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報 告

広色域ディスプレーの

色域包含率計算基準

正岡顕一郎

Gamut Coverage Metric for Wide-gamut

Displays

Kenichiro MASAOKA

高精細度テレビジョン(UHDTV:Ultra-high Definition Television)では,スペク トル軌跡上に三原色の色度が位置する広色域表色系がITU-R勧告BT.2020(Rec. 2020)に規定されている。現在,UHDTVディスプレーが再現できる色の範囲はさまざまで あり,ディスプレーの色域サイズを表す何らかの計算基準が必要となっている。現在,実践的 には,CIE(International Commission on Illumination:国際照明委員会)1931 xy色 度図とCIE 1976 u′v′色度図において,ディスプレーのRGB三原色の色度を結んだ三角形の 面積比あるいは面積包含率で色域サイズが表されているが,その2つの色度図で算出される 値が異なるという問題がある。一方,色彩科学の分野では,色域は2次元の色度図でなく知 覚的に均等な3次元の色空間で立体的に定義されるが,ディスプレーの色域の形状は複雑で 体積の算出は容易ではない。本稿では,xy色度図におけるRec. 2020面積包含率が3次元 色空間におけるRec. 2020体積包含率と非常に高い相関を持ち,広色域ディスプレーの色域 サイズを示す計算基準として妥当であることを示す。

要 約

F

or ultra-high definition television, a wide-gamut system colorimetry is specified in the International Telecommunication Union - Radiocommunication Sector (ITU-R) Recommendation BT.2020 (Rec. 2020). Presently, UHDTV displays recognize the Rec. 2020 color representation, but their inherent gamut sizes vary, which necessitates a proper gamut size metric. A practical metric used in the display industry involves comparing the area-size ratio or area-coverage ratio of the triangle formed by connecting the RGB primaries of a display to that of a standard color space in the International Commission on Illumination (CIE) 1931 xy chromaticity diagram or CIE 1976 u′v′ chromaticity diagram. Based on color science, however, the color gamut is defined as a solid volume in a perceptually uniform three-dimensional color appearance space, rather than planimetric in a chromaticity diagram, although the calculation of the gamut shape and size is very complex. This report reveals high correlations between the Rec. 2020 area-coverage ratios in the x y diagram and the Rec. 2020 volume-coverage ratios in color appearance spaces. It is herein proposed to measure display gamut sizes by employing the Rec. 2020 area-coverage ratio in the xy diagram.

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報 告

01

(Adisp∩Astd) / Astd を「Rec. 2020面積包含率」と呼び, xy色度図とu′v′色度図の2つの色度図におけるRec. 2020 面積包含率と,色彩科学的に正しい3次元色空間における Rec. 2020体積包含率をシミュレーションにより比較し,色 度図を用いた広色域ディスプレーの色域サイズを示す計算 基準の妥当性を検証する。

2.シミュレーション

まず,3図のu′v′色度図上に赤・緑・青の点で示すように, さまざまな広色域ディスプレーのRGB三原色をサンプリング する。3図では,どのRGB三原色の組み合わせでもRec. 709色域を包含することで広色域ディスプレーの条件を満た すものとしている。 4図は,サンプリングしたすべてのRGB三原色の組み合 わせについて,xy色度図とu′v′色度図において算出した Rec. 2020面積包含率を比較した結果である。両色度図に おけるRec. 2020面積包含率は最大で18%程度の差があり, 色度図を区別しない計算基準には問題があることが分かる。 5図は,xy色度図とu′v′色度図において算出したRec. 2020面積包含率と,CIE L*a*b*(CIELAB),CIE L*u*v* (CIELUV)*4 ,CIECAM02 Jacbc*5において算出した

Rec. 2020体積包含率4)との関係を示す。このシミュレーショ ン結果から,色彩科学的に正しいRec. 2020体積包含率は, xy色度図におけるRec. 2020面積包含率と高い相関を有し ていることが分かる。したがって,広色域ディスプレーの相 対色域サイズは,xy色度図におけるRec. 2020面積包含率 で表すことが妥当であると考えられる。 面積包含率の計算に用いるxy色度図の妥当性は,目標 色域がAdobe RGB(写真やグラフィックアートの色空間の標 準)やDCI-P3(デジタルシネマの基準プロジェクターの色域) の場合でも示されている5)。面積包含率の計算方法の詳細 については,文献6)を参照していただきたい。

