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高忠実色再現画像システムの概要
JEITA FPD 人間工学シンポジューム
2014. 3. 7
下平 美文
静岡大学 イノベーション社会連携推進機構
本講演の構成
1.忠実色再現画像システムの概要
2.広色域画像の規格およびデバイスの例
3.色校正、色再現特性の評価を容易にする電子色票
の標準化
1.忠実色再現画像システムの概要
目的: 被写体の色と等しい色を画像として再現したい
なぜか?:
美しい花を離れた場所にいる人に見せたい
インターネットで洋服や化粧品を購入したい
遠隔医療を普及させて医療過疎の不便を軽減したい
工業製品の品質(色)を何時も同じように管理したい
・
・
現在の画像機器はその要求を満たしていますか??
どうすれば、忠実な色再現ができるか>>>方法はあるのか
Yes, we can !!
どんな方法??
1.測色的に撮影をする:色信号(XYZ)を入出力で等しくする
現状の画像機器では各メーカーが独自の色変換を行っ
ている (Xi,Yi,Zi ≠ Xo,Yo,Zo 非線形変換である)
2.表示も測色的に行う:
入力の色信号と、表示される色信号を等しくする
(現状の機器は、各メーカーが独自の色変換(絵作り)をし
ている)
撮影から表示まで統一してその方針を貫かないとできない
具体的にどんな方法があるのか ?
撮影:
1.等色関数感度のカメラを使う(私どもの方法)
人の色感度に等しい感度のカメラを開発する
(物体 x 光源) x 等色関数(カメラ) = 色信号
2.マルチスペクトル方式のカメラを使う
物体の分光反射率を知る
物体 x 光源 x マルチスペクトルカメラ=反射率推定
(推定反射率 x 光源) x 等色関数 = 色信号
表示: 入力の色信号に比例した色信号で表示
LCDの様に非線形のデバイスは特に駆動に工夫がいる
被写体の生花
開発したXYZカメラ出力の色度分布 s-RGBカメラ出力の色度分布例
色域が狭く、分布の形も異なる
(有)パパラボ 提供
基本的な考え方
錐体のスペクトル感度: L, M, S を元にする:細胞レベルの反応
S
光電変換部
M L
光電変換部
Spectral sensitivity of cones, L, M and S.
From G. M. Johnson and M.D. Fairchild.
桿体
錐体
(高感度・明暗) (色・明るさ)
文献1:より
L,M,S の透過光は通常思い浮かべる
赤、緑、青の色とは異なる。
(文献4:樋渡涓二編著、“視聴覚情報概論”、昭晃堂より)
この情報が全ての色知覚の源である。
色覚の心理物理特性 を元にする:脳の機能が働いた後の特性
Color matching functions:
等色関数:
スペクトル光
観察窓(二分視野)
完全拡散面
目
3つの原色
Color matching experiments.
等色実験の方法
λ(nm)
RGB 等色関数 (1931)
実験に用いた >> 435.8nm, 546.1nm, 700nm
3つの原色
(B )
(G)
(R)
文献2:大田登著:“色彩工学”、東京電
機大学出版局 より
色光の輝度が等しくなる線形変換(座標回転)
L=lR・ R + lG・ G + lB・ B = K (lX・ X + lY・ Y + lZ・ Z)
明度係数を使う
RGBの基礎刺激(111)がXYZの(KKK)の時等しいとする
=1・R + 4.5907・G + 0.0601・B = K ( 0 + 1 + 0 )
∴ K = 5.6508
(XYZ表色系の定義)
X
0.4900 0.3100 0.2000
Y = 5.6508 ・
0.1770 0.8124 0.0106
Z
0.0000 0.0100 0.9900
R
・
G
B
この関係式はCIEの定めた原色、700nm, 546.1nm, 435.8nmついてのみ成り立つ
すなわち、R、G、Bが異なればマトリクス係数は異なる!<<(要注意)
(上記の関係式はCIE1931に定めたRGBに対してのもの)
Y
y
G
R
Z
RGB 座標からXYZ座標への変換
(巧妙な線形座標変換:Yは輝度
を表す)
X, Y, Z : Imaginary primary colors
B
x
X
XYZ 表色系におけるx y 色度座標 (文献3)
馬蹄形の中の色を私達は
見ることができる
No negative region
XYZ 表色系における視覚色域と等色関数
2deg. field
Matching function in XYZ color system
10deg field
xy chromaticity coordinate
X = X / (X+Y+Z)
(文献3:池田光男著、“色彩工学の基礎”、朝倉書店)より
XYZ 三刺激値のYは完全拡散面
の値が100となるように正規化
どの様にすれば測色的な色情報が撮れるか?
