アンディマンのテクノロジー（援技力）

2.8.2　均等色空間

Uniform Color Spaceのことである。色空間上での距離・間隔が、知覚的な色の距離・間隔に類似するよう設計されている空間である。色の物理的な差異よりも、人間の知覚上での差異に主眼を置いた色空間。工業的には、工業製品の色彩の管理に要請される。

・XYZ表色系

RGB表色系は色知覚のよい近似であるが、知覚できる色を完全に合成できるわけではない。たとえば、レーザー光などにみられる単一波長の色はRGB色空間の外側であって、加色によって再現することができない。この問題は、RGBの係数に負の値を許可することによって色空間を拡張すれば表現することができるが、取り扱いに不便である。

したがって、RGB表色系を単純な一次変換で負の値が現れないように定めたXYZ表色系を、CIEは1931年にRGB表色系と同時に定めた。XYZ表色系は他のCIE表色系の基礎となる。

RGB表色系と異なりXYZ表色系では、それぞれの数値と色彩との関連がわかりにくい。Yは明度を表し、Zはおおむね青みの度合いを表すと考えてよい。Xは、それら以外の要素を含むと考えられる。

・Lab色空間（Lab color space）

Lab色空間は、補色空間の一種で、明度を意味する次元 L と補色次元の a および b を持ち、CIE XYZ 色空間の座標を非線形に圧縮したものに基づいている。

Hunter 1948 L, a, b 色空間の座標軸は L、a、b である。しかし最近では CIE 1976 (L*, a*, b*) 色空間の非公式な略称としても Lab が使われている（こちらは CIELABとも呼ばれ、座標軸は実際には L*、a*、b* である）。このため、単に Lab と記述すると若干あいまいとなる。これらの色空間は用途は相互に関連しているが、実装は異なる。

どちらの色空間もマスターの色空間である CIE 1931 XYZ 色空間から派生したもので、CIE 1931 XYZ 色空間はどのスペクトル出力分布が同じ色として知覚されるかを予測できるが、知覚的均等性はなかった。マンセルカラーシステムに強く影響され、どちらの"Lab"色空間もXYZ空間から単純な式で変換できるが、XYZよりも知覚的に均等になっている。「知覚的に均等」とは、色の値が同じだけ変化したとき、人間がそれを見たときに感じられる変化も等しいことを意味する。色を有限精度の値で表すとき、これによって色合いの再現性が向上する。どちらのLab色空間も、ホワイトポイントの変換前のXYZデータについて相対的である。Lab値は絶対的な色を定義するものではなく、あくまでもホワイトポイントを指定した上での相対的値である。実際にはホワイトポイントには何らかの標準を仮定し、明確に示さないことが多い。例えば、絶対的値を示すレンダリングインテントである ICC L*a*b* はCIE標準光源 D50 をホワイトポイントとした相対値であり、他のレンダリングインテントとは相対的関係にある。

CIELABにおける明度は相対輝度の立方根を使って計算され、Hunter Lab では平方根を使う（近似方法がやや古い）。既存の Hunter Lab 値と比較するなどの用途以外では、一般にCIELABの使用が推奨されている。

色空間は、三刺激値XYZは色の基本的刺激量を表現しているが、企業での色管理には扱いにくい表示量なので、例えばこれを色相、明度、彩度の三属性に対応した表示方法に変換して使っている。等しい大きさに知覚される色の差が、色の空間内の等しい距離に対応するように意図した空間を均等色空間（UCS）というが、このUCS座標の距離で色差の大きさを表示すことも可能である。

このように三刺激値の座標を色感覚に対応するような座標に変換して利用した方が色彩管理に便利である。変換する方法はJIS Z 8730（色の表示方法）に制定されているが、そのなかで最も広く利用されているのがL*a*b*表色系の色度図である。従って、その明度を持つ無彩色の座標がa*=0、b*=0の原点近傍に投影されている。ここを中心に外側に広がるに従って、色は鮮やかさを増していく。なお、このa*－b*平面に直交して明度を表わすL*軸がある。このように知覚される色と対応がとれる色の座標を用いて色彩管理に役立てられている。

2.8　色空間

　色空間は、立方的に記述される色の空間である。色を秩序立てて配列する形式であり、色を座標で指示出来る。色の構成方法は多様であり、色の見え方には観察者同士の差異もあることから、色を定量的に表すには、幾つかの規約を設けることが要請される。英語のColor Spaceであるから、カラースペースともいう。また、色空間が表現できる色の範囲を色域という。色空間は3種類か4種類の数値を組み合わせることが多い。色空間が数値による場合、その変数はチャンネルと呼ばれる。