1.まえがき

超高精細度テレビジョン(以下,UHDTV)では,スペク トル軌跡上に三原色の色度が位置する広色域表色系が ITU-R(International Telecommunication Union - Radiocommunication Sector)勧告BT.2020(以下,Rec. 2020)1)に規定されている。一方,HDTVではCRT(Cathode Ray Tube)の蛍光体の特性に基づいて設計された表色系 がITU-R勧告BT.709(以下,Rec. 709)2)に規定されている。 xy色度図とu′v′色度図におけるUHDTVとHDTVの三原色 の色度*1を1図に示す。1図から,UHDTVの広色域表色 系は,HDTVでは再現できない高彩度の物体色も再現でき ることが分かる3) しかし,現在のUHDTVディスプレーが再現できる色の 範囲はさまざまであり,色域サイズを表す何らかの計算基 準が必要になる。実践的には,色域サイズは,色度図にお いて目標となる標準的な色域とディスプレーの色域との面積 比で表される。一方,色彩科学の分野では,2図に示すよ うに知覚的に均等な*23次元色空間としてよく用いられてい

るCIE L*a*b* (CIELAB)色空間*3における色立体で色域

を表す。しかし,その形状や体積の算出は複雑で,また, 色立体の概念の難しさから,体積に基づいた計算基準は市 場では受け入れられていない。 一方,面積に基づいた計算基準にも問題がある。規格の 赤(R),緑(G),青(B)の三原色色度点をある色度図上 で結んだ三角形(RGB三角形と呼ぶ)の面積をAstd,ディス プレーの三原色色度点をある色度図上で結んだ三角形の面 積をAdisp,それぞれの三角形が重なり合う多角形部分の面 積をAdisp∩Astdとしたとき,ディスプレーの相対色域サイズ が面積包含率(Adisp∩Astd) / Astdで表される場合と,面積 比Adisp / Astdで表される場合がある。さらに,これらの面 積包含率や面積比を算出する際に,xy色度図を用いる場合 とu′v′色度図を用いる場合が混在する。 Rec. 2020で規定された広色域表色系は,ほぼすべての 物体色を包含するように設計されている。したがって,Rec. 2020に対応したディスプレーの設計においては,Rec. 2020 の信号で表現される物体色を正確に再現できる指標を用い ることが望ましい。この点で,ディスプレーが物体色を正確 に再現できているかを表す指標としては,ディスプレーの相 対色域サイズは,面積比でなく,AdispがAstdにどれだけ包 含されているかを示す面積包含率で表すことが妥当である。 そして,色域包含率を面積包含率として計算する場合の2 次元空間として,実践的にはxy色度図かu′v′ 色度図のどち らかを選択することになる。 本稿では,Astdの基になる規格がRec. 2020である場合, *1 色の色相と彩度を表す数値を色度と呼ぶ。明るさは表さない。国際照明 委員会(CIE)が定める色度図にはxy色度図とu′v′色度図がある。明るさ が一定の場合には,u′v′色度図の方がxy色度図よりも知覚的な色の差が より均等に図示される。 *2 色の明度,色相,彩度を表す3次元色空間において,距離と色の差が比 例していることを「知覚的に均等」と呼ぶ。 *3 明度をL*,色相と彩度を示す色度をa*,b*で表す3次元色空間。 *4 CIELABとCIELUVは,ともに国際照明委員会(CIE)において1976年に 規格化された色空間モデル。CIELUVはかつてテレビジョンの分野でよく 用いられていたが,現在は主にCIELABが用いられている。 *5 主に学術用途で標準化された色空間モデル。現在も改良が試みられてい る。

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包含率だけでなく,色相別の色域包含率も推奨されている。 6図に示すように,Rec. 2020のRGB三角形において,白色 (W)の色度点からR, G, Bの色度点へそれぞれ直線を引い てシアン(AC),マゼンタ(AM),イエロー(AY)の3つの領 域に分割し,それぞれの領域の面積包含率(Adisp∩AC) / AC,(Adisp∩AM) / AM,(Adisp∩AY) / AYを求め,色相別 のRec. 2020色域包含率としている。算出した色域包含率 は,Rec. 2020のRGB三角形全体,C領域,M領域,Y領

3.標準化

前章のシミュレーション結果を基に,超高精細度テレ ビジョン番組制作用ディスプレーの色域包含率計算法と して,x y色 度 図 上で のRec. 2020面 積 包含 率をARIB (Association of Radio Industries and Businesses:電波 産業会)に提案し,2015年に技術資料TR-B367)が策定さ れた。TR-B36では,Rec. 2020 のRGB三角形全体の面積 1図 Rec. 709とRec. 2020の色度 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 u′ x v ′ y 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Rec. 2020 Rec. 709 (a) xy色度図 (b) u′v′色度図 2図 3次元色空間におけるRec. 709とRec. 2020の色域 (a)Rec. 709の色域 (b)Rec. 2020の色域 100 80 60 40 20 0 0 0 b* a* L * -100 -100 100 100 100 80 60 40 20 0 0 0 b* a* L * -100 -100 100 100

