ガマットリング：より良いディスプレイの色分析
2025年3月20日
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ガマットリングが、ディスプレイのカラーパフォーマンスをより明確かつ直感的に視覚化する方法をご覧ください。
文：クリス・チンノック（インサイトメディア
ガマットリング図は、ディスプレイのカラー性能を視覚化する新しい方法です。CIE、IEC、ICDMなどの主要な計量機関によって標準化されているため、今こそ専門家や消費者にもこの新しい能力を教育する時です。つまり、Gamut Rings法は、携帯電話、モニター、テレビ、その他のディスプレイを含む製品など、ディスプレイの色再現能力を理解するための、より簡単で直感的な方法を提供します。これは、以下に説明するように、3Dカラーボリュームを視覚化する2D手段を提供する1931年および1976年のCIEダイアグラムのような、一般的に使用されている（そして不完全な）カラー視覚化手法の限界を克服するものです。
ディスプレイの色は一般的にどのように視覚化されるのか？
ディスプレイの色性能を評価するには、そのディスプレイが再現できる色の範囲と、その色の範囲がディスプレイの標準仕様にどれだけ近いかを理解する必要がある。さまざまな用途のディスプレイの色仕様がある。BT.709仕様は、テレビ、モニター、ラップトップの色能力を表現するために広く使用されており、標準ダイナミックレンジ（SDR）テレビ信号に使用されている。DCI-P3およびBT.2020規格は、より大きな色域をカバーし、ハイダイナミックレンジ（HDR）信号で使用され、より近代的なテレビ、モニター、モバイル機器の仕様の基礎となっている。
これらの規格は、完全に準拠したディスプレイがカバーすべき色の範囲を規定している。赤、緑、青の原色と白色点は、色度の観点から記述されている。これらの原色は、これらの規格ごとに異なる。
あるディスプレイが再現できる色の範囲を決定するために、従来の特性評価方法では、純粋な赤、緑、青のパッチを表示し、そのスペクトルを測定する。これらの赤、緑、青の色が完全に飽和することはほとんどなく、波長範囲をカバーするため、CIE座標系が開発された。1931年に作成されたオリジナルのCIE図は、3つの色を（x, y）データポイントとしてプロットしたものである。図1は、BT.2020とBT.709という2つのテレビ規格における色度の範囲を示している。図の左端、上端、右端に沿った馬蹄形は、一般的な人間の目で知覚できる濃い紫（最も短い波長）から濃い赤（最も長い波長）までの単色（単一）波長色の軌跡をたどっている。馬蹄の外周の数字は、ナノメートル単位の可視波長である。グラスマンの加法混色の法則では、混色した色はRGBの三角形内に収まるとされています。この図が示すように、これらの基準は、ほとんどの人が見ることのできる色の全範囲をカバーしているわけではありません。
CIE 1931xyダイアグラム
図1：CIE1931図にプロットされたBT.709とBT.2020規格
CIEは1976年に（x, y）座標系を（u', v'）座標系に更新した。これは、色の視覚化空間をより "直線的 "にするために行われた。CIE1976の図（図2）の意図は、2つの色点間の色空間における等しい距離は、図上の位置に関係なく、人間が知覚する色の変化量と同じに対応するというものであった。
CIE 1976 u'v'ダイアグラム
図2：CIE 1976年図にプロットされたBT.709とBT.2020規格
特定のディスプレイのカラー性能は、一般的に（x、y）または（u'、v'）表現の三角形としてプロットされ、その面積が基準となる三角形の面積と比較されてきた。これには単純であるという利点がある。ディスプレイのRGB三角形が大きければ、小さいものに比べてより広い色の範囲を表示できるに違いない。これは事実だが、すべてを物語っているわけではない。なぜなら、ディスプレイのカラー性能は3次元的だからだ。実際、1976年にCIEはCIELAB色空間を発表し、色を3次元の特性であると明確に定義しました。つまり、ディスプレイが表現できる色は、画像の輝度レベルの関数でもあるということだ。ディスプレイが暗い場合、色域は制限されるかもしれないが、輝度レベルが上がるにつれて大きくなる。しかし、最近のディスプレイの中には、例えば白のサブピクセルが使用されている場合など、輝度レベルが高くなると再現可能な色の範囲が狭くなるものもある。さらに、後述するように、このようなディスプレイの色能力の二次元表現には重大な欠点がある可能性がある。
