【絵を描くための色彩学】三原色、加法混色、減法混色とは

三原色とはなにか
ペイントソフトと三原色の話
参考・引用文献

三原色とはなにか

原色とは

原色(げんしょく,英:primary colors)：混合することであらゆる種類の色を生み出せる、互いに独立な色の組み合わせのこと。

互いに独立な色とは原色が３つの場合、２つを混ぜても残る１つの色を作ることができないという意味だそうです。たとえば青と赤で緑、青と緑で赤、緑と赤で青を作ることはできません。このような場合の色を原色といいます。

三原色とは（加法混色と減法原色の違い）

三原色：三つの原色で色を構成する場合の原色を三原色という。

*2

三原色とは文字通り互いに独立な色の組み合わせが３つあるということです。三原色は「加法混合」と「減法混色」の２種類に分かれます。

加法混色(かほうこんしょく,英:additive color mixture)：色が混ざると明るさが加算される混色。赤、緑、青を三原色としている。

減法混色(げんぽうこんしょく,英:subtractive color mixture)：色が混ざると明るさが減算される混色。シアン、マゼンダ、イエローを三原色としている。

加法混色は光源色、減法混色は物体色におおまかに属するものです。光源色は簡単に言えば光に色がついているということであり、物体色は物体に光があたり、その反射の度合いで色がついているということです。正確に言うと光に色がついているのではなく、光の刺激に人間の目の色に関する細胞が反応しているだけです。たとえばろうそくや信号の光の色は光源色です。りんごや絵の具の色は物体色です。ディスプレイの色は光源色で、プリンターを使って実際に印刷された紙の色は物体色です。

加法混色に対応する言葉としては「光の三原色」や「色光の三原色」ともいわれ、減法混色に対応するものとしては「色の三原色」や「色料の三原色」、あるいは「絵の具の三原色」という言葉があります。

光の三原色について(加法混色)

*2

三原色の加法混色では赤、緑、青を三原色としています。それぞれ混色して作れない色です。というのも青は赤と緑の組み合わせでつくることができず、赤は緑と青で作ることはできないといったような関係にあるからです。緑は青と黄色を混色して緑色に見せることはできますが、黄色は赤と緑の混色であり三原色ではありません。ディスプレイなどでは加法混色が用いられますが黒の背景色から開始して光を加えていくそうです*5。黒の背景色から光を加えていくので加法という言葉が用いられています。

*1

上の図にある通り、人間は錐体細胞を３つもっています。赤の錐体、緑の錐体、青の錐体です。L錐体、M錐体、S錐体ともいわれそれぞれ波長の長さであるShort、Middle、Longを意味しています。光自体に色がついているのではなく、人間側が波長の刺激を色に変換しているのです。

赤、緑、青を三原色としているのは人間の錐体細胞がそれぞれL細胞、M細胞、S細胞に相当しているからだと思います。光源色で黄色を三原色としないのは、黄色を認識するまでにL細胞とM細胞の２つの細胞を刺激しないといけないからです。赤色ならL細胞を刺激するだけで済みます。同じ理由でシアンやマゼンダも原色としていません。

たとえば紫色の光は人間の赤の錐体と青の錐体を同時に刺激することによって我々に紫色を見せています。赤色の光と青色の光を合成した光も同様に人間の赤の錐体と青の錐体を同時に刺激するので我々に紫色を見せています。つまり入力が違っても出力としては同じ紫色を見せているのです。700nmと500nmの波長を掛け合わせても単色光としての紫色の400nmの波長にはなりませんが、紫色の400nmの波長と同じような色として人間の体は認識するようにできているということです。

