[세미나] '色'과 '색재현'의 이해를 위한 세미나

제목 : 색, 색재현의 이해

일시 : 2017년 8월 18일 오후 2시 30분

장소 : 파나소닉 플라자 세미나룸 [2호선 서초역 1번출구]

주최 : PICF 전문영상업무연합 

후원 : 그린촬영시스템, 영화사 루이, 포비디지털, 파나소닉 코리아, 렛츠런재단

http://cafe.naver.com/picf/20153

강사 : 박경렬 선임연구원 ( LG전자 시그니쳐 HDR TV 화질엔진 개발자 )

Chiba 대학(Japan), 정보화상공학과 학부졸업

Chiba 대학원 융합과학연구과 Vision Lab.(Prof. Yaguchi hirohisa), Human vision/Color science 전공 석사졸업

LG전자 CTO SIC센터 TVSoC개발실 IVT파트, TV화질엔진(color/contrast 관련 분야 담당) 개발

모든 색역을 표현할 수 있는 디스플레이는 없습니다. 컬러는 눈과 뇌에서 느끼는 합성된 감각일 뿐 물체 고유의 물리적 량이나 성질이 아니기 때문입니다. 빨강(Red), 녹색(Green), 파랑(Blue)의 색을 섞어서 어느색이든 만들어 낼 수 있는데, 이를 RGB삼원색이라고 하죠. 그런데 그렇게 만들어 낸 색들은 인간의 시각계통이 감지하는 주관적 감각을 모두 충족시킬 수 없습니다. 인간의 시지각을 더 만족시키기 위한 도전은 계속되고 있습니다. 어디에서 출발하는 지를 알아야 가야할 곳으로 놓여지는 경로가 최적화 됩니다. 색에 관한, 생리적이고 심리적인 성질, 물리적이고 수식적인 한계를 이해해야 합니다. 더 잘 알면 더 잘 할 수 있습니다. 일본에서 휴먼 비젼과 컬러 사이언스를 공부하고 세계적인 디스플레이 제조사에서 color/contrast 관련 분야 담당하는 연구자에게 색과 색재현에 대해 들어보는 시간을 가져봅니다. 

* 전문가용 모니터 / 레퍼런스 모니터

============================

색_색재현의_이해 (1).pdf

[색, 색재현의 이해]

<순서>

1. 빛과 색(light and color)

2. 시각계(human visual system)

3. 색각(color vision)

4. 표색계(color system)

5. 색공간(color space)

6. 색재현(color reproduction)

 

1. 빛과 색(light and color)

< 색의 근본은 빛>

뉴턴(1730, Isaac Newton)의 실험

The rays are not colored

색은 빛으로부터 생겨나지만 빛에는 색이 없다

<색의 이해>

방사(radiation) : 전자기파 혹은 입자에 의해서 에너지가 방출되는 현상  -> 방사 측정(radiometry)

빛(light) : 눈으로 들어오면 밝기를 인지하는 가시 영역(380~780nm 파장)의 방사  -> 측광(photometry)

색(color)  -> 측색(colorimetry)

지각(perception)으로의 색 : 유채색/무채색 성분의 임의의 조합에서 비롯되는 시지각(visual perception)의 한 속성

색 지각(color perception)을 일으키는 빛의 특성 : 좁은 의미의 색

색 지각을 일으키는 빛을 일으키는 물체의 특성 : 좁은 의미의 색

심리 물리색(psychophysical color) : 3자극치와 같이 계산식으로 규정된 값으로 나타내는 색자극(color stimulus)

의 표현

 

2. 시각계(human visual system)

<눈의 구조와 기능>

눈의 구조

결상 광학계의 기능

안구 근육으로 원하는 시야 확보

모양체와 수정체를 사용하여 망막에 맺히는 상의 초점 조절

홍채를 사용하여 동공으로 들어오는 광량 조절

 

<망막의 구조와 기능>

망막의 구조

광전 광학계의 기능

3종류의 광수용 세포를 사용하여 빛을 파장마다(LMS)의 신호로 변환

광수용 세포에서 변환된 자극치(LMS)를 대립색(opponent color) 신호로 변환

각 신호를 시신경을 통해 뇌로 전달

 

<시각 정보 처리의 흐름>

시각 정보 처리

최종 정보 처리는 대뇌

망막에 맺히는 상이 아닌 뇌에서 다양하게 처리된 결과를 보고 있다

시 지각 속성

능동시각

안구운동

선택적 정보처리 등

대상시각

크기

윤곽

형태

색

영역

물체/얼굴 인식 등

공간시각

움직임

깊이

표면

입체공간 이해 등

3. 색각(color vision)

<밝기의 이해>

휘도(luminance)

단위 면적당 광도(단위 면적을 단위 시간 동안 통과하는 광속의 크기, cd)

단위 : nit = cd/m2

측광량 : 스펙트럼 비시감도 함수에 입각하여 평가된 방사량(광속/광도/조도/휘도 등)