色空間の形状はその種類に応じ、円柱や円錐、多角錐、球などの幾何形体として説明され、多様である。

2.8.1　表色系

表色系は心理的概念あるいは心理物理的概念に従い、色を定量的に表す体系である。通常は3つの方向性を具える空間で表現され、色空間を構成する。

混色系(color mixing system)とは色を心理物理量と捉え色刺激の特性によって現すものである。数値として伝達する場合に適している。

顕色系(color appearance system)は、色を色の3つの特徴に従って配列して、その間隔を調整し整合性を高め、尺度と共に差し出すものである。後述のマンセル表色系やNCSが代表的な例である。

色の具現化のガイドが厳格な色体系は、色を直接作り出す場面で用いられることが多く、そうでない色空間は、色を情報として伝達する場面で用いられること場合が多い。

数学的には3つの変数があれば、すべての色を表現できると言える。しかし、すべての色を表示できる必要がない状況や、そのほか実用の便宜のために、2変数以下、あるいは4変数以上を用いる色空間もある。また変数の取り方もさまざまなものがあり、目的に応じて多種多様な規格が存在する。計算によってある色空間から別の色空間への変換は行えるが、変換後の色空間で表現できない色の情報は失われてしまう。また、その計算はふつう不完全である。色を扱うにあたっては、なるべく色空間を統一して作業することが求められる。なお、色空間にはカラープロファイルとして記録可能な色空間 (RGB,RGBA, YCbCr, CMYK, Lab color) と記録できない色空間がある。

2.6.5　段階説

　三色説と反対色説とが長年論争されてきた。最近では、網膜の視細胞レベルでは三色説に、それ以降の神経細胞レベルでは反対色説に則って、光の処理がされていると考えられている。この説を段階説という。（下図参照）

　色覚モデルはたくさんの種類があり、未だに1つの説に絞られていないのが現状である。

ヤング＝ヘルムホルツの三色説（Young-Helmholtz theory）は、トマス・ヤングの説を、ドイツの生理学者ヘルマン・フォン・ヘルムホルツが発展させた色覚学説の1つをいう。

この説は、赤・青・緑の3色の感覚に相応する3種の組成子が網膜に存在すると仮定し、波長によって各組成子が様々な程度に興奮する結果、あらゆる色彩の感覚が生じるとした。赤緑物質と青黄物質の存在を仮説とするヘリングの反対色説と対照される主張するものである。つまり、色覚に赤、緑、青（あるいは紫）の3要素があり、これらが同じ割合で刺激されると白色を感じる。色別は3要素の刺激の比率に応じて生じる、というものである。その後、網膜の色覚受容器である錐状体に、赤、緑、青 (RGB) に最もよく反応する3種が区別された。これらの要素の1つないし2つを欠くと色盲となり、感度の鈍いものは色弱となる。大部分の色盲表やカラーフィルム、カラーテレビはこの説を応用している。

・反対色説

エバルト・ヘリング（Karl Ewald Konstantin Hering, 1834年8月5日 - 1918年1月26日）は、ドイツの生理学者、心理学者で、色覚についての研究を行ったことで知られ、ヤング＝ヘルムホルツの三色説に対し、赤と緑を加法混色して黄色が知覚されるのは無理がある、と考え、反対色説 (Opponent process) を唱えた。

反対色説は、エバルト・ヘリングによって提出された色の知覚機構理論である。対比、残像などの現象をもとにして、網膜に 3種の対をなす視物質があると仮定し、これらの光に対する生化学的な反応に基づいて色覚が成立するとみなす。3種の視物質は白－黒物質、黄－青物質、および赤－緑物質と名づけられ、それぞれ異化によって白、黄および赤の感覚を生じ、同化によってそれぞれ黒，青および緑の感覚を生じると考えられた（反対色）。以上のようなことから、この説は反対色説とも呼ば、，また、赤、黄、緑、青を四つの基本色と想定するので。、四色説とも呼ばれる。

2.6.6.　反射と透過

　反射（reflection）は、光や音などの波がある面で跳ね返る反応のことである。

・弦の振動の反射

ひもや弦などを振動させると、その波は周囲に伝わっていく。その時終端において反射が起きる。反射は終端によって2種類に分けられる。

・固定端反射 

終端を固定したときに起きる反射。振幅が反転した波が反射される。

・自由端反射 

終端を固定せず自由に動ける状態にしたときに起きる反射。同じ振幅の波が反射される。

また、透過とは、光（可視光線）に対してのことをいう。そして光は電磁波の一種であるので科学的に一般化して、ある物質がある電磁波に対して透明であるとは、その物質と電磁波との間に相互作用が起こらず、電磁波の吸収および散乱が生じないということを意味する。ある物質が電磁波を吸収する場合、その物質は吸収した波長の補色に色づいて見える。例えば、葉緑素は赤色に相当する680 ~ 700 nmの波長の光を吸収するため、補色の緑色に見える。

