색, 색재현의이해 2017.8.18 LG 전자
순서 빛과색 (light and color) 시각계 (human visual system) 색각 (color vision) 표색계 (color system) 색공간 (color space) 색재현 (color reproduction) 1/17
빛과색 색의근본은빛 뉴턴 (1730, Isaac Newton) 의실험 The rays are not colored 색은빛으로부터생겨나지만빛에는색이없다 2/17
빛과색 색의이해 방사 (radiation) : 전자기파혹은입자에의해서에너지가방출되는현상 방사측정 (radiometry) 빛 (light) : 눈으로들어오면밝기를인지하는가시영역 (380~780nm 파장 ) 의방사 측광 (photometry) 색 (color) 측색 (colorimetry) 지각 (perception) 으로의색 : 유채색 / 무채색성분의임의의조합에서비롯되는시지각 (visual perception) 의한속성 색지각 (color perception) 을일으키는빛의특성 : 좁은의미의색 색지각을일으키는빛을일으키는물체의특성 : 좁은의미의색 심리물리색 (psychophysical color) : 3 자극치와같이계산식으로규정된값으로나타내는색자극 (color stimulus) 의표현 3/17
시각계 눈의구조와기능 눈의구조 모양체근 (Ciliary Muscle) 공막 (Sclera) Ear side 홍채 (Iris) 동공 (Pupil) 각막 (Cornea) 유리액 (Vitreous Humor) 수정체 (Eye lens) 중심와 (Fovea) 망막 (Retina) 시신경 (Optic Nerve) 방수 (Aqueous Humor) 맥락막 (Choroid) Nose side 결상광학계의기능 안구근육으로원하는시야확보 모양체와수정체를사용하여망막에맺히는상의초점조절 홍채를사용하여동공으로들어오는광량조절 4/17
시각계 망막의구조와기능 망막의구조 (ganglion cell) (bipolar cell) (cone) (rod) (amacrine cell) (horizontal cell) 광전광학계의기능 3종류의광수용세포를사용하여빛을파장마다 (LMS) 의신호로변환 광수용세포에서변환된자극치 (LMS) 를대립색 (opponent color) 신호로변환 각신호를시신경을통해뇌로전달 5/17
시각계 시각정보처리의흐름 시각정보처리 최종정보처리는대뇌 망막에맺히는상이아닌뇌에서다양하게처리된결과를보고있다 시지각속성 능동시각 안구운동 선택적정보처리등 대상시각 크기 윤곽 형태 색 영역 물체 / 얼굴인식등 공간시각 움직임 깊이 표면 입체공간이해등 6/17
색각 밝기의이해 휘도 (luminance) 단위면적당광도 ( 단위면적을단위시간동안통과하는광속의크기, cd) 단위 : nit = cd/m 2 측광량 : 스펙트럼비시감도함수에입각하여평가된방사량 ( 광속 / 광도 / 조도 / 휘도등 ) 광원 / 물체의속성에해당하여시거리에상관없이일정 비시감도 (spectral luminous efficiency) 사람의눈의단색광 ( 파장λ의빛 ) 에대한감도를곡선으로나타낸것 1924년국제조명기구 (CIE, Commission Internationale de l Eclairage) 에의해명소시의표준비시감도채택 입력된파장별방사량에사람의비시감도를적용하여휘도계산암소시명소시 밝기는휘도와일치하지않는다 Helmholtz-Kohlrausch 효과 : 일정한밝기에서채도가높을수록밝아보이는효과 7/17
색각 색각의이해 삼원색이론 (trichromatic theory) Thomas Young, Herman von Helmholtz 각기다른파장에민감한 3 가지유형의추상체의상대적인반응비율에의해서색을지각한다는이론 혼색, 색각이상등이설명가능 파장에따라반응하는 3 종류의추상체가발견되어입증 반대색 / 대립색이론 (opponent colors theory) Karl Ewald Konstantin Hering 3 종류의광화학물질 ( 빨강 - 초록, 파란 - 노랑, 검정 - 하양 ) 이있고, 빛이들어오면분해와합성의반대반응이동시에일어나서그비율에따라색을지각한다는이론 색대비, 색잔상등이설명가능 외측슬상핵및대뇌에존재하는대립세포들이발견되어입증 색각모델 (color vision model) 8/17