*2

これは黄色や緑といった他の波長でも同じです。青色と黄色の波長をかけあわせても緑色の波長にはなりません。また赤色と緑色の波長をかけあわせても黄色の波長にはなりません。しかし赤色と緑色の波長が合わさると赤色の錐体と緑色の錐体が同時に刺激されるので、我々は黄色と認識してしまうということです。もし人間ではなく鳥が赤色と緑色の波長が合わさった波長を見ても同じように黄色と感じるかはわからないのです。単色光は物理的な色、合成色は生理的な色と分けて考えることもできます。もっとも大きく分けてしまえばどちらとも生理的な色です。

色科の三原色について（減法混色）

シアンは水色、マゼンタは赤紫色、イエローは黄色を意味します。それぞれの頭文字を撮ってCMYといいます。

＊１

三原色の減法混色ではシアン、マゼンタ、イエローを三原色としています。減法混色はそもそも物体色をベースとしているので、光源色とは違うものです。三色を混ぜると黒色になるようにつくられています。印刷で減法混色が用いられる理由は白い紙に色を重ねていくからです*5。

光源色は光がそのまま我々の視細胞を刺激するわけですが、物体色は光が物体にあたり、その反射した光が我々の視細胞を刺激するわけです。

紙で色を表現しようとすれば紙という物体に光がどのように反射するかといった反射率(輝度率)を利用するので必然的に物体色がベースとなります。

なぜ赤、緑、青ではないかというと、それらの色よりシアン(C)、マゼンタ（M）、イエロー（Y）のほうが色が明るく見えるからです。よくCMYを混ぜると黒色になるから絵の具の三原色はCMYだという人もいますが必ずしもそうではないです。なぜなら赤色緑色青色を混ぜても黒色になるからです。

重要なのはCMYがRGBより明るい色だということです。減法混色の性質上混ぜれば混ぜるほど色が暗くなるので、三原色は一番明るい色を使うべきだということです。MとCを混色すれば赤色に、CとYを混色すれば黄色に、YとMを混色すれば青色になるというわけです。

なぜ赤よりマゼンタのほうが明るく見えるんですか

たしかに疑問ですよね。加法混色の場合は最初にRGBですよね。赤と青を混ぜればマゼンタになります。加法混色の場合は混ぜれば混ぜるほど明るくなるという性質をもつので、赤よりも赤と青を混ぜたマゼンタのほうが明るいと理屈上はいえます。物理的にも似たような波長が混じり合えば増加的干渉を起こして輝度は大きくなるので、混ざった結果明るくなるという言い方なのだと思います。

減法混色では混ぜれば混ぜるほど暗くなるという前提にあるので、最初に明るい色を持ってくる必要があります。物体色で一番明るい(明度が高い)色といえば白色です。なので白色を背景にします。そして次に明るいのがマゼンタ、シアン、イエローです。そのつぎに赤、緑、青です。最後に黒が来ます。それを逆にしたものが加法混色です。一番暗い色が最初に来るので光源色で一番暗いのは光がない状態、つまり黒色です。黒色をまず背景にします。次に赤、青、黄色です。その次にマゼンタ、シアン、イエローときて最後に白色が来ます。光源色において白色は高波長、中波長、短波長がそれぞれ混ざり合い、一番増加的干渉を起こしているので輝度が一番高い、つまり明るい色なのだと思います。物体色において白色は高波長、中波長、短波長をすべて反射しているので白く見えるというわけです。

より数式的に言えば減法混色はRGBー（R(シアンはRを吸収する)＋G(マゼンタはGを吸収する)＋B(イエローはBを吸収する)）＝０です。加法混色は０＋（R＋G＋B）＝RGBです。もしくは０＋（BGのシアン＋RBのマゼンタRGのイエロー）＝RGBです。RRGGBBとなるわけですが割合的にRGBなので変わりません。０から出発するかRGBから出発するかの違いです。

心理学的には黄色は人間が明るく感じやすいらしいです。そして青は暗く感じやすいです。こういった心理的な物量を輝度や光度といいます。人間の心理的な性質を介さない光の強さを放射強度と言います。RGBでいうとG>R>Bの順に明るさを感じやすいらしいです。