1
S1
S2
S3
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
S2
S3
S1
1
Relative sensitivity
Relative Sensitivity
Make three filters that have equivalent spectral sensitivities to color
matching functions, the bases of the vision characteristics.
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0.1
0
360 410 460 510 560 610 660 710 760 810
Wave length [nm]
XYZ color matching function
線形座標変換
400
500
600
700
Wave length (nm)
Relative spectral sensitivity equivalent
to the matching function.
Solid lines: measured data,
Doted line: theoretical data
0.8
522nm
0.8
532nm
542nm
512nm
552nm
0.6
562nm
503nm
Visible region
sRGB
3by9
Spectrophotometer
Camera
Visible region
sRGB
Spectrophotometer
camera
0.6
572nm
y
582nm
y
592nm
0.4
0.4
602nm
493nm
612nm
613nm
623nm
674nm
0.2
483nm
0.2
473nm
0.0
396nm
0.1
0.2
0.3
x
0.4
0.5
0.6
0.7
0.1
0.2
0.3
x
0.4
0.5
0.6
0.7
試作静止画カメラの色取得特性(XYZ信号出力)
静止画カメラ
4008X2672画素
・広色域平均色差: 0.86
( CIDE2000)
・S/N ~60 dB
Results:
The elements of the matrix were determined
using multiple regression analysis
between camera outputs and measured data of
Macbeth charts and clothing samples.
Macbeth charts.
Clothing samples of which colors are
spread over wider range of gamut.
Vision Research Lab.
標準光源について
D65光源
Standard light sources
(文献3)
開発した初期動画カメラ:測色的色再現
0.6
v'
0.4
0.2
可視領域
オリジナルの色情報
取得した色情報
HDTVの色域
0
0
有効画素数: 3 CCD
水平1280×垂直1024画素
0.2
u'
0.4
平均色差:2.16
( HDTV色域内:1.23 )
0.6
12
分光放射輝度[mW/(sr・㎡・nm)]
分光放射輝度[mW/(sr・㎡・nm)]
光源の種類:近年はLEDも加わり、その照射スペクト
ルは多種多様になっている
D65
A
Cool White
10
8
6
4
2
0
400
450
500
550
波長[nm]
600
650
700
45
40
TL84
Horizon
35
30
25
20
15
10
5
0
400
450
500
550
波長[nm]
光源
特徴
D65
北窓昼光でなだらかな分光分布
A
家庭用の電球の光
Cool White
一般的な蛍光灯の光
TL84
急峻なスペクトルを持った光
Horizon
夕暮れの光で色温度が低い
600
650
700
ディスプレイの課題(厳密色管理)
課題:
1.入力に対して表示の輝度や色を線形な関係で表示
通常のテレビ: メーカーごとに異なる非線形表示
表示デバイスの持つ非線形性