표색계 표색계및색공간의이해 표색계 (color system) 계통적, 정량적으로색을표시하는체계 현색계, 혼색계로크게나누어짐 혼색계 현색계 색공간 (color space) 색을 3 차원공간좌표에나타냄 장치독립적인색공간 심리물리량에기반을두는색공간 장치에종속되지않고심리물리량을나타내는절대적인수치로표현됨 CIEXYZ, CIELAB, CIELUV, CIECAM02 등 장치종속적인색공간 이미지의디지털표현 / 처리 / 저장을목적으로하는색공간 장치에따라같은수치에서도다른색으로표현될수있음 HSV, RGB, YCbCr 등 9/17
표색계 현색계와혼색계의이해 현색계 (color appearance system) 지각색을표시 지각적으로일정하게배열되어있음, 이해하기쉽고측색기가필요없음 먼셀표색계 (munsell color system) 감각척도 ( 색차 ) 에기반함 색의 3속성 ( 색상, 명도, 채도 ) 에따라색공간을샘플화하여색상별명도 / 채도로표기 NCS(natural color system) 반대색이론에기반함 색상을 R/G, Y/B의성분비로나누어표기하고, 각색상에서의 whiteness/blackness/chromaticness를총합 100이되도록표기 혼색계 (color mixing system) 심리물리색을표시 사람의색감각이반영된물리적인빛의혼색실험에기초를두고있음, 조건등색 (metamerism) 을사용하여심리물리량으로수치화됨 CIEXYZ CIE 표준표색계 10/17
색공간 장치독립적인색공간의이해 CIERGB color matching 실험통해구해진색대응함수 (color matching function) 을사용하여 RGB 의 3 가지자극치으로표현 CIE 1931 RGB 색대응함수 원자극 (primary stimuli) : R 700nm, G 546.1nm, B 435.8nm 2도시야 CIERGB 색도좌표 (chromaticity coordinates) 3자극치를총합에대한비로표현 3차원을 2차원으로표현 음수의 3 자극치가있음 측색치 (3 자극치 ) 가측광량을표현하지못함 CIEXYZ CIERGB 에서선형변환하여 XYZ 의 3 자극치로표현 CIE 1931 XYZ 색대응함수 CIEXYZ 색도좌표 (x,y) 색도도 계산된 3 자극치에음수가없음 Y 는휘도와동일한값을가짐 11/17
색공간 장치독립적인색공간의이해 CIELAB CIE 1976 L*a*b* 균등색공간 (uniform color space) 사람의색지각특성 ( 색순응, 밝기에대한비선형성, 반대색이론 ) 을반영하여정의한색공간 색지각의 3 속성 ( 명도, 채도, 색상 ) 표현가능 먼셀표색계를참조하여정의됨 먼셀등색상 / 등크로마와잘일치함 비교적큰색차를참조할때주로사용됨 CIELUV CIE 1976 L*u*v* 균등색공간 CIE 1976 (u,v ) 균등색도도 : MacAdam 타원 ( 색차 ) 이작아지도록 (x,y) 색도좌표를변환하여표현 (u,v ) 색도좌표를사용하여정의한색공간 색지각의 3 속성 ( 명도, 채도, 색상 ) 표현가능 비교적작은색차를참조할때주로사용됨 CIECAM02(color appearance model) 사람의색지각특성 ( 시청환경, 색순응등 ) 이가장많이반영된모델 12/17
색공간 장치종속적인색공간의이해 RGB RGB 3 원색을사용한가산혼합특성을이용하여표현하는색공간 디지털영상의입력 / 처리 / 저장 / 표시 (display) 에주로사용 srgb(standard RGB) 영상장치에대한물리적특성 ( 휘도, 3원색의색좌표, 명도특성등 ) 을표준화하여장치독립적인색공간 (XYZ) 과의상호변환가능 ( 심리 ) 물리량으로의변환이가능하여측색 / 측광을통한색관리 (color management)/ 조정이가능 YCbCr 사람눈이민감하게반응하는밝기 (Y) 성분과덜민감한색 (CbCr) 성분으로분리하여신호처리를수행하는색공간 색성분을제외하면쉽게흑백영상을얻을수있어컬러 / 흑백영상장치에대한호환성이좋음 밝기성분과색성분의데이터밀도 (chroma sampling, 444/422/420) 를다르게할수있어데이터압축에효과적 디지털영상의압축 / 처리 / 저장 / 전송에주로사용 방송표준신호형식으로정의되어있음 RGB 색공간과의상호변환가능 HSV 색지각특성 ( 색상, 명도, 채도 ) 을고려하여만들어진색공간 디지털영상의처리에주로사용 13/17