*18

心理的な明るさの違いを視感度といい、比較したものを比視感度といいます。黄色は55nm付近の波長です。CIEがきめた波長によれば赤は700nm、緑は546nm、青は435,8nm だそうです。そう考えると青や赤はほとんど０に近く明るく見えにくいですね。単色光としてのシアンは青と緑の間に、イエローは赤と緑の間にあるので視感度は高そうです。ただ単色光としての赤紫がどこにあるかいまいち把握できていません。もしかしたら赤紫という単色光は物理的なものではなく生理的なもので、赤色と青色の光を混色させたときにできる光なのかもしれません。赤紫に見える単色光は自然界に存在するのか否か気になりますね。かるくググったところ物理学の世界ではマゼンタ(ピンク)は存在しないそうです。やはりマゼンタは物理学的な色ではなく生理学的な色という表現が正しそうです。

なおこの視感度とマンセルなどにおける明度と彩度の組み合わせは少し異なるので注意が必要です。マンセルにおいて色がもっとも鮮やかに見える明度は色相によって異なります。たとえば青色は低い明度、赤色は中程度、(黄)緑色は高程度といった具合です。重要なのはマンセルにおける明度は輝度ではなく「反射率（輝度率）」なので注意してください。輝度と反射率(輝度率)は別物です。

色科の三原色（絵の具）

絵の具の三原色は思ったより複雑です。そもそもシアン、マゼンタ、イエローとはなにものという話です。

・シアン(水色に近い青緑色,Cyan)：赤色の光を吸収して青色と緑の色の光を反射または透過する色材のこと

・マゼンタ(赤紫色,Magenta)：緑色の光を吸収して青色と赤色の光を反射または透過する色材のこと

・イエロー(黄色,Yellow)：青色の光を吸収して赤色と緑色の光を反射又は透過する色材のこと

*10

基本的にこの図と先ほどの説明は同じです。イエローはBを吸収してGとRだけ反射または透過します。Wというのは太陽の光のような白色光です。りんごに光があたったときと同じような理屈です。問題はGとRだけ透過したらどうなるのかということです。

物体で考えてみるとより簡単です。青を吸収するということは青色を構成する波長を反射しないということなので青色は結果としてわれわれの目に届きません。我々の目に届くいろというのが緑と赤であり、緑と赤がまざると黄色になりますよねということです。同じように青と赤が反射してマゼンタ、青と緑が反射してシアンというわけです。紫芋がマゼンタの色だとすれば、紫芋の分光反射率は緑色を吸収して赤色と青色を同程度反射しているということになります。

「透過」という概念もなかなかややこしいですよね。色は光源色と物体色に分けられるのですが、物体色はさらに表面色と透過色に分けられます。りんごは表面色ですが水は透過色です。たとえば水に光が当たるとりんごと同じように反射や吸収が起きるわけですが、通り抜けてくる、つまり「透過」してくる光もあるわけです。透過してくる光の中に短波長が多いので水は青色に見えるということです。表面色であれ透過色であれ物体を経由して光が我々の目に届いているので物体色なのです。

さてなぜシアンとイエローを混色すると緑になるのか。シアンはBを吸収してGとRを透過する物体と考えてみます。透過されてきたGとBの光がイエローのフィルターにあたればBは吸収されます。つまりRGB(白色の光)ーR(シアンが吸収)ーB（イエローが吸収）＝Gというわけです。したがってシアンとイエローを減法混色すると緑色になるというわけです。他の色も同じ理屈です。

なぜシアンとイエロー、マゼンタを減法混色すると黒色になるかという理屈も同じです。RGB－R(シアンが吸収)-G(マゼンタが吸収)-B(イエローが吸収)＝０だからです。加法混色の場合はR+G+B=RGB＝白色ということです。減法混色の場合も実質的にはRGBからはじまりRをひいたものがシアン、Gを引いたものがマゼンタ、Bを引いたものがイエローという考え方もできます。ちょうど逆になっていることが見てわかります。