2.ディスプレイの色域はどれくらい必要か
テレビの現状: sRGB 、xv YCC、SHV の色域
あるいはAdobe RGB, シネマRGB の色域
私たちが試みた色変換精度を上げる方式 その1
-1
XYZin
n=1
R
XR128 XG128 XB128
G = YR128 YG128 YB128
ZR128 ZG128 ZB128
B
X
Y
Z
マトリクス変換
RGB信号値
色変換マトリクス
選択
n=n+1
(例)準備した色変換マトリクスのred
が200、128、100とする
TRC変換
RGB階調値
No
n=2
Yes
RGBout
100
0
128
100 128
210
200
255
200
redの階調値=210となると
redの選択する色変換マトリクス=200
-1
R
XR200 XG128 XB128
G = YR200 YG128 YB128
ZR200 ZG128 ZB128
B
X
Y
Z
私たちが試みた色変換精度を上げる方式 その2
• 実験機器
ディスプレイ:液晶プロジェクタ 測定器:分光放射輝度計
• 作成した色変換マトリクス数
各原色(0~255)を
B
DR、DG DB 分割
DB個
R
• 検証
色再現精度
G
DR個
DR10個,DG33個,DB32個
DG個
計10560個
SHIPPのカラーチャート293色のうち色域内の色を使用
入力値とスクリーンに投射した測色値との差を色差で比較
色変換時間
SHIPPの標準画像(4096×3072)4枚に対する色変換時間
実験結果
色再現精度
色域内数
平均色差
最大色差
標準偏差
Shaper/Matrix Model
185
2.83
7.43
1.52
忠実色再現方式
163
0.51
1.29
0.24
本方式
183
0.68
2.00
0.34
本方式は忠実色再現方式と同等の精度
色変換時間
色変換時間
Shaper/Matrix Model
0.58
忠実色再現方式
48.75
本方式
1.00
本方式は忠実色再現方式の約50分の1に低減
≒1級色差
2.広色域画像の規格およびデバイスの例
現状の色域: sRGB, Adobe RGB, デジタルシネマRGB, xvYCC
広色域:
NHK のSHV 方式 標準化された
3原色方式: LEDを使う方式
レーザーを使う方式
有機EL ?有力候補
多原色方式:4原色
5原色
6原色
どの方式が良いか定説がない
それぞれ可能性を検討している段階
再現できる色は図形で囲まれた範囲内(色域内)のものだけ
s-RGB, Adobe RGB and 6 primary display の色域
視覚色域より狭い: s-RGB, Adobe RGB
Adobe-RGB
HDTV, s-RGB
0.6
v
0.4
視覚色域
0.2
Visible Region
6 primary display
sRGB
Adobe RGB
Multi primary
display
0
0
0.2
0.4
u
0.6
H. Sugiura, H. Kaneko, S. Kagawa, M. Ozawa, K. Niki and H.Tanizoe, ”Prototype of a
Wide Gamut Monitor Adopting an LED-backlighting LCD Panel”, Digest of SID ‘03, 43.5L,
pp.1266-1269(2003). より引用
SHVの提案時の色域
正岡顕一郎,西田幸博,菅原正幸,“スーパーハイビジョンの広色域表色系-高い臨場感と実物
間を提供する次世代テレビジョン-”,信学技報,IMQ2011-4,pp.19-24(2011) より引用.
Device-Independent Imaging System for High-Fidelity Colors
Kazunari Tomizawa, Akiko Yoshida, Makoto Hasegawa, Yasuhiro Yoshida :
(SHARP Corporation)
Shinichi Katoh, Kenichi Nishizawa, Osamu Ozawa: (Ikegami Tsushinki Co., Ltd.)