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報 告

01

3図 広色域ディスプレーのRGB三原色のサンプリング 4図  xy率の比較色度図とu′v′色度図におけるRec. 2020面積包含 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.3 0.4 0.5 0.6 Rec. 709 RGB 三角形 0.2 スペクトル軌跡 純紫軌跡 0.1 u′ v ′ 100 90 80 70 60 50 50 60 70 80 90 100 u′v′面積包含率 面積包含率 xy 5図 Rec. 2020面積包含率とRec. 2020体積包含率の比較 (図中のrは相関係数を表す) 100 90 80 70 60 50 40 50 60 70 80 90 100 xy 面積包含率 体積包含率 L*a*b* 100 90 80 70 60 50 40 50 60 70 80 90 100 xy 面積包含率 体積包含率 L*u*v* 100 90 80 70 60 50 40 50 60 70 80 90 100 xy 面積包含率 体積包含率 Jacbc =0.990 r r=0.985 r=0.969 100 90 80 70 60 50 40 50 60 70 80 90 100

u′v′面積包含率 u′v′面積包含率 u′v′面積包含率

体積包含率 L*a*b* 100 90 80 70 60 50 40 50 60 70 80 90 100 体積包含率 L*u*v* 100 90 80 70 60 50 40 50 60 70 80 90 100 体積包含率 Jacbc =0.780 r r=0.849 r=0.805 =0.990 =0.990 r r=0.985=0.985 r=0.969=0.969 =0.780 =0.780 r r=0.849=0.849 r=0.805=0.805 (a) xy色度図とL*a*b*色空間 (d) u′v′色度図とL*a*b*色空間 (b) xy色度図とL*u*v*色空間

(e) u′v′色度図とL*u*v*色空間

(c) xy色度図とJacbc色空間

(5)

により比較し,広色域ディスプレーの色域サイズを示す計算 基準として,CIE 1931 xy色度図におけるRec. 2020面積包 含率が妥当であることを示した。この計算基準は,超高精 細度テレビジョン番組制作用ディスプレーの色域包含率計 算法として,ARIBの技術資料TR-B36に規定された。今後 は,広色域ディスプレーの開発において,首尾一貫した計 算基準により色域サイズを評価できるようになると期待され る。 本稿は,Optics Express誌に掲載された以下の論文を元 に加筆・修正したものである。

K. Masaoka and Y. Nishida:“Metric of Color-space Coverage for Wide-gamut Displays,” Opt. Express, Vol.23,No.6,pp.7802-7808 (2015) 域のそれぞれの面積包含率を,小数点第1桁まで四捨五入 して記述する。例えば,Rec. 709色域(Rec. 709のRGB三 角形)のRec. 2020色域包含率は,以下のように記述される。 Rec. 2020色域包含率:52.9%(C:27.5%, M:68.7%, Y:60.1%) このように色相別に3領域の色域包含率を示すことによ り,全体の色域包含率のみを示す場合よりも,色相間の色 域サイズのバランスをある程度把握することができる。

4.あとがき

本稿では,色度図におけるRec. 2020面積包含率と3次 元色空間におけるRec. 2020体積包含率をシミュレーション 6図 Rec. 2020色域の分割 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 AM AY AC 0.3 0.2 B R W 0.1 x y 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 AC Adisp 0.3 0.2 ∩ AY∩Adisp AM∩Adisp 0.1 x y (a) Rec. 2020シアン,マゼンタ,イエローの3領域 (b) あるディスプレーのRGB三角形との重なり

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報 告

01

1) Rec. ITU-R BT.2020-2,“Parameter Values for Ultra-high Definition Television Systems for Production and International Programme Exchange” (2015) 2) Rec. ITU-R BT.709-6,“Parameter Values for the HDTV Standards for Production and International Programme Exchange” (2015) 3) K. Masaoka, Y. Nishida, M. Sugawara and E. Nakasu:“Design of Primaries for a Wide-gamut Television Colorimetry,” IEEE Trans. Broadcast.,Vol.56,No.4,pp.452-457 (2010) 4) K. Masaoka and Y. Nishida:“Metric of Color-space Coverage for Wide-gamut

Displays,” Opt. Express,Vol.23,No.6,pp.7802-7808 (2015)

5) K. Masaoka:“Single Display Gamut Size Metric,” J. Soc. Info. Disp.,Vol.24,No.7, pp.419-423 (2016)

6) K. Masaoka:“Display Gamut Metrology Using Chromaticity Diagram,” IEEE Access, Vol.4,pp.3878-3886 (2016)

7) ARIB TR-B36,“Metric of Color-space Coverage of UHDTV Displays for Program Production” (2015)

参考文献

ま さ

お か

け ん

い ち

ろ う 1996年入局。放送技術研究所,放送技術局を 経て,2002年から放送技術研究所において, 超高精細映像システムの研究と映像方式の標準 化活動に従事。現在,放送技術研究所テレビ方 式研究部主任研究員。博士(工学)。

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参照

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