アンディマンのテクノロジー（援技力）

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。

	「赤－緑物質」	「黄－青物質」	「白－黒物質」
同化	緑	青	黒
異化	赤	黄	白

　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。

 

2.6.1　視野

視野とは、視覚刺激が処理できる視角の大きさである。視野は中心窩を基準として測定する。視野の大きさは動物種によって異なる。ヒト健常者の視野は、垂直方向に上側60度、下側75度程度である。水平方向では、単眼の場合、鼻側60度、耳側100度程度である。したがって、両眼で重複する視野が120度程度存在する。このことにより両眼視差が生じており、両眼立体視に寄与している。中心窩を基準に、左右や上下の領域を、左視野、上視野のように呼ぶ。各眼の耳側15度程度の位置に盲点が存在する。中心窩から20度程度の領域を中心視野と呼ぶ。それ以外の領域を周辺視野と呼ぶ。一般に中心視野ほど空間分解能が高い。周辺視野では色覚が失われる。視覚障害者（ロービジョン）には、視野欠損を示す者が含まれる。

・時空間特性

－空間周波数特性と視力

視覚系のコントラスト感度を空間周波数ごとに調べたものをコントラスト感度関数(Contrast Sensitivity Function; CSF)と呼ぶ。静止刺激に対するヒトのCSFはバンドパス型であり、6 cpd(Critical Path Delay)付近で感度が最大になる。低空間周波数での感度低下は神経的原因に由来する。高空間周波数では60 cpdまで感度を持つ。高空間周波数での感度低下は主として光学的原因に由来する。一般にCSFを測定するのは煩雑であるため、光学的異常の検査目的には簡便な視力検査を行う。おおまかには視力は一定のコントラストのもとで刺激が検出できる最大の空間周波数に相当する。

－空間周波数チャネル

CSFは単一の機構に由来するのではなく、複数のバンドパス型チャネルによって構成されることが分かっている。各々のチャネルはバンド幅が等しく中心周波数が異なる。チャネルは画像中の空間周波数成分の検出をしているとみなせることから、これらのチャネルを空間周波数チャネルとよぶ。空間周波数は視野ごとに存在すると考えられている。そのため、空間周波数チャネルによる処理は、大局的フーリエ変換のような線型変換ではなく、擬線型な過程とみなせる。

－時間周波数特性とCFF

視覚系のコントラスト感度を時間周波数ごとに調べたものを時間的CSFと呼ぶ。低空間周波数では、CSFは低時間周波数で感度が低下するバンドパス型である。高空間周波数では、ローパス型である。刺激をコントラスト反転したときにフリッカーが知覚されなくなる時間周波数を臨界融合周波数(Critical Flicker Frequency; CFF)と呼ぶ。CFFは一定のコントラストのもとで刺激が検出できる最大の時間周波数に相当する。ヒトのCFFは50 Hz程度とされる。

－明るさ

ウェーバー＝フェヒナーの法則

マッハバンド

ヘルマン格子 （ハーマン格子）

－形

鋭角の過大視

－奥行きの知覚

網膜は面であるため、網膜に投影される像は二次元である。しかし、人間は三次元空間を知覚している。これは人間が様々な奥行き手がかりをもとに、二次元情報から三次元情報への推定を行っているためである。奥行きの手がかりとして、以下のものが挙げられる。

単眼性のもの

絶対距離

水晶体のピント調整(毛様体筋の収縮)

相対距離

網膜像の大きさ(大きいものほど近い)

相対位置(上にあるものは遠く、下にあるものは近い)

重なり(遮蔽されているものが奥にある)

線遠近法

大気遠近法(遠いものほどぼやけ、青味が増す)

色(進出色と後退色)

運動視差

両眼性のもの(単眼性と重複するものは省略)

絶対距離

輻輳(外直筋、内直筋の収縮)

相対距離

両眼視差

 

2.6.2　見えモデルの三要素

　人間が見ている色は、環境によって大きく変化する。下図は、横方向に小さな正方形のコマが「白・灰色・黒」の順に並んでいる。このコマは、「白・灰色・黒背景」何れの背景も同じ色として印刷されている。しかし、背景の明るさによりその見え方は変化する。左の白いコマは、背景が暗くなるに従い明るく感じられる。逆に右端の黒いコマは、背景が明るくなるに従い暗く感じられる。そして中央の灰色のコマは、灰色の背景の時は白いコマと黒いコマの中間の明るさと