Yoshifumi Shimodaira: (Shizuoka University)
Proceedings of SIGGRAPH 2011. より引用
各種色規格の色域と物体色包含の程度
最明色の範囲: >>ある明度で最も鮮やかな色(理論的限界)
Optimal color
200
反射率の定義
L*
L*
L*
L*
L*
L*
L*
L*
L*
L*
L*
100
反射率
b*
b*
1.0
400
波長 ( nm )
700
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
1
10
20
30
40
50
60
70
80
90
99
0
-100
反射率
1.0
-200
-200
-100
a*
0
100
a*
400
波長 ( nm )
700
D65光源下の最明色の範囲
(川瀬孝治君)
200
BT709 (HDTV) の色範囲(赤点)と物体色の範囲(青点:D65光源下)
BT.709変換後
L* = 50 物体色のデータ点
BT.709変換後
L* = 80 物体色のデータ点
150
150
100
100
100
50
50
50
0
b* (-)
150
b* (-)
b* (-)
L* = 10 物体色のデータ点
0
0
-50
-50
-50
-100
-100
-100
-150
-200 -150 -100 -50
0
50
a* (-)
100
150
200
-150
-200 -150 -100 -50
0
50
a* (-)
100
150
-150
-200 -150 -100 -50
200
BT.709変換後
0
50
a* (-)
100
150
200
xv-YCC色範囲(赤点)と物体色の範囲
L* = 50 物体色のデータ点
xvYCC変換後
xvYCC変換後
L* = 80 物体色のデータ点
150
150
100
100
100
50
50
50
0
b* (-)
150
b* (-)
b* (-)
L* = 10 物体色のデータ点
0
0
-50
-50
-50
-100
-100
-100
-150
-200 -150 -100 -50
0
50
a* (-)
100
150
200
-150
-200 -150 -100 -50
0
50
a* (-)
100
150
200
xvYCC変換後
-150
-200 -150 -100 -50
0
50
a* (-)
100
150
200
画像機器の接続
撮像機器
色変換
色域マッピング
*機器により異り煩雑
HDTVカメラ、 s-RGBカメラ
(原色R1,G1,B1 を想定して出力)
(利用可能なほとんどのカメラ)
デジタルカメラ(広色域)
(原色R2,G2,B2 を想定して出力)
忠実色再現カメラ(開発中)
(表示の原色を想定しない。
色信号は3刺激値である)
表示機器
家庭用テレビ
(R1,G1,B1 原色)
PCモニタ (s-RGB)
(R1,G1,B1 原色)
プリンタ
(CMYK原色)
広色域モニタ
(R2,G2,B2 原色)
多原色テレビ
(R3,G3,B3,C3,M3,Y3)
将来的に各種画像機器を自由に接続できるように
>>> 国際標準化 !?
(Vision gamut)
Device independent signal
Device-Independent
Image Database
ding
ding
a
o
l
n
D ow
Downloading
XYZ, etc.
g
Uploadin
XYZ cameras
( Colorimetric capturing )
RGB-Based
Displays
(e.g., sRGB, AdobeRGB, DCI )
XYZ
Conventional cameras
Uploa
Device dependent signal
Downloading
Device-independent color space
Wide gamut displays
(Multi primary Displays,
Laser Displays)
Printers
Device-dependent color space
( colorimetric or preferable color reproduction )
The proposed system is one of the candidates.
Broad cast images and internet images are exchanging in our daily life.
