。それらは、標準的な電話線を介してアナログ振幅変調信号として連続走査線を適切な受信機に送ることができた初期テレフォトグラフィ入力装置の後継機と考えることができる。このようなシステムは、1920年代から1990年代半ばにかけてプレスで使用されていました。カラーテレフォトグラフは、3つの分離されたRGBフィルタ画像として連続して送られた。

現在入手可能なスキャナは、イメージセンサとして電荷結合素子（CCD）またはコンタクトイメージセンサ（CIS）を使用するのに対して、古いドラムスキャナはイメージセンサとして光電子増倍管を使用する。初期のカラーフィルムスキャナはハロゲンランプと3色フィルターホイールを使用していたため、単一のカラー画像をスキャンするには3回の露光が必要でした。加熱の問題、最悪の場合、スキャンされたフィルムの破壊の可能性があるため、この技術は後にカラーLEDのような非加熱光源に置き換えられました。

色深度
RGBカラーモデルは、コンピューティングで色をエンコードする最も一般的な方法の1つであり、いくつかの異なるバイナリデジタル表現が使用されています。これらのすべての主な特徴は、ある範囲内の整数（通常は0から1の2乗-1（2n-1））を使用してコンポーネントあたりの可能な値の量子化です（技術的にはSampleそれらをいくつかのビットグループに分けます。 1色あたり1,2,4,5,8および16ビットの符号化が一般的に見られる。 RGBカラーに使用されるビットの総数は、通常、カラー深度と呼ばれます。

幾何学的表現
色は、通常、RGBモデルだけでなく、CIELABやY’UVなどの他の色モデルでも定義されるため、3次元ボリュームは、コンポーネント値を通常のデカルト座標ユークリッド空間で。 RGBモデルでは、これは、0-1の範囲内の非負の値を使用し、頂点（0,0,0）の原点に黒を割り当て、3つの軸に沿って増加する輝度値が上がる立方体斜めに反対側の黒色の頂点（1,1,1）で白くなる。

RGB三つ組（r、g、b）は、立方体またはその面内またはその辺に沿った所与の色の点の3次元座標を表す。このアプローチは、2つの所与のRGBカラーの色類似度の計算を、それらの間の距離を単純に計算することによって可能にする：距離が短いほど、類似性は高くなる。色域外の計算もこの方法で実行できます。

ウェブページデザインの色
HTMLのRGBカラーモデルはHTML 3.2のインターネットスタンダードとして正式に採用されましたが、以前は使用されていました。当初、ほとんどのビデオハードウェアの限られた色深度は、Netscape Color Cubeによって定義された216 RGBカラーの限られたカラーパレットをもたらしました。 24ビットディスプレイの優位性から、HTML RGBカラーコードの全1670万色の使用は、もはやほとんどの視聴者にとって問題にならない。

Webセーフカラーパレットは、＃、＃33、＃66、＃99、#CCの6つの値（16進数）のいずれかを取る赤、緑、青の216（63） #FF（上記の各値の0〜255の範囲に基づいて）。これらの16進値は、0％、51,102,153,204,255の10進数であり、強度に関して= 0％、20％、40％、60％、80％、100％である。これは、216色を次元6の立方体に分割する場合には問題ないと思われます。しかし、標準2.5ガンマCRT / LCDの感知強度は、0％、2％、10％、28％、57％ 100％。実際のウェブセーフカラーパレットを参照して、生成された色の大部分が非常に暗いかどうかを視覚的に確認してください。適切なガンマ補正が不足している場合は、Xona.comカラーリストを参照してください。

カラーマネージメント
主な記事：カラーマネージメント
特にプロフェッショナルな環境では、色を適切に再現するためには、生産プロセスに関与するすべてのデバイスのカラー管理が必要です。その多くはRGBを使用しています。カラーマネージメントでは、プロセス全体のカラー一貫性を確保するために、通常の製造サイクル中にデバイスに依存しないカラースペース（RGBなどのカラー印刷用のCMYK）をいくつか透過的に変換します。創造的な処理に加えて、そのようなデジタル画像への介入は、特に色域が縮小されている場合に、色の精度と画像の詳細を損なう可能性があります。プロフェッショナル向けデジタル機器やソフトウェアツールでは、48 bpp（ビット/ピクセル）の画像を操作して（16ビット/チャンネル）、そのような損傷を最小限に抑えます。

Adobe PhotoshopなどのICC準拠のアプリケーションでは、色空間間で変換する際に、Lab色空間またはCIE 1931色空間をプロファイル接続空間として使用します。

CSSの構文は次のとおりです。
rgb（＃、＃、＃）
ここで、＃はそれぞれ赤、緑、青の割合に等しい。この構文は、 “background-color：”や（for text） “color：”などのセレクタの後に使用できます。

RGBモデルと輝度 – クロミナンスフォーマットの関係
NTSC用のYIQ、PAL用のYUV、SECAM用のYDBDR、コンポーネントビデオ用のYPBPRなどの異なるTVおよびビデオ標準で使用されるすべての輝度 – クロミナンスフォーマットは、RGBカラー画像を放送/録画用に符号化することができる色差信号を使用し、後で再びRGBにデコードされて表示されます。これらの中間フォーマットは、既存のモノクロTVフォーマットとの互換性のために必要でした。また、これらの色差信号は、フルRGB信号と比較して低いデータ帯域幅を必要とする。

同様に、JPEGやMPEGのような現在の高効率デジタルカラー画像データ圧縮方式は、内部的にYCBCRフォーマットでRGBカラーを格納する。これはYPBPRに基づくデジタル輝度 – クロミナンスフォーマットである。 YCBCRを使用することで、コンピュータはクロマチャネルで損失のあるサブサンプリングを実行することができます（通常は4：2：2または4：1：1の比率になります）。