색재현 Robert William George Hunt 의색재현의목표 분광적색재현 (spectral color reproduction) 원본의분광반사율을재현 이상적인색재현 : 분광카메라 + 다원색 display 미술작품의디지털아카이브 측색적색재현 (colormetric color reproduction) 조건등색 (metamerism) 을사용하여측색적 (XYZ) 으로원본의색에일치시킴 상대휘도 (Y) 는일치하지만절대휘도는일치하지않음 정확한색재현 (exat color reproduction) 측색적색재현에더하여절대휘도까지일치시킴 등가적인색재현 (equivalent color reproduction) 재현색의관찰조건에서보았을때같은색처럼보이도록색도나상대 / 절대휘도를재현 대응하는색재현 (corresponding color reproduction) 재현색의관찰조건에서보았을때, 재현시의조도조건에서, 같은색처럼보이도록색도나상대 / 절대휘도를재현 선호하는색재현 (preferred color reproduction) 원본색과재현색이다르더라도관찰자입장에서보기좋은색으로재현 14/17
색재현 TV 방송에서의색재현 방송에서의색재현 측색적색재현 최근에는 HDR(high dynamic range) contents 의등장으로정확한색재현까지확대 등가적인색재현 : 측색치는다르나, 보기에유사한색으로재현 선호하는색재현 : 원작자 / 사용자의의도에의해선호하는색으로재현 방송표준 (BT.2020, UHD 방송 ) Picture spatial characteristics Pixel count : 3840x2160, 7680x4320 Picture temporal characteristics Frame frequency : 120, 100, 60, 50, 30, 25, 24 Hz 등 System colorimetry Reference white : D65(xy 색도좌표 ) Primary Colours : BT2020 color gamut(xy 색도좌표 ) Signal format Signal format : RGB/Non-constant luminance YCbCr 등 Non-linear transfer function(oetf) : BT709 OETF Derivation of Y/color difference signal : RGB to YCbCr Color space conversion Digital representation Sampling lattice : Chroma sampling 444/422/420 Quantization levels : 10/12 bit 15/17
색재현 색역매핑 색역 (color gamut) capture/display/ 인식가능한색의범위 BT.709(sRGB) : HD방송표준 DCI-P3 : 영화표준 BT.2020 : UHD방송표준 (Standard Object Color Spectra Database 의 99% 이상표현 ) 이외에업계별, 목적별다양한색영역의정의가있음 색역매핑 (color gamut mapping) 색을재현할때에, 다른색역을가진미디어 (capture/print/display 장치등 ) 에서목표한색을재현할수없는경우발생 표현할수있는범위로색좌표를변경할필요가생김 contents gamut display gamut linear gamut mapping non-linear gamut mapping 16/17
참조 http://www.rit.edu http://dorim.mokpo.ac.kr/~jjkim/lecture1/animalphy/ap7sensory/photo.htm http://www.aistudy.com/physiology/vision.htm National Geographic, No.5, 1992 https://en.wikipedia.org/ A. R. Robertson, The CIE 1976 color-difference formulae, Color Research and Application, 1977 17/17