データの交換が可能であるだけでなく、元画像の制作者の意図が保存されることが大切
3.色再現の評価を容易にする電子色票の標準化
広色域カメラの色取得特性を容易に知るために使用する
Dark
Skin
Orange
Blue
White
Light
Skin
Blue
Sky
Foliage
Blue
Flower
Bluish
Green
Purplish Moderate Purple
Blue
Red
Yellow
Green
Green
Yellow
Magenta Cyan
Neutral
5
Neutral
3,5
Neutral
8
Red
Neutral
6,5
Orange
Yellow
Black
* Optical Density
Macbeth Color Charts のイメージ図
(カメラの色調整に標準的に利用されている)
通常は標準光源の中
で使用される
LED color target gamut
0.9
24 colors of
Macbeth
Chart “o”
すべてsRGB
の色域内の色
sRGBの色域より格段に広い色域
y
0.8
0.7
Visible gamut
0.6
0.5
0.4
24 colors of
Macbeth Chart
reproduced by
LED color
target “x”
0.3
0.2
0.1
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6
x
0.8
D65光源下のMacbeth 色票の色度(○: sRGB
の色域内の色)と電子色票の再現色度(X)
LED 電子色票の試作機
by Dr. Maciek Kretkowski
従来の色校正における改善要請
1.鮮やかな色を再現する色域が欲しい:
Macbeth charts はsRGBの色域内の色。
印刷で鮮やかな色を表示することは難しい。
LED等の自発光型の素子を使うと容易に実
現できる。
2.光源が変化した場合の色を容易に欲しい:
標準照明を用意しなければならない
3.カメラの色校正において、照明、チャート、レ
ンズの位置関係を同じにすることができな
い:
4.カメラ色校正の自動化が難しい:
標準化を目指している
電子色票の一例
これらのことが電子色票を使うことで容易
に実現される。
N
SR 2 
 (
i 1
ti  gi )
N
電子色票の一つの評価基準:
2
Macbeth chart の反射スペクトル
の再現性
(波長ごとのスペクトルの振幅の差
の自乗和を最低にする : SR2 )
Spectral distribution of 18 LEDs
SR2の計算を使って、Macbeth chart (評価基準)のスペクトル再現に最
適なLEDの選択を行う
Calculate SR2 for 24 spectral distribution combinations
SR2 :二つのスペクトルの振幅の差の自乗和の平均
N
SR 2 
 (
i 1
ti
 gi )
2
N
ρt : the standard (target) colour reflectance
spectrum
ρg : the LED-generated emissive colour spectrum
N : number of wavelength samples (i=1,N)
DE00 : 二つのスペクトル光の色差
Examples: ReproducedSpectral
spectral
distribution
distribution
6.0
Relative intensity
5.0
4.0
D65
3.0
LED
2.0
1.0
0.0
400
450
500
550
600
Spectral distribution
650
700
Wave length (nm)
Relative intensity
0.8
0.6
C3
LED
0.4
0.2
0.0
400
450
500
550
600
Wave length (nm)
650
700
Calculate SR2 for 24 spectral distribution combinations
SR2 :二つのスペクトルの振幅の差の自乗和の平均
N
SR 2 
 (
i 1
ti
 gi )
2
N
ρt : the standard (target) colour reflectance
spectrum
ρg : the LED-generated emissive colour spectrum
N : number of wavelength samples (i=1,N)
DE00 : 二つのスペクトル光の色差
Macbeth
まとめ:
*測色的な色再現を強く求める分野がある
現状の画像機器はこの要請に十分には応えられ
ていない。
*色再現の観点でみると画像に関する多様な規格、
デバイスが多数出現している。その間の画像
データの互換性が十分でない。他方、インター
ネットの普及によりデータの交換が頻繁に行われ、
利用者は何をどの様に見ているか分からなくなっ
ている。
制作者の意図を保存して伝達する仕組みが必要
*色の再現性についてそれを評価する基準がない
普通の利用者にも容易に理解できる評価基準が
必要
謝辞:
*本講演の原稿をまとめるにあたり、本学の博士、修士修了
生、学部卒業生、および共同研究をして頂いた多くの企業の
方の研究に基づいて作成させて頂いた。ここに深謝する。
*また、標準化に対しては卜部仁様初めとして多くの方々、
企業や個人の研究者などから色々な情報を提供して頂くと共
に、作成の協力をして頂いたことに感謝する。
References:
(1) Garrett M. Johnson and Mark D. Fairchild, “Full-Spectral Color Calculations in Realistic Image
Synthesis”, IEEE Computer Graphics and Applications(1999).
(2) 大田登著、“色彩工学”、東京電機大学出版局
(3) 池田光男著、“色彩工学の基礎”、朝倉書店
(4) 樋渡涓二編著、“視聴覚情報概論”、昭晃堂
ご静聴あり難うございました
Captured by our XYZ camera
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