ちなみにですが加法混色でCMYを混ぜると、(G+B)＋（R+B）＋（G+R）になります。Rが２個、Gが２個、Bが２個とRGBが等しいので加法混色では白色になります。

加法混色は思ったよりややこしいという話

*16

同時加法混色：混色した色の明るさがもとになった色の明るさよりも明るくなる混色

中間混色：混色された色の明るさが混色する元の色の平均の明るさになる

併置加法混色：小さな点を並べることによる混色

継時加法混色：回転による混色する

混色には大きく分けて減法混色と加法混色と分けられるのは知っていました。しかし加法混色はさらに同時加法混色と中間混色（併置加法混色、継時加法混色）に分けられるというのです。しかもその性質も大きく異なるのでとてもややこしい。

ここでいう「色の明るさ」とはどんな意味だろうか。当然光の色なので明度は存在しないはず。したがってこのでいう明るさは放射強度や輝度といったいわゆる「光の強さ」になるわけです。

スポットライトのような同時加法混色では色が混ざるほど光の強さは強くなると理解することができます。ディスプレイで使われる混色は併置加法混色なので「平均」の光の強さです。

まず同時加法混色により光の強さが大きくなる根拠としては波長と波長が合わさることにより増加的干渉が生じ、光の強さが大きくなるという”物理的”な説明がまずひとつあります。あるいはグラスマンの法則というのが関係してそうです。混色された光の輝度はそれぞれの色光の輝度の和になるということです*17。

しかしカラースポットでアートを作りたいと考えてるヒト人は少ないはずです。多くの人はデジタルペイント、つまりディスプレイの仕組みを知りたいはずです。そしてこのディスプレイは同時加法混色ではなく併置加法混色が用いられています。この併置加法混色はいわゆる中間混色といわれ元の色の平均の明るさが混色された色の明るさになります。これは明らかに「混ぜれば混ぜるほど色が明るくなる」と教わってきた加法混色の説明とは違うものです。「やってられねーよ」と叫びたいです。

減法混色と同時加法混色は、その混色過程は完全に物理的なものであって眼の外部で混色された結果としての色光が目に入射して色として認識されるものです。
一方、中間混色（継時混色と並置混色）は個々の色を示す色光は物理的には別個に目に入射するのですが、眼（および脳）において生理的に混色されて認識されるものです。継時混色は錐体群の時間応答分解能を越えた領域で、また並置混色は錐体群の位置的分解能を越えた領域で生理的な混色が起こると言えます。
*16

というか違う色を隣に並べてそれを遠くから見ると混ざったように見えるというのは物理的な現象ではなく生理的な現象ですよね。めちゃくちゃ目がいい生物が見たらまざったように見えないかもしれないですし。併置加法混色を物理的に言えば「空間周波数の高い小さな色光の集合による混色*17」らしいです。生理学的に言えば「見分けることが出来ない微小な点の集合として色光を目に入射させると、2つ以上の色刺激が網膜上で重なって融合して混色されるために1つの色に見えること*17」らしいです。この場合混色された光の輝度はそれぞれの色光の中間の輝度になるらしいです*17。

ほぼ毎回お世話になっているシーシーエス様の図でも生理学的混色と物理学的混色に分けてくれているのでとても助かります。同時加法混色は物理的な混色、併置加法混色は生理学的な混色ですね。そして減法混色は物理的な混色と。

絵の具で赤色は三原色だから作れないというややこしい話

よく「絵の具で赤色は三原色だから作れない」といった言葉を耳にします。絵の具は減法混色であり、三原色はCMYです。したがって赤色は絵の具の三原色ではありません。光の三原色がRGBです。この辺を混同するとややこしくなります。

