[論文レビュー] Good Colour Maps: How to Design Them

Peter Kovesi|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2015

Color Science and Applications参考文献 28被引用数 54

ひとこと要約

本稿では、データ範囲全体にわたり一貫した視覚的コントラストを保証する、知覚的に均一なカラーマップを設計するためのフレームワークを提案する。虹色カラーマップのような一般的に使われるマップに見られる欠陥を是正する。CIELAB色空間を活用し、知覚的明度の変化を均一にすることに注力することで、特にリリーフシェーディングと組み合わせた場合のカラーマップの評価に役立つテスト画像とガイドラインを提示。また、頑健な3値画像化のための基本色も導入する。

ABSTRACT

Many colour maps provided by vendors have highly uneven perceptual contrast over their range. It is not uncommon for colour maps to have perceptual flat spots that can hide a feature as large as one tenth of the total data range. Colour maps may also have perceptual discontinuities that induce the appearance of false features. Previous work in the design of perceptually uniform colour maps has mostly failed to recognise that CIELAB space is only designed to be perceptually uniform at very low spatial frequencies. The most important factor in designing a colour map is to ensure that the magnitude of the incremental change in perceptual lightness of the colours is uniform. The specific requirements for linear, diverging, rainbow and cyclic colour maps are developed in detail. To support this work two test images for evaluating colour maps are presented. The use of colour maps in combination with relief shading is considered and the conditions under which colour can enhance or disrupt relief shading are identified. Finally, a set of new basis colours for the construction of ternary images are presented. Unlike the RGB primaries these basis colours produce images whereby the salience of structures are consistent irrespective of the assignment of basis colours to data channels.

研究の動機と目的

• 知覚的に非均一なカラーマップがデータの特徴を隠蔽したり、誤った異常を生じさせたりするという広範な問題に対処すること。
• CIELAB空間は有用ではあるが、低周波数でのみ知覚的に均一であるため、カラーマップ設計への直接適用には限界があることを示すこと。
• 人間の視覚的感度に応じた空間周波数に対する感度に基づいて、カラーマップの性能を評価するための標準化されたテスト画像を開発すること。
• リリーフシェーディングと組み合わせた場合に深度知覚を損なわないように、カラーマップの使用に関する実用的ガイドラインを提供すること。
• 色チャンネルの割り当てにかかわらず一貫した知覚を保証する、3値画像のための基本色を導入すること。

提案手法

• カラーマップの経路に沿った知覚的コントラストの均一性を評価するために、上部から下部へ振幅が変化するラムプ関数に正弦波を重ねたテスト画像を用いる。
• カラーマップの経路に沿った知覚的差を分析するためにCIELAB色空間を用い、知覚的明度の変化の均一性に特に注目する。
• 周期的カラーマップの評価のため、らせん状のラムプと重ねられた正弦波を有する円形テスト画像を導入する。
• 線形、発散型、虹色、周期的デザインに基づく知覚的に均一なカラーマップのセットを提案し、実装用のMATLABコードを提供する。
• 色チャンネルの順列変更に対しても知覚が安定するように、明度と彩度が一致するように調整された3値画像のための基本色を開発する。
• カラーマップとリリーフシェーディングの相互作用を分析し、カラーマップがシェーディングの知覚を強化または損なう条件を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 知覚的に非均一なカラーマップは、どのようにデータの特徴の誤解釈を引き起こし、その知覚的アーチファクトの原因は何か？
• RQ2 CIELAB空間は設計上の目的を有するが、なぜ知覚的に均一なカラーマップの設計には不十分なのか？
• RQ3 知覚的に均一なカラーマップを定義する基準は何であり、それらを体系的に評価するにはどうすればよいか？
• RQ4 リリーフシェーディングと効果的に組み合わせるには、どのようにカラーマップを使用すればよいか？深度知覚が劣化しない条件は何か？
• RQ5 どの基本色が、チャンネルの割り当てにかかわらず安定した、知覚に依存しない3値画像を生じさせるか？

主な発見

• 虹色カラーマップを含む、広く使われている多くのカラーマップは、知覚的平坦領域や不連続性を示し、データの特徴を隠蔽したり、誤って強調したりする。
• 10%の特徴の深さと8ピクセルの波長（5.2サイクル/度）を持つテスト画像は、カラーマップの知覚的コントラストの非均一性を効果的に露呈する。
• 知覚的均一性は、CIELAB空間における均一性よりも、カラーマップの経路に沿った知覚的明度の線形的かつ均一な変化を保証することで達成される。
• コントラストが低く、明るい色調のカラーマップは、周波数スペクトルが豊富なリリーフシェーディングと組み合わせると、シェーディングを強化する。
• リリーフシェーディングが低周波数で支配されている場合には、等光度カラーマップが干渉を避けるために推奨される。
• 提案された3値画像のための基本色は、RGBの主原色とは異なり、チャンネルの割り当てにかかわらず知覚的に安定した可視化を生じる。