アンディマンのテクノロジー(援技力)

写真表現に関わる専門的な知識を補うために設けたブログです。 新たらしい時代に相応しい技術情報を掲載していきます。 普段疑問に思った問題の解決に繋げるテーマを醸成していきます。

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光と色の基礎知識 No.29

2.6 視覚

視覚とは、可視光を物理的入力とした感覚のことであり、いわゆる五感のひとつである。視覚によって、外界にある物体の、形、運動、テクスチャ、奥行きなどについての情報、物体のカテゴリーについての情報、物体の位置関係のような外界の空間的な情報などが得られる。したがって、視覚は光情報をもとに外界の構造を推定する過程とみなせる。脊椎動物神経系では、可視光は網膜において符号化され、外側膝状体(LGN)を経て大脳皮質において処理される。コンピュータビジョンでは、光センサーからの光情報の入力をもとにした処理が行われる。ここではヒトを中心に、動物の視覚のみを扱う。脊椎動物(人を含む)、節足動物(昆虫、甲殻類)、軟体動物(タコ、イカ)など、多くの動物が視覚を持つ。

Fig1_2_6_1
・視覚刺激

物体が網膜において結ぶ像の大きさを、視角によって表現する。視角とは物体の両端から結点に引いた線のなす角度のことである。中心窩からの視角を偏心度と呼ぶ。視覚系に入力した画像の各点の性質は、輝度と色によって記述される。輝度と色は、画像の一点のみで決定できる視覚属性であるため、一次属性と呼ぶ。テクスチャ、運動、両眼視差のように、空間的・時間的に異なる画像の複数の点において定義される視覚属性を、二次属性あるいは高次属性と呼ぶ。網膜像が空間的周期を持つとき、周期の細かさを空間周波数によって記述する。空間周波数の単位は、c/dcycle per degree;視角1度あたりの周期)をとることが多い。時間的周期については、Hzが用いられる。視覚刺激を記述する際には、輝度コントラストの定義として Fig1_2_6_1a用いることが多い。LmaxLminは、画像中の輝度値の最大値と最小値を表す。この定義をMichelsonコントラストと呼ぶ。

・視感度と錐体分光感度

視覚系の感度は、光の波長によって異なる。ヒト視覚系の視感度は、明所視では555 nmでピーク値をとる。このときの感度を基準として、他の波長の光に対する感度を求めると、可視光全体に対する比視感度が求まる。暗所視では507 nmの光に対して最も感度がよい。暗所では感度曲線が短波長側にシフトしている。この事実をプルキンエシフト(別名:プルキニエまたはブルーシフト)と呼ぶ。放射輝度と視感度をかけ合わせた値を輝度と呼ぶ。

Fig1_2_6_1b
 明所視では色が知覚される。色覚異常者の視感度曲線や等色関数から、分光感度の異なる3種類の光受容器(錐体)が存在することが示唆される三色説。健常者の等色関数および2色型色覚異常者の混同色中心から、錐体分光感度を求めることができる。暗所視における光受容器(桿体1種類であるため色覚は存在しない。桿体分光感度は暗所視視感度に等しい。

Fig1_2_6_2
 上図に示したように、色々な光源を用いて物体(リンゴ)を見ると、光は物体の表面で乱反射してその色の情報のみを反射光として人間の目に送る。色情報は反射光と透過光(吸収光)に分散されるが、乱反射も含めて色情報という元の光源のエネルギーは法則に従って反射の前後で変化しない(一定である=エネルギー保存の法則)。

 

光と色の基礎知識 No.28

 

2.5.2 測光・放射測定

 光放射エネルギーに対して時間的・空間的な量を組み合せることによって構築される量を「放射量」という。これに、光放射が人間の視覚に対して与える影響を波長に対する重みづけ(分光視感効率)として加えたものを「測光量」という。