CRTディスプレイの輝度範囲は限られていたが、最近のディスプレイは、HDRのSMPTE 2084規格で規定されているBT.2020カラーレンジを満たすことを目標に、数千nitに達することができるようになった。つまり、このようにはるかに広い範囲の輝度レベルにおける色性能は、大きく変化する可能性がある。その結果、単一の輝度レベルにおけるディスプレイの色能力を分析しても、その広い輝度範囲における色性能を明らかにすることはできない。また、色度図では、（例えば）白と灰色、オレンジと茶色、明るい緑と森林の緑を区別することはできない。このため、標準化団体は、1931年または1976年の図上の三角形の領域を、3次元である色域とは対照的に、色度域と呼ぶようになりました。
ここで重要なのは、色は色度（色相と彩度）だけでなく、色度と輝度によって定義する必要があるということだ。
カラーボリュームとは？
上記の欠点のいくつかを克服するために、色彩科学者は、カラーボリューム手法を使用してディスプレイの3次元カラー性能を記述するというコンセプトに移行した。このアイデアは、数十の異なる輝度レベルでディスプレイのカラーレンジを測定することである。そうすることは簡単に聞こえるかもしれないが、最近まで、それは時間がかかり、数学集約的な測定プロセスであった。
カラーボリュームもまた、異なる座標空間を使用する。(x,y)または(u',v')は座標a*と b*に置き換えられ、L*と呼ばれる第3の座標がある。図3は、このLab空間におけるディスプレイのカラーボリュームを示している。
図3：Labでのカラーボリューム表現
Labの色空間は知覚的に均一であるように設計されている。つまり、これらの値の数値的な変化が同じ量であれば、視覚的に知覚される変化もほぼ同じ量に対応する。L*の範囲は0～100で、0は黒、100は白のピーク輝度レベルに正規化されます。基本的にL*は、色相や彩度とは無関係に、色の明暗を測定します。a*軸は、緑から赤までの色または色相成分を表します。a*の正の値は赤を示し、負の値は緑を示す。b*軸は、青から黄色までの色または色相成分を表します。b*の正の値は黄色を示し、負の値は青を示す。Lab空間内のどの色も、これら3つの値、すなわち明度、色相の次元であるa*と b*の組み合わせとして表現される。このボリュームの中心付近の点は、彩度または彩度が低下している。ボリュームの外側に向かうほど、より深い色合いを表現できることを示します。
Labカラースペースでディスプレイのカラー性能を測定すると、より多くのデータが得られ、ディスプレイの真のカラー性能をよりよく理解できるようになるが、これにはいくつかの欠点がある。例えば、異形カラーボリュームの数値は、さまざまなディスプレイで目に見えてかなり異なることがあるが、その結果を解釈するのは非常に難しい。一般的に、大きなボリュームは小さなボリュームよりも優れているが、さまざまな明度（ルミナンス）レベルでカラー性能の違いを見るのは難しい。例えば図3は、プロットされたソリッドシェイプ全体のカラーカバレッジを真に評価するために、異なるパースペクティブビューから評価する必要がある。
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第二に、このような複雑な形状の間で比較を行い、色性能の強弱を理解することも非常に困難である。さらに、ディスプレイの色ボリュームをBT.2020のような基準規格と比較することも、ディスプレイが特定の色（または色範囲）を再現できる場所と再現できない場所を評価するために多くの透視図が必要になる。
そのため、産業界は、真の色能力を測定して提示するためのより良いアプローチと、本質的に3Dである特性を2Dメディア上にプロットする手段を必要としていた。このニーズに応えるため、日本放送協会（NHK）はガマットリングと呼ばれるツールを開発した。近年、SIDのICDM（IDMS 5.32）、IEC（62977-2-1、62977-2-2、62906-5-1など）、およびCIE自体（CIE 246など）を含む主要機関の規格に、Gamut Ringsが書き込まれていることは注目に値する。
ガムット・リングの基本
Gamut Ringsの背景にある考え方は、カラーボリュームの解釈を単純化することである。まず、Gamut Ringsの仕様では、ピーク白輝度がL*100に等しくなるように輝度を正規化する必要があるため、生データは相対的な0～100のL*スケールにマッピングされる。HDRディスプレイの場合、L*100は1000nitsまたはそれ以上のレベルになる可能性がある（注：HDRのL*100レベルは、CIEまたはその他の標準設定機関によってまだ指定されていないが、これはデータを操作する方法になる可能性があるため、公表された結果には記載されるべきである）。