광원/물체의 속성에 해당하여 시거리에 상관없이 일정

비시감도(spectral luminous efficiency)

사람의 눈의 단색광(파장λ의 빛)에 대한 감도를 곡선으로 나타낸 것

1924년 국제조명기구(CIE, Commission Internationale de l’Eclairage)에 의해 명소시의 표준 비시감도 채택

입력된 파장별 방사량에 사람의 비시감도를 적용하여 휘도 계산

밝기는 휘도와 일치하지 않는다

Helmholtz-Kohlrausch 효과 : 일정한 밝기에서 채도가 높을수록 밝아보이는 효과

<색각의 이해>

삼원색 이론(trichromatic theory)

Thomas Young, Herman von Helmholtz

각기 다른 파장에 민감한 3가지 유형의 추상체의 상대적인 반응 비율에 의해서 색을 지각한다는 이론

혼색, 색각이상 등이 설명 가능

파장에 따라 반응하는 3종류의 추상체가 발견되어 입증

반대색/대립색 이론(opponent colors theory)

Karl Ewald Konstantin Hering

3종류의 광화학 물질(빨강-초록, 파란-노랑, 검정-하양)이 있고, 빛이 들어오면 분해와 합성의 반대반응이 동시에 일어 나서 그 비율에 따라 색을 지각한다는 이론

색 대비, 색 잔상 등이 설명 가능

외측슬상핵 및 대뇌에 존재하는 대립세포들이 발견되어 입증

색각 모델(color vision model)

4. 표색계(color system)

<표색계 및 색공간의 이해>

표색계(color system)

계통적, 정량적으로 색을 표시하는 체계

현색계, 혼색계로 크게 나누어짐

색공간(color space)

색을 3차원 공간 좌표에 나타냄

장치 독립적인 색공간

심리물리량에 기반을 두는 색공간

장치에 종속되지 않고 심리물리량을 나타내는 절대적인 수치로 표현됨

CIEXYZ, CIELAB, CIELUV, CIECAM02 등

장치 종속적인 색공간

이미지의 디지털 표현/처리/저장을 목적으로 하는 색공간

장치에 따라 같은 수치에서도 다른 색으로 표현될 수 있음

HSV, RGB, YCbCr 등

<현색계와 혼색계의 이해>

현색계(color appearance system)

지각색을 표시

지각적으로 일정하게 배열되어 있음, 이해하기 쉽고 측색기가 필요없음

먼셀 표색계(munsell color system)

- 감각 척도(색차)에 기반함

- 색의 3속성(색상, 명도, 채도)에 따라 색공간을 샘플화하여 색상별 명도/채도로 표기

NCS(natural color system)

- 반대색 이론에 기반함

- 색상을 R/G, Y/B의 성분비로 나누어 표기하고, 각 색상에서의 whiteness/blackness/chromaticness를 총합 100이 되도록 표기

혼색계(color mixing system)

심리 물리색을 표시

사람의 색 감각이 반영된 물리적인 빛의 혼색 실험에 기초를 두고 있음, 조건 등색(metamerism)을 사용하여 심리물 리량으로 수치화 됨

CIEXYZ

- CIE 표준 표색계

5. 색공간(color space)

<장치 독립적인 색공간의 이해>

CIERGB

color matching 실험 통해 구해진 색대응함수(color matching function)을 사용하여 RGB의 3가지 자극치으로 표현

CIE 1931 RGB 색대응 함수

- 원자극(primary stimuli) : R 700nm, G 546.1nm, B 435.8nm

- 2도 시야

CIERGB 색도좌표(chromaticity coordinates)

- 3자극치를 총합에 대한 비로 표현

- 3차원을 2차원으로 표현

음수의 3자극치가 있음

측색치(3자극치)가 측광량을 표현하지 못 함

CIEXYZ

CIERGB에서 선형 변환하여 XYZ의 3자극치로 표현

CIE 1931 XYZ 색대응 함수

CIEXYZ 색도좌표 (x,y)색도도

계산된 3자극치에 음수가 없음

Y는 휘도와 동일한 값을 가짐

CIELAB

CIE 1976 L*a*b* 균등 색공간(uniform color space)

사람의 색 지각 특성(색순응, 밝기에 대한 비선형성, 반대색 이론)을 반영하여 정의한 색공간

색 지각의 3속성(명도, 채도, 색상) 표현 가능

먼셀 표색계를 참조하여 정의됨 -> 먼셀 등색상/등크로마와 잘 일치함

비교적 큰 색차를 참조할 때 주로 사용됨

CIELUV

CIE 1976 L*u*v* 균등 색공간

CIE 1976 (u’,v’) 균등 색도도 : MacAdam 타원(색차)이 작아지도록 (x,y)색도좌표를 변환하여 표현

(u’,v’) 색도좌표를 사용하여 정의한 색공간

색 지각의 3속성(명도, 채도, 색상) 표현 가능

비교적 작은 색차를 참조할 때 주로 사용됨

CIECAM02(color appearance model)