 単位時間当たりの光放射エネルギーを「放射束(Radiant Flux)」という。光源を点光源と見做し、その中心を頂点とする微小錐体を考え、そこに含まれる微小放射束を立体角で割ったもの(放射束の立体角密度)を「放射強度(Radiant Intensity)」という。これに対し、有限の面積を有する光源を考える場合には、その単位面積当たりの放射強度を考え、これを「放射輝度(Radiance)」という。また、受光面の単位面積当りに入射する放射束の量を「放射照度(Irradiance)」という。このような光放射に関する諸量(放射量)について、物理的に放射を測ることを、総称して放射測定(radiometry)という。

 これに対して、測光量は、放射量に対して光放射(可視領域の放射)が人間の視覚に与える影響を重みづけした量として表されるものであり、放射量の分光密度(微小波長幅に含まれる放射量をその波長幅で割ったもの)に分光視感効率:V(λ)をかけて可視領域(360nm830nm)の波長範囲について積分したものである。分光視感効率:V(λ)は、可視放射が人間の目に入ったときに感じる明るさの知覚の度合い示す尺度であり、下図のように定められている。この値は、CIECommission Internationale de l'Éclairage; International Commission on Illumination:国際照明委員会)によって1924年に採用され、後に補間と補外を行って完全なものとし、1972年に国際度量衡総会(CIPM)において勧告されたものである。横軸は光放射の波長(nm)、縦軸は波長:555nm の単色放射に対して感ずる明るさを 1 として正規化した時の、その他の波長で感ずる同じ放射強度の明るさの比、という形で表されている。これによると、例えば波長:470nm の光は、物理的には同じ放射強度であっても、波長:555nm の光の約10分の1 の明るさにしか感じないことになる。このような、光放射に対する人間の感ずる「明るさ」を与えるための分光視感効率:V(λ)に基づいた測定を、総称して測光(photometry)という。

(厳密には、測光量には明所視量と暗所視量があるが、ここでは明所視の場合についてのみを説明している。暗所視の場合には、分光視感効率:V'(λ)を用いる。)

  一般的には、ある放射量:Xeの分光密度をXとしたとき、対応する測光量:Xv

Fig1_2_5_6b




で表される。ここで、比例定数:Kmは最大視感効果度と呼ばれる量で、V(λ)1となる波長(λ = 555nm)において測光量と放射量を関係づける値であり、Km = 683lm/W]と規定されている。

刺激を与える側、すなわち「光」の電磁的エネルギーを「放射量」といい、電力などと同じ「ワット [ W ] 」を基本単位として表記される。また、刺激を受ける側の人間の眼がその光からどれだけの刺激を受けるか、すなわち、人間の眼が感じる「明るさ」を「測光量」という。「測光量」は、「ルーメン [ lm ] 」という単位を基本単位として表わされる。

Fig1_2_5_6


 測光量の場合、基本となるのは放射量での「放射束」に対応する「光束(Luminous Flux)」であり、光束の立体角密度として「光度(Luminous Intensity)」が表される。光度は放射量の放射強度に対応する量ということになる。

 同様にして、「輝度(Luminance)」「照度(Illuminance)」が定義されている。

主な測光量と対応する放射量

主な測光量

単位

主な放射量

単位

光束(Luminous Flux

lm(ルーメン)

放射束(Radiant Flux

光度(Luminous Intensity

cd(カンデラ)

放射強度(Radiant Intensity

W/sr

輝度(Luminance

cd/m2

放射輝度(Radiance

W/sr/m2

照度(Illuminance

lx(ルクス)

放射照度(Irradiance

W/m2

 測光量の1つである光度の単位:カンデラ(cd)は国際単位系(SI)の7つの基本単位の1つであり、重要な物理量(厳密には心理物理量)であることから、その単位を国家標準として設定・維持・供給していくことは様々な産業開発の基礎を支える上で極めて重要である。そして、光度(cd)に関連した他の測光量についても同様に長年に渡って国家標準の維持・供給が行われている。