図4の(a)は、D50 CIELAB色空間における色標準BT.2020の色ボリューム表現である。(a)は、このボリューム表現を10の範囲(L*= 0-10、10-20、...、90-100)に分割したものである。図4の(b)では、各L*範囲セグメントを、体積を保持したまま、その辺が垂直になるように変換している。(c)の操作では、板が圧縮され、1光度厚の "スライス "が作成される。図(d)と(e)は、低レベルと高レベルの値を削除することによって、各スライスのデータの「リング」がどのように作成されるかを示しています。(f)に描かれたガマットリングのグラフィックを作成するために、数学的なマッピング処理が行われる。このマッピング処理は、木の年輪のようなもの、あるいは投影操作のようなものだと考えてください。プロジェクターをスクリーンから遠ざけると、画像は大きくなる。より高いL*レンジを表示するにつれて、色域リングは、3Dボリュームを2D画像として表現することを可能にするために、より大きなリングの連続で引き伸ばされる。その結果、(f)はBT.2020規格が色域リング表現としてどのように見えるかを示している。
図4：色域リングの枠組み：(a)色域ソリッドをL*間隔で10個に規則的に分割、(b)色相角ごとの体積を保持したまま、辺が垂直になるように変形、(c)板を1明度の厚さに引き伸ばす、(d)穴を開けて引き伸ばした下から2番目の板を一番下の板に巻き付ける、(e)6番目のリングを下の5つのリングに巻き付ける、(f)D50 CIELAB色空間におけるBT.2020の色域リング。(注：カラースコープにはD65 CIELAB色空間を使用)。
ガマットリングの使用
参照標準のガマットリング図を示すことは重要だが、最終的にはディスプレイの性能を測定し、BT.2020のような参照標準と比較したい。この図はガマット・リングス・インターセクション（Gamut Rings Intersection）と呼ばれる。
これを行うには、まずディスプレイのカラーボリュームを測定し、図4で説明したプロセスを使用してGamut Ringsデータを作成する。図5は、ディスプレイのGamut RingsデータをBT.2020基準規格（黒いリング）と比較したものである。画像にグレーがある場合は、ディスプレイがそれらの色を参照標準の完全な彩度（彩度）で表示できないことを意味する。図5の場合、ディスプレイは広い明度（輝度）値範囲にわたって参照規格のすべての色を再現できないことを示している。
図5：実測データとBT.2020ターゲットによる最終的なガマット・リングスの結果
ガマットリングが重要な理由
カラーボリューム測定は、彩度と輝度で色を表現する必要性に対処していますが、シンプルさの懸念には対処していませんし、ディスプレイ間の性能を簡単に比較することもできません。Gamut Ringsはここで役立ち、色度色域測定の不正確さを排除することができます。
図6は、異なる発色技術で製造された2つのディスプレイのデータを示している。各ディスプレイをCIE 1976（u'、v'）基準で評価すると、どちらのディスプレイもDCI-P3基準基準に対して98％と99％のカバー率で、本質的に同じ色域を持つように見えることに注意されたい。色度プロットもほぼ同じです。しかし、Gamut Ringsを使って評価すると、2つのディスプレイの能力の差は非常に明確になる。一方のディスプレイは、全輝度範囲にわたって体積DCI- P3規格の51％しかカバーしていないのに対し、もう一方のディスプレイは98％をカバーしている。これは目に見える大きな違いだ。ディスプレイ1は明らかに、DCI-P3の高輝度域で彩度の高い色を表現できない。
図6：2つのディスプレイのu'v'対色域リングの色データ
色度図やカラーボリュームのグラフィックや数値を使ってカラー性能を表現することには限界があり、マーケティング上の悪ふざけにつながる可能性があります。基準規格の面積カバー率は、総面積（基準規格の100%より大きくなることがある）または基準規格内の面積（実際の基準規格との交点、つまり基準規格の100%以下）で報告することができる。その方法はしばしば明記されていない。より広く、特に最新のディスプレイでは、CIE 1931または1976を使用した色能力の報告は、上記の例に示すように非常に誤解を招く可能性がある。
同じことがカラーボリュームデータでも起こりうる。正規化された明度スケールに基づいているため、測定値はすべて相対的であり、ディスプレイデータから正規化する必要がある。その結果、0.005ニットから2000ニットまで可能なディスプレイは、このデータを明度値に「正規化」すると、0.5ニットから500ニットまでしかできないディスプレイと非常によく似たボリュームを持つことになる。要するに、標準的なダイナミックレンジのディスプレイは、ハイダイナミックレンジのディスプレイのように「見える」カラーボリュームを持つかもしれない。これらの問題はすべて、企業がディスプレイを誤解を招くような方法で特徴付けるために操作できるマーケティングの抜け穴を生み出す。カラーボリュームはディスプレイの能力を示す一つの指標に過ぎないことを忘れてはならない。ピーク輝度、コントラスト比、その他多くの性能要素も考慮しなければならない。