減法混色ではイエローとマゼンタを混色すると赤色になります。しかしマゼンタは絵の具の混色では作ることができません。なぜならマゼンタは三原色のひとつだからです。加法混色では青と赤を混色すればマゼンタをつくることができますが、減法混色では色を混ぜる度に明るさが減少していくので、赤と青を混色すると濁った赤紫色が出きてしまいます。正確に言うと絵の具ではマゼンタは赤色より明るい色なのです。減法混色では混色する度に暗くなるので赤色と青色を混ぜてもより暗い色になるだけで、マゼンタにはならないということです。

ややこしい話になりますがマゼンタは絵の具の混色で作ることはできませんが、マゼンタの絵の具を作ることはできます。要するに混色以外ならマゼンタを作ることができるということです。たとえばマゼンタに近い花のような植物をすりつぶして絵の具にしたり、マゼンタの発色をする有機化合物を使って粉にして絵の具にしたりといった方法です。ただし青色にちかい花と赤色に近い花をすりつぶして混ぜてもマゼンタにはなりません。なぜなら花は物体であり、物体である以上は減法混色になり、減法混色の場合は混ぜるほど明度が下がるからです。

*6

マゼンタは絵の具の混色によって作れませんが、マゼンタという絵の具は存在します。これもややこしいですね。キナクリドンマゼンタという絵の具があるそうです。キナクリドンとは有機化合物のひとつだそうです。

色科の三原色（プリンター）

プリンターはシアン、マゼンダ、イエローという色を基本の三原色としています。一般的なプリンターのインク(トナー)はCMYKでKという色を加えます。このKはBlackのKではなくkey plateのKだそうです。日本語では墨とも言われるそうです。黒インクなのにBlackではなくkey plateとごちゃごちゃしてますよね。この黒インクというものが曲者です。減法混色の原理ではYMCを等しく合わせると黒色(Black)になるはずですが、インクの性質上濁って茶色に近い色になってしまうそうです*3。もしCMYを混ぜて理想的な黒色を作ることができればCMYで良かったのだと思います。

*4

この画像はわかりやすいです。CMYKの順に色を組み合わせて色を表現しているのがわかります。

一方プリンターのマゼンタの成分は機密情報のようなので公開している会社が少ないです。またインクは顔料インクのような粒子が大きいものと、染料インクのように粒子が小さいものがあるそうです。プリンターはトナーを使いますがトナーの中に顔料（いわゆるインク）やワックス、帯電制御剤、添加剤などが入っているそうです。他にも水などがはいっているそうです。色を決める要素は主に「顔料」にあたります。顔料はインクの材料であり、着色に用いる粉末です。水に溶けるものを染料というそうです。トナーの顔料には染料タイプと顔料タイプがあるということです。

ということは絵の具のマゼンタとトナーのマゼンタは同じような顔料から構成されているといってもいいのではないでしょうか。顔料を植物の藍から作る場合もあれば、石油化学由来の顔料の場合もあるそうですが、現代では石油化学由来の顔料のほうが多いそうです*7。ジオキサジン、キナクリドン、ペリレン、インジゴイド等呪文のような有機化合物で顔料が化学的に作られているようです。こうした顔料は青と赤をまぜてつくっているのではなく、最初からマゼンタの発色をするような有機化合物を利用して顔料にし、他の材料を混ぜてトナーにしているといえます。

同様のことが絵の具にもいえます。赤色の絵の具をわざわざマゼンタとイエローを混色してつくるのではなく、赤色に発色するような有機化合物か赤色の植物をつかえばいいということです。わざわざ赤色の植物と青色の植物をまぜて紫色顔料をつくらなくてもいいのです。また仮に赤色の植物と青色の植物をかけあわせて混ぜたとして原色のマゼンタにはなりません。なぜなら減法混色では混ざるほど明度が下がるからです。