 現在ではカンデラ(cd)は下記のように定義されており、極低温放射計に基づいた新しい光度単位の設定とそれに基づく高精度測光標準の確立が図られている。

カンデラ(cd)の定義(1979年改訂)

「1カンデラ(cd)は、周波数540×1012Hz(波長555nm)の単色放射を放出し、所定の方向におけるその放射強度が1/683ワット毎ステラジアンである光源の、その方向における光度である」

 この他、放射量を分光的に定義した量も、主にスペクトル標準としての意味合いから広く用いられており、放射輝度の分光密度である「分光放射輝度(Spectral Radiance)」、放射照度の分光密度である「分光放射照度(Spectral Irradiance)」などが重要である。

 さらに、現在の測光・放射測定に必要不可欠である検出器についての分光感度を表す「分光応答度(Spectral Responsivity)」、光源の分光分布を黒体放射炉の温度と関連づけて表す「分布温度(Distibution Temperature)」、物体の光学的特性を表す基本的な量である「分光反射率(Spectral Reflectance)」「分光透過率(Spectral Transmittance)」などについても、重要な測光・放射量として挙げられる。

 























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光 と色の基礎知識 No.27

2.5.1 照度単位:ルクス)

照度(illuminance)とは、平面状の物体照射された光の明るさを表す心理的な物理量のことである。単位面積あたりに照射された光束と等しい。文字通り、どれだけ対象物を「照らしている」かを表す指標であり、机の上や部屋などの明るさを示すのに利用される。  単位は、国際単位系ではルクス (lx) またはルーメン平方メートル (lm/) である。JIS照度基準では、建物別、部屋別、行為別に照度の基準値が示されている。

照度単位:ルクス)と明るさの目安」を下表に示す。これらの値はもちろん周囲の状況等によって変化するので使用するに当たっては注意する必要がある。

照度(ルクス)

 明 る さ の 目 安     

(ルクス)

100,000

・雪山・真夏の海岸        
・晴天昼太陽光        
・晴天午前10時太陽光      
・晴天午後3時太陽光      
・曇天昼太陽光         
・曇天午前10時太陽光      

>100,000
100,000
65,000

35,000
32,000
25,000

 10,000

・曇天日出1時間後太陽光     

2,000

 1,000

・晴天日入1時間前太陽光     
・パチンコ店内          
・百貨店売場         
・蛍光灯照明事務所      
・日出入時              
30W蛍光灯2灯使用八畳間      
・夜のアーケード       

1,000
1,000
500~700
400~500
300
300

150~200

    100

・街灯下            
・ライター@30cm            

50~100
15

     10

・ロウソク@20cm         
・市民薄明(太陽天頂距離96)      

10~15
5

      1

・月明り            
・航海薄明(太陽天頂距離102)  
・天文薄明(太陽天頂距離108) 

0.5~1
0.01
0.001

 通常、明るさは照度によってあらわされるが、明るさを与える明かりはいろいろな方法がある。数に示すように、ヒトの視覚は昼間視、黄昏視、夜間視という3つ分けられるが、物の明暗や物の形・色の識別能力にその能力の違いが顕著に表れる。

さらに、ヒトの目の感度は10510-4まで実に109つまりなんと10億倍の違いを感じるセンサーを持っていることになる。

Fig1_2_5_5

光と色の基礎知識 No.26

2.5 標準光源と人工光源

Fig1_2_5_1 標準光源は、測色用の標準として用いられる光源である。白熱電球を代表する A 正午陽光とほぼ同じ B 平均太陽光に近い C 三種類が国際的定められている。