－反射（reflection）反射は、波が異なる媒質との境界面にぶつかり、その一部がもとへ戻る現象である。粒子線の反射は粒子線の波動性に基づいて起こる。波の波長に比べて境界面が滑らかであれば、反射の法則に従う方向に反射波が生じ、境界面の凹凸が波長と同じ程度であれば反射波はいろいろな方向に広がる。後者を乱反射といい、これに対して反射の法則に従う場合を鏡面反射という。－透過（permeation）透過は、光や放射能などが物質の内部を通り抜ける現象である。

例えば、赤色の半透明材料に太陽光などの白色光を照射すると赤色成分以外の光はすべて吸収され赤色のみ通過するために人間の目には赤色として弁別（知覚）される。

透過率（transmittance）または透過度とは、光学および分光法において、特定の波長の入射光が試料を通過する割合である。これに対して吸光度（absorbance）は分光法において、ある物体を光が通った際に強度がどの程度弱まるかを示す無次元量である。光学密度（optical density）とも呼ばれることがある。吸収・散乱・反射をすべて含むため、吸収のみを表すものではない。

2.7　光学濃度(OD:optical density)

画像の濃さの客観的表現に用いられるもので、画像の着目部の反射率をRとするときD=log10(1/R)で定義する。透過画像の場合、Rは透過率Tに置換される。測定の光学系や光源、分光分布特性については各種の異なる測定条件があり、注意が必要である。

また、単なる濃度とは、印画紙やフィルム上の画像の濃さを表わす尺度である。印画紙の場合は不透明なので、光を反射する量が少ないほど濃度が高くなる。フィルムの場合は光が透過する量が少ないほど濃度が高くなる。Densityの頭文字をとってDの単位で表示する場合がある。

吸光度 (absorbance)は、光散乱がなく単純な透過吸収しかおこっていない範囲ではまったく同じものである。定義は透過率transmittanceの逆数の常用対数で示したものである。　　

一方、上述した光学濃度（光学密度）は、散乱があろうがなかろうが、測定条件における透過率から機械的に上記の定義に従って計算されるものなので、この場合は吸光度とも absorbanceともいうことはない。

物理的な意味はともかくとして、absorbanceに対する訳語は吸光度であり、optical densityに対する訳語は光学濃度あるいは光学密度である。これらを混用することは、誤訳である。

細胞の濃度を測る場合は光の散乱を利用するので「濁度」と呼ぶことが多いようであるが、densityは密度であるから光学密度とでも訳すのがいいのかもしれない。しかし、これだと別な意味にとられることが考えられるので、一般的には光学濃度になるのがよい。これは、光のエネルギーが吸収されるわけではないので「吸光度」では違和感があるのがと考えられる。

2.6.3　色覚のメカニズム

　脳の最大の特徴は、それを構成する神経細胞が単独で機能することでは複雑で高次の脳機能を実現できないことである。個々の神経細胞は軸索を伸ばし、他の多くの神経細胞とシナプスを介して結合することにより神経回路を形成している。そして、多くの神経回路が集積してシステムとして機能する脳が構成されている。

従って、構成要素を対象とした分子・細胞レベルの研究に立脚して神経回路の機能を解明することは、脳機能の理解のために欠かすことができない大切なものである。

　神経回路は、動物のからだが出来上がるにつれてハードウェアとしてのアウトラインが「形成」される。この段階では、脳の領域の分化と神経細胞の発生、各領域での神経細胞の移動やその結果おこる層形成と神経核形成、軸索の成長と標的の認識、シナプス形成とその安定化などの一連の現象が起こる。

　続いて、動物が成長・発達するにつれて、神経回路は機能的に「成熟」する。

この段階では、経験や環境に依存して、必要なシナプスの強化と不必要なシナプスの除去が起こるとともに、学習によってシナプスにおける情報の伝わりやすさが柔軟に変化して、動物の生存に適した機能的な神経回路が作られる。最後に、動物が成体となるまでに、神経回路はそれぞれの脳の領域において特有な機能を「発現」するようになり、感覚、認知・判断、運動という複雑で高次の脳機能を実現する要素として機能するようになる。