ガマットリングがすべての色理解の問題を解決するわけではないが、その使用は正しい方向への一歩として役立つ。1つには、複雑な3次元の色反応をより直感的な2次元の表現に単純化することで、リングはより良い仕事をします。第二に、取得と演算処理の複雑さが、一般消費者、校正者、校閲者、計量士にとって使いやすくなりました。Portrait DisplayのCalmanソフトウェアは現在、Lab色空間のカラーボリュームを作成するための602点のデータ取得をサポートし、同時に特定の参照仕様に準拠したGamut Rings Intersection図を作成します。
カルマンのガムテリング能力
バージョン5.15.6以上のCalman StudioおよびUltimateは、Gamut Ringsカラーパフォーマンスを表示するためのデータ取得および処理をサポートするようになりました。これらのツールを使用するには、測色計または分光計とパターンジェネレータが必要です。HDRモードでディスプレイをテストする場合、HDR10またはDolby VisionのようなEOTFとウィンドウテストパターン（10％など）を指定するようにメタデータを設定する必要があります。プログラムのGamut Ringsセクションで、BT.2020やDCI-P3などの参照ターゲット規格も選択する必要があります。処理が開始されると、システムは選択されたEOTF内の全範囲の色と輝度レベルにわたって602点のデータを測定する。カラーボリュームが計算され、Gamut Ringsが分析され、交点図が表示される。このプロセス全体が数分で完了します。
その結果、図 6 のような Gamut Rings の交点図が表示され、ディスプレイの最小輝度値と最大輝度値、 ターゲット（体積）基準色域のカバー率が表示される。一度データを取得すれば、ターゲット基準規格（例えばBT.2020からDCI-P3へ）やEOTFを変更し、異なる信号やモードでのディスプレイのパフォーマンスを確認することができる。さらなる分析も可能だ。
CalmanのこれらのGamut Rings機能は、ディスプレイ計測のフロンティアを押し広げている。HDRモードの計測基準はまだ開発中であるため、このソフトウェアは、これまで不可能であった方法でディスプレイを評価するためのユニークなツールとなっている。例えば、評価プロセスで使用する平均画像レベル（可変、一定、選択可能）を変更して、ディスプレイの性能の異なる特徴やアーチファクトを明らかにすることも含まれます。
このツールは、ディスプレイを評価する新しい方法を発見すると同時に、ソフトウェア・ソリューションの修正や微調整を可能にしている。また、開発作業は多くの未解決の疑問に答えるために今後も続けられるだろう。例えば、テストのためにどのようなパターンを標準化すべきか？それは必要なのか？拡散白色点の輝度値を含める必要があるのか、あるいは平均画質レベル（APL）とピーク輝度をGamut Ringsデータと共に報告すれば十分なのか。ICDM、IEC、または他の組織でもっと標準化する必要があるか？ガマットリングは、異なる環境照明条件下におけるディスプレイの性能をより適切に説明できるか。反射型ディスプレイの評価に役立つか？
使用例
キャリブレーター、レビュアー、メトロロジストのような専門家は、ディスプレイのカラー性能を評価するためにGamut Ringsの使用を採用することを検討すべきです。ディスプレイのカラー性能を視覚化する方法が改善されたことで、ディスプレイ間の一貫したカラー比較が非常に容易になりました。これは、工場ラインでのディスプレイのキャリブレーション、レビュアーや消費者がディスプレイを比較する場合、そしてメトロロジストが新しく革新的な方法でディスプレイの性能を調査する場合に特に重要です。
プロのカラーグレーディングでは、コンテンツ生成から表示までのプロダクションチェーン全体を通して、より一貫性のある正確なカラーを提供するために、Gamut Ringsを採用するメリットがあります。また、Gamut Ringsの交点図は、例えばターゲット色域を超えるピクセルを特定し強調するために、ビデオのモニタリングに使用することもできます（図7）。
図7：ターゲット外のピクセルを監視するために使用されるガマットリング
概要
ガマットリングス法は、あらゆるディスプレイのカラー性能を見る新しい方法です。これは、ディスプレイの3Dカラー性能を簡略化した方法で、より簡単に解釈できる2D図を作成します。その使用は、ディスプレイのカラー性能を比較するための、より一貫した方法を持つことができるという大きな利点を提供すると同時に、カラーレポートに関して時折見られるマーケティングの悪ふざけを減らすことが期待される。
量子ドット技術を明確にする。
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