また、CIE標準光源とは、測色用に定められたCIE標準の光を実現するために、CIE(国際照明委員会)によって定められた人工光源のことをいう。

照明光の分光分布が変化すると、1つの物体色に対して無数の三刺激値が存在する。このため、色を表示する際の標準的な照明光として、CIE標準の光源が定められた。

実在する標準光源としては、以下の規定がある。

標準光源A:相関色温度2,855.6Kのタングステン電球

標準光源Bすでに廃止された

標準光源C:標準光源Aに規定のフィルタを組み合わせ、相関色温度 6,774K にした光源

その他D65DTなどを実現する人工光源は、いまだ確定されていないが、JISでその評価方法が定められている。

 一方、人工光源は、太陽光以外の人工の光源である。自然光と呼ばれているものは狭い意味では太陽光または太陽光が青空や雲により反射されて地上に届く、いわゆる昼光のことである。一方、広義には特殊な自然光として月明かり、星明かり、稲妻、火炎、生物発光なども挙げられる。自然光に対し、人工光源は人間が意図して作り出した光源であり、最も代表的なものは電気エネルギーを利用した光源(ランプ)であろう。人工光源の分類法としては幾つかの方法が行われている。例えば発光原理によって大分類する方法、加熱方法によって大分類する方法、あるいは歴史的な出現順序に従って大分類する方法などである。また発光物質の相状態に応じて気体、液体、固体の発光として大分類し、その後に発光原理や加熱方法等によって分ける方法も考えられる。

一般には加熱方法による分類と発光原理よる分類はほぼ一致するため、両者を混合した大分類法がよく用いられている。この分類方法に従うと燃焼、電気抵抗加熱(白熱発光)、ガス放電、EL、レーザーなどに大分類することになる。この分類法は、応用の立場の技術者にはなじみやすい方法であり、また歴史的な出現順序にもほぼ一致している。従って、ここではこの方法に従って分類する。なお燃焼光源を自然光源とするか人工光源と考えるかには意見の分かれるところであるが、単なる薪の燃焼は自然光源と考え、十分な加工を施した油灯、蝋燭、ガス灯などの光源は、人工光源として扱われている。

Fig1_2_5_2
 光源の違いによって、色温度も異なるので、色違いが起こり様々な色に変化してしまう。

Fig1_2_5_3
 上図は、光源(照明)を変えて実際に撮影されたものであるが、同じ被写体でもかなり違う結果である。このように、光源の影響を極力なくすためには、照明を吟味する必要がある。照明選定の3ステップは、

1.照明の当て方(正反射光/拡散反射光/透過光)を決める

・検出部分の特徴(キズ・形状・有無等)を見る。

・表面は平面か曲面か、凹凸があるかを見て決める。

2.照明方法・形状を決める

・ワークの立体的条件や設置条件から決める。

リングかローアングルか同軸かドームか など

3.照明の色(波長)を決める

・ワークと背景の材質や色を見て決める

青か赤か白か など

 

光と色の基礎知識 No.25

2.4.4 順応と色順応

視覚系に限らず、人間の感覚系は新しい環境に適応するためにその感度を変化させる機能がある。これを順応と呼んでいる。視覚の場合、例えば、上映中の映画館に入った瞬間は館内が真っ暗で何も見えないのに、しばらく経って目が慣れてから辺りを見回すとよく見える、という現象がある。この場合、視覚系が暗順応することによって光に対する感度が高くなり、より少ない光でも感知できるようになるため、暗がりでも物体が見えるようになる。

同様の感度変化が色に対しても生じる。これを色順応と呼んでいる。例えば、白熱電球の照明光の部屋を、フラッシュを使わずに昼光用フィルムで撮影すると、全体がオレンジがかって写ってしまう(下図左側)。 しかし、実際にその部屋にいる時には、部屋全体がこのような色をしているようには感じず、あたかも昼光色の照明光で照明したときのような色を感じるはずである(下図右側)。これは視覚メカニズムが照明光の色に対して順応するためである。

Fig1_2_4_13

・色順応メカニズム

このように視覚系の感度が変化すると、なぜ昼光色で照明された時の色に近づくのかとメカニズムは、von Kries (1905) によって、次のような簡単なモデルで提案された。

ここで、人間の網膜の3種類の光受容器(錐体)のそれぞれが、照明光に対して生ずる応答に逆比例するゲイン制御をしていると仮定すると、3種類の錐体の出力のバランスはほぼ一定に近い状態に保たれる。

その後、このような単純なゲイン制御だけではなく、視覚系の非線形性を考慮した様々なモデルが考案され、提案されている(MacAdam; Y.Nayatani et.al.; R.W.G.Hunt et.al.)

