色の定量化

色の定量化 世界中には、指示されれば全く同じ色を再現できるモニターが何十億台もあります。これはそれ自体が工学的な驚異ですが、そもそも色の標準的な定義が存在して初めて可能になるという事実を覆い隠しています。以前は、色は限られた言葉で曖昧に定義されていました。ほとんどの言語には、色を説明するための言葉が最大で12語しかありません。これらの曖昧な定義はほとんどの場合問題ありませんが、正確な色の再現に必要な、似たような見た目の色の間のわずかな違いを説明するには、十分な精度がありません。 同じ名前、違う色 上記の色の長方形は、上の画像に含まれる色のいくつかを示しています。これらは異なっているにもかかわらず、すべて同じラベル「緑」で説明できます。緑、ライムグリーン、オリーブグリーン、ライトグリーン、ダークグリーンなどとラベル付けして区別を作成できると主張する人もいるかもしれません。しかし、この命名システムは依然として扱いにくく、非常に非効率的です。この画像を正確に表示するには、増え続けるラベルのリストに頼ることなく、すべての異なる緑の色合いを一意に説明する方法が必要です。画像はPixabayからCC0ライセンスで提供されています。 色を数百万のラベルにマッピングする代わりに、数値単位を使用する方がはるかに簡単です。必要な精度は、単に数字を多くしたり少なくしたりすることで達成できます。色を数値にマッピングするという考えは奇妙に見えるかもしれませんが、それほど突飛なものではありません。測定可能なほとんどの物理現象はすでに数値化されています（例：距離、温度など）。したがって、色が物理的に測定可能であれば、理論上は簡単に数値にマッピングできるはずです。 数値を介して色を定義することは、興味深い疑問も開きます。色の加算や乗算はどのように見えるのでしょうか？色の定量化のプロセスは、16,777,216の値があっても、なぜカラーのHEXコードが十分な色を表示できないのか、そしてなぜドレスがインターネット上の議論になったのか、そしてなぜ色覚異常が存在するのかを明らかにします。 スペクトルパワー分布 目標は、色を物理的な実体として測定することです。残念ながら、色は主観的な現象です。しかし、ほとんどの人が何かの色に同意できるという事実は、少なくとも客観的で物理的な何かがそこにあることを示唆しています。そして、それは存在します。色は光の存在なしには見えませんが、それは色とは何かについての大きな手がかりを提供します。 光は複雑ですが、光子は、それぞれが特定の量のエネルギーを運ぶ、波のような粒子の一群と考えることができます。これらの粒子のエネルギーは、それらの波長または周波数によって決定されます。波長 光子の表現 上記は光子の解釈であり、必ずしも正確ではありません。光子は粒子と波の両方の性質を示すため、光子の正確な形状を説明することは困難です。光子を粒子と波の両方として視覚化しようとすると、非常にすぐに複雑になります。 電磁スペクトル 異なるエネルギー（または波長）を持つ光子があります。異なる波長の光子が集まって電磁スペクトルを形成します。これは単純に、波長または周波数で順序付けられた、光子のエネルギーの全範囲です。上記の波長はスケールされていません。 光子によって運ばれるエネルギーは物理的に測定可能であり、光の定量化を容易にします。ただし、異なる種類の光の比較を単純化するために、エネルギー測定は単位時間あたりの測定値としてパワーに正規化され、その後、単位面積あたりの測定値として強度に正規化されます。ここでいう面積とは、光子/光を放射する物体の総面積です。 したがって、光源は単一の強度値を使用して定量化できます。しかし、後でより明白になる理由により、光は実際には複数の強度値を使用して表されます。これは、異なる波長の光子ごとに強度を別々に測定することによって行われます。波長あたりの強度分布は、スペクトルパワー分布と呼ばれます。 450nmの光子 500nmの光子 550nmの光子 600nmの光子 650nmの光子 スペクトルパワー分布 上記はスペクトルパワー分布の例です。各波長での強度は、その波長での光子の数と、その波長での光子のエネルギーに依存します。光子のエネルギーは波長に反比例するため、上記の短い波長の光子は、同じ数の光子に対してより高い強度を持ちます。 スペクトルパワー分布は、光を定量化する方法を提供します。しかし、これは、色とスペクトルパワー分布（光）との関係を定量的に定義する方法が存在するまで、すべて無関係です。 視細胞 その関係を見つけるための最大の手がかりは非常に明白です。色の知覚は光なしでは不可能ですが、目なしでも不可能です。目は光に敏感ですが、より重要なのは、それらが異なる波長の光に異なる反応をすることです。 目が異なる波長の光を区別する方法を理解するには、人間の生理学について少し知っておくと役立ちます。目は、特定の波長の光子に反応するように進化したさまざまな種類の視細胞を持っています。驚くことではありませんが、これらの波長は太陽が放出する波長（380nm〜750nm）と非常に似ています。 太陽のスペクトルパワー分布 上記は太陽のスペクトルパワー分布のおおよそのものです。人間の目は、太陽に照らされた環境を認識できるように、これらの波長に敏感になるように進化しました。 光子のエネルギー（波長）に応じて、特定の視細胞を「励起」して特定の応答を生成することができます。人間の目には、ロッド細胞と3種類のコーン細胞という2種類の視細胞があります。異なる種類の視細胞は、異なる波長の光に対して異なる量の感度を持っています。一部のコーン細胞は、長波長の光に対して有意な応答を生成しませんが、他のコーン細胞は生成する可能性があります。さまざまな種類の視細胞の感度曲線は以下の通りです。 正規化された近似 ここに示されている感度曲線は、正規化された近似（視覚化と計算を単純化するため）であり、正確ではありません。実際には、感度曲線はそれほど滑らかではなく、異なる種類のコーンは異なるレベルの感度を持っています。たとえば、S-コーンの感度は他のコーンと比較して著しく低いです。同様に、ロッドはコーンよりも光に対して敏感です。 感度曲線のばらつきのため、コーンは異なる波長の光を区別できます。単色光源（ほぼ単一の波長を持つ光源）を考えてみましょう。コーンは、光の波長と、コーンがその波長にどれだけ敏感かによって、光に応答します。しかし、各種類のコーンは感度が異なるため、同じ光に対する応答は異なります。波長 視細胞の応答 最初のグラフは光源のスペクトルパワー分布です。単色であるため、強度はある波長で狭くピークします。下のグラフはコーンの感度曲線を示しています。下の図は、単色光に対するコーンの応答を表しています。異なるコーンは、感度の違いにより、同じ単色光源に対して異なる応答を生成します。 これだけでは異なる波長を区別するのに十分ではありませんが、感度曲線の分布（または進化の仕方）により、すべての異なる波長が常にコーン内の応答の一意のセットに対応するため、異なる波長を区別することが可能になります。脳は、これらのユニークな応答を、ユニークな色を知覚するものとして解釈するように進化しました。波長 色の知覚 異なる波長が常に一意の応答セットにつながることに注意してください。互いに近い波長は類似したコーン応答を生成する可能性があり、したがって脳はそれらを類似した色として解釈します。