色彩と濃度

色彩

  「光に色はない」のをご存知でしょうか.色は人が頭の中で心理的に見ています.このことに最初に気が付いたのは”万有引力の法則”で有名な ニュートン(Isac Newton,1642-1727)と言われています.彼が光の屈折の研究に使ったプリズムは今でもケンブリッジ大学に保管されているそうです. 色は勝手に各々の人が頭の中で感じているので同じ物体を見て同じ色に見えているか誰にもわかりません.色を表すのに単に言葉で赤,緑,青などと 表現するだけでは不確実なので色を測る(表現する)方法が考えられ実際に使用されています.
 色々な方法がありますがここではよく利用されている二つの方法を紹介します. 一つは混色の原理(三つの異なった光を混ぜ合わせると一つの色に見える人の目の特性)を使った方法でXYZ表色系といい,色をx,y,zの値で表します. 但しx+y+z=1の関係があるので通常x,yの値だけを使います.右の図が国際照明学会(CIE)が1931年に発表した色度図でxy座標の馬蹄形の 中の部分のx,yの値が色を示します.この色度に基づいた色度計が市販されていますが数十万円の価格で手軽に購入する機器ではありません. 馬蹄形の中の赤,緑,青の丸を結んだ青色の線の三角形はsRGBといい,1998年に国際電気標準会議が決めた色再現性の規格で, 皆さんがお使いのPCのモニタ,TVやディジタルカメラなどの色再現の規格に使われています.言い換えるとモニタやTVはこの三角形の内側の 色しか再現できません.これらの機器は人が感じている色の一部しか再現していないことがお分かりになると思います.
もう一つの方法は,アメリカの画家であり美術教育者であったマンセル(Albert H. Munsell, 1858-1918)が1905年に創案したカラーシステムで 縦軸に明度(Value: V),縦軸の円周方向に色相(Hue: H),半径方向に彩度(Chroma: C)を表したものです.明度は無彩色を基準とし反射率0の 理想的な黒を0とし実際に顔料で実現できる1-9.5までの範囲を色標化しています.色相はR(赤),Y(黄),G(緑),B(青),P(紫)を主要5色相とし, それぞれの中間にYR,GY,BG,PB,RPを加えた10色相を基準とし環状に時計回りに循環させてならべ,さらにそれぞれの間を10分割して目盛りをふって1R〜10Rと 表示し色相全体を100に分割しています.彩度は無彩色の彩度を0とし,等明度の無彩色から離れて特定の色相の特徴が強くなるにしたがって1,2,3,・・・10と 彩度の尺度値は高くなります.マンセルシステムでの色の表示方法は,有彩色の場合は色相,明度,彩度の順に連記し,明度と彩度の間を/(スラッシュ)でつないで HV/Cと表します.例えば色相5R,明度4,彩度10の場合は5R4/10(5アール4パー10)と表示します.無彩色の場合はN5のようにNの後に明度の値を表示します. マンセルシステムは「色の表示方法‐三属性による表示」として日本工業規格JIS Z 8721に登録されています.また,各種色見本が市販されていて,安価なものは1万円程度で購入できます. このシステムは洗濯機,電子レンジなどの工業製品の色指定や色の計測に使われています.
 ではマンセルシステムで指定された色,例えば5Y8/10はいつも同じ色に見えるかというとそうではありません.照射する光の違いによって違った色に見えます. また,写真で撮ると同じ光でも周囲の明暗や色合いによって違った色で記録されます.右の写真は5Y8/10を曇天の日に数秒の時間差で色見本の周囲の明るさを変えて撮ったものです. 写真機は自動露出で撮影すると画面全体は17%の反射率として露出を決定します,ですから背景が暗いと露出オーバーに,暗いとアンダーに撮影します.またホワイトバランス機能が働いて人が感じる色合いに画面の色調を変化させます. したがって,同じ色5Y8/10が違った色に記録されます.写真の色合いを識別の基準にしてはならないことがこの例からわかります.

濃度

  カモメの背の濃度が識別の手掛かりとなることは皆さん周知のとうりです.濃度を表す方法はマンセルシステムの明度やKODAK社のグレースケール(以下GS)などが知られています. 文献(*2),(*6)には種,亜種の背の濃度がGSで記載されています.GSはコダック社から販売されているもので下の写真のように0から19の番号とその下に白から黒までの灰色が印刷されたものです.
0は濃度0.05に設定され1段階で0.1ずつ増え19は濃度1.95に設定されています.濃度をN,光の反射率をRとするとN=log(1/R)の関係です. 具体的に0から19までの反射率は以下のようになります.
No0 A1234567 M8910111213141516 B171819
反射率[%]89.170.756.244.635.428.122.317.714.111.28.975.64.43.52.82.21.71.41.1

 GSの値は明るさを表しているのではなく,反射率を規定しています.右のグラフは晴天,薄曇り,曇天の日に千々石海岸の照度を計測したものです. 晴天の日は太陽に垂直面はおよそ7万ルックス,太陽を背にした垂直面は5千ルックスと およそ14倍の強度差があります. 背の明るさは反射率と背を照射している光の強度(照度)を掛け合わせた値をπで割った値になります.例えばセグロカモメおよびオオセグロカモメの背を夫々1万,4万ルックスの光が照射している場合の明るさの値を求めてみましょう. セグロカモメのGSは6-7,オオセグロカモメは11-12とされていて反射率で表現すると夫々17.8-22.4,5.6-7.1[%]です.これらの反射率と照射している照度から, 各々の明るさ(輝度)は567-714,713-904[cd/u]となり,セグロカモメの背の明るさはオオセグロカモメと同じくらいか暗く見えることになります.  右の写真は晴天の日にセグロカモメ(左)とオオセグロカモメ(右)が太陽に向かって静止したところを撮ったものです.セグロカモメの背がオオセグロカモメより暗く写っています.晴天の日はカモメの背の明るさでその濃度を推測してはいけないことが分かります.
天空がすべて雲で覆われ太陽の位置が特定できない曇天の日は晴天の日と違って水平面照度は水平面からから±10°の範囲で2%以内に収まっています. (この計測値は周囲に大きな構造物がない砂浜の海岸での値です.実際にカモメの背の濃度を計測するときはその場所の外光照度を計測することをお勧めします) この場合はカメラとGSを使ってカモメの背の濃度を計測することができます.  写真は同じ濃度(反射率)の物体は同じ照度,露光時間,レンズのF値で撮影すると同じ濃さで記録されます. 波打ち際のカモメと手元の水平面に置いたGSを同じ露出条件のカメラで撮影しカモメの明るさがGSの明るさと一致した点を読み取るとカモメの濃度となります. 右の写真のモンゴルカモメの緑の線で囲った部分の平均相対輝度(枠の中の赤(R),緑(G),青(B)のデータを読み取りその平均値が画面の白を100%としてそれに対する値)は66.5%です. GSの0-19の平均相対輝度をグラフにプロットしその曲線の66.5%のGSの値を読むと,このモンゴルカモメの背の濃度はGS5.7となります.
この写真はsRGB色空間を使っていますので相対輝度の算出にはR,G,Bおよび白(W)の色度(x,y)は夫々(0.640,0.330),(0.300,0.600),(0.150,0.060),(0.3127,0.3290)を使っています.  緑枠内の数百点の平均値を手計算で算出するのは時間がかかりますのでプログラムを作ってPCで算出しています. フィールドで観察したカモメの背の濃度を計測したい方でプログラムを作るのが面倒な場合は「なんじゃもんじゃ」「サイト紹介」からフォームで連絡いただけば無償にてお送りいたします.






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