して感じられるが、背景が白いと黒寄りに暗く感じられ、背景が暗いと白寄りに明るく感じられる。明暗対比の現象が、このような色の見えの違いを生みだす。背景の明るさに応じて、明暗の知覚が変化した結果として観察される。

これは、色再現技術における従来と次世代の色再現の考え方の違いを簡単に示している。それぞれの測色値を一致させるか、環境全体での色の見え方を一致させるかの違いである。従来型では、測色値（例えばCIELAB）を一致させるのみであった。次世代型では、環境全体の関係性のもとで観察される「知覚される色の見え」の一致が目標となる。「色の見えモデル」は、観察環境パラメーターと実際の三刺激値によって色の見えを予測できる。色再現を実施する環境での対応する三刺激値に戻すこともできる。色の見え中心の考えたによって、いつでも色の見えは一定となる。色の見えモデルは、知覚される色の見えの各属性を定量化する。知覚される色の見えの属性は明度(J)・クロマ(C)・色相(h)などであり、環境の測色値や環境の輝度などに対応づけられる。色の見えの属性として、明るさ(Q)・カラフルネス(M)・飽和度(s)もあげられまれる。（ここに示した( )内の英字記号はCIECAMで使用されるものである）これまでのような定められた環境に限定されることなく、見る環境に合わせて色の見えを再現する考え方になる。

それでは、実際に色の見えが変化する現象の例を考えてみる。例えば、テレビ画面を真っ暗な部屋で見る場合と明るい部屋で見る場合のコントラスト感の違いがあげられる。暗い部屋では強く、明るいと弱いコントラスト感に感じられる（バートルソン-ブレナマン効果）。

また、赤い箱を薄暗い部屋から外の太陽光の下に出して観察すると、赤い色の鮮やかさ感が増加して感じられる（ハント効果）。

他にも色々な色の見えの現象があり、このような変化を予測するのが色の見えモデルである。色の見えについて国際照明委員会(CIE)では、様々なモデルの比較検討が行われてきた。CIEの第1部会「視覚と色」において、1997年の京都会議で「色の見えモデルCIECAM97s」が合意され1998年に技術報告書としてCIE Publication No.131として出版された。更に、第8部会「画像技術」に引き継がれて、2002年に改良されたモデルであるCIECAM02（シーキャムオーツー）が合意された。そして2004年に、技術報告書として「CIE Publication No. 159, カラーマネ－ジメントシステムにおける色の見えモデル CIECAM02」が出版されたのである。その題名の通り適用対象は、カラーマネージメントシステムとなる。

2006年初め、ついにCIECAM02が利用可能なマルチメディア環境が登場した。Windows Vista OSに搭載されたカラーマネージメントシステムであるWCS（Windows Color System）である。これは、2005年に発表されたCanonのカラーマネージメントシステムであるKyanos（キュアノス）がベースとなっている。

CIECAM02の利用には、色を見る環境情報が不可欠となる。この情報をもとに色の見えが計算されるからである。WCSでは、CAMP（Color Appearance Model Profile）内に以下のような環境情報が記述されている。

- 白色点

- 環境の背景

- 周囲環境のタイプ（一般的・薄暗い・暗黒）

- 順応輝度

- 順応の程度

WCSは、まだ登場したばかりであり、利用できる機器も限られている。しかし、カラーマネージメントシステム内での扱いが可能となったことにより、色の見えモデルCIECAM02の利用は大きく進められることが確実視されている。

　上図に示すように、色を識別するためには、光源と物体と眼の感度の3つが必要で、このうちの１つでも欠けると色を認識することができない。これを見えモデルの三要素というが、リンゴやレモンや髪の色などといった色の認識は、物体からの反射光から色情報を得て、それを脳で弁別することによって、初めて色として認識できるようになる。

 

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、外界にある物体の色、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。脊椎動物の神経系では、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。

・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/d（cycle 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 を用いることが多い。L_maxとL_min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。

　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）は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。

　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）。

 

　

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（360nm～830nm）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、CIE（Commission 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：X_eの分光密度をX_eλとしたとき、対応する測光量：X_vは

で表される。ここで、比例定数：K_m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、K_m = 683［lm/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。

　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）」や「照度（Illuminance）」が定義されている。

主な測光量と対応する放射量

　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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2.5.1　照度（単位：ルクス）

照度(illuminance)とは、平面状の物体に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) またはルーメン毎平方メートル (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度)	10~15 5
1	・月明り　　　　　　　　　　　　 ・航海薄明(太陽天頂距離102度)　　 ・天文薄明(太陽天頂距離108度)	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10⁵～10^-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。