またインクで表現できる色域には限りがあるという問題があります。インクで代表的な色域はCMYK色空間と言われるものです。この図はXY色度図といわれ、XYZ色空間を元にして作られたので人間が目で見える以上の色域を含んでいますが、おおよその人間の見える全範囲の色と考えてもいいです。三角で囲まれている部分はsRGBと言われる一般的なディスプレイの色域です。さらに狭いのがCMYKというプリンターで用いられる色域です。色度図は外側に行けば行くほど彩度(純度)が上がるようになっているので、YMCKの範囲は彩度の上限値がより低いものとなっています。写真で植物と実物の植物を見比べてみればどちらが鮮やかかというのはわかると思います。対象物にもよりますが、実物の植物のほうが鮮やかに見えるものがあるはずです。

プリンターがYMCKで用いられているのはわかりますが、色域がなぜこの範囲なのかの理屈はよくわかりません。CMYK以上の色域をもつ色空間を使ったプリンターもあるそうです。６，８，１０色インクなどYMCKの４色を超えたプリンタもあるようなのでそういったプリンタがおそらくCMYK以上の色域をもつプリンターなのだと思います。CMYK以外に色を加える・・っと頭が混乱してきますよね。

どうやらCMYKの4色を「基本カラー(プロセスカラー)」というらしいです。6色の場合はライトマシアンとライトマゼンダが加わるようです。８色の場合はさらにグレーやライトグレーが加わるとか。１０色の場合はさらにオレンジやメタリックといった色が加わるみたいです。

ペイントソフトと三原色の話

ペイントソフトを理解するため私は色を学んでいます。さてペイントソフトは加法混色でしょうか減法混色でしょうか。ちなみにディスプレイは加法混色ですが、併置加法混色なので混ぜれば混ぜるほど色が明るくなるというものではなく、平均的な明るさになるそうです。ただしディスプレイの作り方は思ったより複雑です。まずディスプレイの奥にはバックライトがあり、そのつぎに画素が何万何十万とあるわけです。画素(ピクセル)は色情報を持っていて、画素にバックライトをあてることで色がついた光がみえるわけです。基本的にRGBの情報をもたせて、RとGを併置させれば黄色を出すとか多分そんなことじゃないかと思います。LEDなど学ぶことがたくさんあるのでこの分野についてはまだ理解不足です。

ペイントソフトは加法混色も減法混色も両方できるのでなんだかなといった感じです。ディスプレイは光源色だから、光源色に則った塗り方しかできないということではないのです。ソフト側でうまくシステムを作れば減法混色だってできてしまうのです。たとえばクリップスタジオペイントには減法混色の合成モードも加法混色の合成モードがあります。

とはいえ三原色を学ぶ意味はあると思います。混ぜたらどんな色になるか想定しておくことはデジタルペイントの色塗りにとって有益になるはずです。

クリップスタジオペイントでは加法混色に近いものとして「加算合成モード」があります。上のレイヤーと下のレイヤーのR,G,Bの値をそれぞれ加算するというモードです。このモードは加法混色の中でも「同時加法混色」に近いモードです。なぜなら混ぜる前の輝度より混ぜた後の輝度のほうが大きいからです。減法混色に近いものとしては「減算合成モード」があります。上のレイヤーと下のレイヤーのRGBの値をそれぞれ減算するというものです。

通常の合成モードで色混ぜツールをつかったとき加法混色と減法混色どちらのモードになるのかという理解もしやすくなるはずです。デジタルペイントというのは本来は紙で絵の具を使って描いたり色鉛筆を使って描いたりするものを擬似的にディスプレイ上に表現しようとしたものです。したがって通常は減法混色が前提になっています。光の色を合わせているというイメージで作られてはいないと思います。ただし加算合成モードを使って劇場で使うようなカラースポットのライトを表現できるよといったところでしょうか。光らせたいときに加算(発光)モードを使うのと同じ感覚だと思います。

ペイントソフトは加法混色にも減算混色にも縛られない独自のモードがあるのであまり加法混色や減法混色にこだわりすぎるのはよくないと思いました。