사람의 색 지각 특성(시청 환경, 색순응 등)이 가장 많이 반영된 모델

<장치 독립적인 색공간의 이해>

RGB

RGB 3원색을 사용한 가산혼합 특성을 이용하여 표현하는 색공간

디지털 영상의 입력/처리/저장/표시(display)에 주로 사용

sRGB(standard RGB)

- 영상 장치에 대한 물리적 특성(휘도, 3원색의 색좌표, 명도 특성 등)을 표준화하여 장치 독립적인 색공간(XYZ)과의 상호 변환 가능

- (심리)물리량으로의 변환이 가능하여 측색/측광을 통한 색관리(color management)/조정이 가능

YCbCr

사람 눈이 민감하게 반응하는 밝기(Y) 성분과 덜 민감한 색(CbCr) 성분으로 분리하여 신호 처리를 수행하는 색공간

기존 흑백TV는 밝기정보만 가지고 있었는데, 이곳에서 추가로 색 정보만 추가하게 되었다.

색 성분을 제외하면 쉽게 흑백 영상을 얻을 수 있어 컬러/흑백 영상 장치에 대한 호환성이 좋음

밝기 성분과 색 성분의 데이터 밀도(chroma sampling, 444/422/420)를 다르게 할 수 있어 데이터 압축에 효과적

디지털 영상의 압축/처리/저장/전송에 주로 사용

방송 표준 신호 형식으로 정의되어 있음

RGB 색공간과의 상호 변환 가능

HSV

색 지각 특성(색상, 명도, 채도)을 고려하여 만들어진 색공간

디지털 영상의 처리에 주로 사용

6. 색재현(color reproduction)

<Robert William George Hunt 의 색재현의 목표>

분광적 색재현(spectral color reproduction)

원본의 분광 반사율을 재현

이상적인 색재현 : 분광 카메라 + 다원색 display   미술작품의 디지털 아카이브

측색적 색재현(colormetric color reproduction)

조건 등색(metamerism)을 사용하여 측색적(XYZ)으로 원본의 색에 일치시킴

상대휘도(Y)는 일치하지만 절대휘도는 일치하지 않음

정확한 색재현(exat color reproduction)

측색적 색재현에 더하여 절대휘도까지 일치시킴

등가적인 색재현(equivalent color reproduction)

재현색의 관찰조건에서 보았을 때 같은 색처럼 보이도록 색도나 상대/절대 휘도를 재현

대응하는 색재현(corresponding color reproduction)

재현색의 관찰조건에서 보았을 때, 재현시의 조도 조건에서, 같은 색처럼 보이도록 색도나 상대/절대 휘도를 재현

선호하는 색재현(preferred color reproduction)

원본색과 재현색이 다르더라도 관찰자 입장에서 보기 좋은 색으로 재현

<TV 방송에서의 색재현>

방송에서의 색재현

측색적 색재현 -> 최근에는 HDR(high dynamic range) contents의 등장으로 정확한 색재현까지 확대

등가적인 색재현 : 측색치는 다르나, 보기에 유사한 색으로 재현

선호하는 색재현 : 원작자/사용자의 의도에 의해 선호하는 색으로 재현

방송 표준(BT.2020, UHD방송)

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(xy색도좌표)

- Primary Colours : BT2020 color gamut(xy색도좌표)

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

<색역 매핑>

색역(color gamut)

capture/display/인식 가능한 색의 범위

BT.709(sRGB) : HD방송 표준 (TV의 시네마 모드에서 일반적으로 사용됨)

DCI-P3 : 영화 표준

BT.2020 : UHD방송 표준 (Standard Object Color Spectra Database 의 99%이상 표현)

이외에 업계 별, 목적 별 다양한 색 영역의 정의가 있음

ACES : 가상의 제일 넓은 색공간 (이론적인 색영역이기 때문에 현재 지원되는 모니터는 존재하지 않음)

https://en.wikipedia.org/wiki/Academy_Color_Encoding_System

* 현재 BT.709의 색영역을 표현하는 모니터는 있다.

하지만 BT.2020을 지원하는 모니터라는 것은 아직은 없다. 디스플레이에서 표현할 수 있는 칼라를 정해놓은 큰 컨테이너의 개념이라고 볼 수 있다.

색역 매핑(color gamut mapping)

색을 재현할 때에, 다른 색역을 가진 미디어(capture/print/display 장치 등)에서 목표한 색을 재현할 수 없는 경우 발생 -> 표현할 수 있는 범위로 색좌표를 변경할 필요가 생김

 

(실제로 들어온 카메라 색정보)

(현재 디스플레이의 색정보가 카메라에 담는 색정보를 100% 다 표현할 수 없다 보니, 비슷한 영역의 색은 합쳐서 보여진다.)

(디스플레이에서 보여줄수 있는 한계로 색영역이 줄어든 모습)

 

(시청자가 보기에 적절한 색으로 보여주기 위해 보정이 들어간 픽쳐프로파일 정도로 볼수 있을까) 

<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