　特定領域研究では、これらの過程に対応する3つの研究項目を設定し、生理学、生化学、分子生物学、細胞生物学、解剖学、発生工学など、様々な研究手法を結集した多面的な研究を推進することにより、神経回路の機能解明を目指している。これにより、神経回路の「形成」、「機能的成熟」、「特異的機能発現」の基盤をなす分子細胞機構の理解を格段に進展させるとともに、神経回路の働きがいかにして複雑で精巧なシステムとしての脳機能を実現するかを明らかできるであろう。
　　　　　　

　色覚過程は一般に上図の上側のようになっているが、もう1つの方法を下側に示す。

光を強度としてみなすと、波長成分のうち色成分はLMSの3つに分けられ、明るさ成分はVとしてLMSとは別に分離される。これを色覚メカニズムの段階説に従ってrgbyとW-K（白黒）に分けられ大脳視覚野で色知覚が行われ明度、彩度、色相に弁別され認識される。

2.6.4　色の弁別
　見えモデルの三要素は、「光源」（光）「物体」（反射、透過）「眼」（視覚）であることは、上述した通りである。

これは左図のように、りんご（物体）の太陽光（光源）が照射され、その反射光は眼に入り、RGBのセンサ（眼の網膜に配置）に反応することによって初めて色を感知することができる。

物体が透明なら、透過光となるが、いずれの場合も同じメカニズムで色を感知することができる。
そもそも、視覚とは、「眼（目）とそれにつながる神経系の働きによって得られる、主に外界の色、形やその変化についての映像情報と、それをもとにして構築される外界の空間的な認識や、この情報を得るための機能、能力のことである。」という意味を持っている。眼は感覚器と呼ばれる器官（つまり受容器のこと）の1つであり、脊椎動物（ヒトを含む）、節足動物（昆虫、甲殻類）、軟体動物（タコ、イカ）などが持っている感覚であるといえる。

・ヤング－ヘルムホルム説（三色説）

　ニュートンは、白色光はたくさんのスペクトルによって構成されていることを発見したことから、人間の目の中にも、このスペクトルを処理する多くの光受容器があると考えていた。

　しかし、ニュートンの考え方に反対して、ヤング＆ヘルムホルツは、多くのスペクトルから構成された光を処理するのは、人間の目にある無数の光受容器ではなく、たった3種類の受容器だけであると考えた。「赤、緑、青の三原色に反応する光受容器（錐体）があり、これらの光受容器がどれくらい応答するかによって、感じる色が違う。」と考えたのである。

　例えば、黄色の物体を見た場合、赤細胞と緑細胞は強く応答しているが、青細胞は殆ど応答しない。それらの情報が脳に送られ、ヒトは「黄色である」と感じるのである。

　この説を始めに考えたのがヤングで、そのあと50年を経て、ヘルムホルツが発展させた。そのためこの説は、2人の名前を取って、ヤング－ヘルムホルム説と呼ばれている。

また3種類の細胞があることから、三色説ともいわれている。

・ヘリング説（反対色説）

　ドイツの生理学者ヘリングは、1874年に反対色説を発表した。色の基本感覚として、「白－黒」「赤－緑」「黄－青」の3組の反対色を仮定した。この考えは次のような観察結果によって生まれたものである。

「黄色は三色説によると、赤い光と緑の光の混色によって生じるが、出来上がった黄色は、赤みも緑みも帯びていない。黄色の感覚内容は、赤とも緑とも全く違ったものである。　　また、ある色を見るとき、同時に赤みと緑みを感じることはなく、黄色みと青みも同時に感じない。」

　ここでのポイントは、黄色も原色の仲間に入っているということである。そして「赤と緑」、「青と黄」は、おのおの対立していることである。

　ヘリングは、網膜に「赤－緑物質」、「黄－青物質」、「白－黒物質」の3種類の物質があり、その物質は光の波長によって、同化と異化という対立的な化学反応を起こすと考えた。同化は黒,緑,青の感覚をもたらし、異化は白、赤、黄の感覚が生まれるのである。

同化：合成反応。物質は生成される。

異化：分解反応。物質は分解される。

　白色光が網膜に当たると、「白－黒物質」は異化が起る。「白－黒物質」の異化が、白の感覚を生じさせる。また、黒は「白－黒物質」の同化によって生じる感覚である。「白－黒物質」は明るさのレベルに対応し、完全同化で白、 完全異化で黒、中間（同化と異化が同時に起っている状態）がグレーになる。

　次に、520nmの光が網膜に当たったとする。このとき「赤－緑物質」は同化が起り、緑が生まれる。それと同時に「黄－青物質」は異化が起り、黄色が生じる。緑と黄色の情報によって、ヒトはこの光の色を「黄緑」と感じるのである。