このように、照明光への色順応は、照明光の変化をキャンセルするように作用することが知られている。

・不完全色順応

最近、視覚系の順応は照明光の変化を 100 % キャンセルできるメカニズムではないことが指摘されている(M.D.Fairchild; I.Kuriki ら)。これを不完全順応と呼んでいる。

視覚系の感度変化(=順応)が不完全であるということは、照明光に目が十分に順応しても、必ずしも全ての物が昼白色の照明光で照らされた時と同じ色には見えない、ということである。つまり、色順応だけではわずかながら色の見えに違いが残る、ということを意味している。従って、順応だけでは色恒常性が説明できない、というのが現在の認識である。

・恒常性

 恒常性ホメオスタシスホメオステイシスともいう)は、生物のもつ重要な性質のひとつで、生体の内部や外部の環境因子の変化にかかわらず、生体の状態が一定に保たれるという性質、あるいはその状態のことをいう。生物が生物である要件のひとつであるほか、健康を定義する重要な要素でもある。生体恒常性ともいわれる。また、色の恒常性は、知覚した色が普遍のもの(元に戻す作用)として見える。しかし、不完全な性質である。

・順応性

Fig1_2_4_14

                色順応のメカニズム

色順応とは、晴天の屋外や、昼光色の蛍光ランプで照明された部屋から白熱電球で照明された部屋に入ると、はじめは空間全体がオレンジ色味がかって見えるが、次第に色を感じなくなるといった現象をいう。例えば、車でトンネルに入ると白いものは一瞬オレンジ色にに見えるが少し経つと白く感じる(見える)ようになる。また、色のついたサングラスをかけると、はじめは視界がグラスの色を通した色に見えるが、次第に意識されなくなる。この現象は、光源の分光分布に応じて、目の網膜にある視細胞のうち錐体(錐状体)の感度が変化することにより起こるとされている。

錐体には長波長に反応する赤錐体(L錐体)、中波長に反応する緑錐体(M錐体)、青錐体(S錐体)の三種がある。太陽光や昼光色の蛍光ランプといった白色の光の下では、分光分布が短波長から長波長までほぼ均一であるため、三種の錐体の感度はほぼ同じである。

つまり、錐体の感度が揃っているときには、光の色を感じなくなる。その点、白熱電球の光の分光分布は、長波長のエネルギーが高い右上がりの曲線となっているので、白熱電球で照明された部屋に入ると、赤錐状体の感度が高まり、空間全体が赤っぽく見える。

しかし、この状態は長くは続かず、ヒトの眼には、光源の分光分布に応じて錐体の感度を調節し、色の見えを一定に保とうとする働きがあるので、白熱電球の部屋にそのまま居続けると、まず赤錐体の感度が下がり、続いて緑錐体の感度が下がって、三種の錐体の感度が再び揃うようになる。色順応も色恒常同様、不完全な性質である。

Fig1_2_4_15
 上図に示すように、色順応によって色を補正するメカニズムは、例えば、赤いリンゴを太陽光で見た場合と白熱電球で見た場合では、光源の分光分布の違いによって目の感度応答が違ってくる。(感度応答のRGBの分布が違っているので当然のことである)

太陽光でみると自然のように見えるが、電灯をつけて見ると初めのうちは黄色っぽく見えるが、しばらくすると黄色みを感じなくなって赤く見えるようになる。このように目が光の色になれて白く見えるようになることを色順応という。ろうそくの炎や電灯のような赤みを帯びた光は暖かく感じ,蛍光灯や青空のように青みを帯びた光は冷たく感じられる。

 

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