그래픽 컬러처리(1)_컬러 이론

색상, 명도, 채도

컬러 이론

• 전자기파 (Electromagnetic Wave)
  • 주파수 (frequency), 파장 (wavelength)
  • 가시광선의 파장 : 390㎚ ~ 720㎚

전자기파의 파장

• 빛 = 전자기파의 일종 = 공간에서 전기장과 자기장이 서로 수직으로 교차하면서 진행하는 파동
• 빛 에너지의 세기 = 장의 세기 (Field Intensity) : 주기적으로 커지고 작아지기를 반복함.
• 주파수 : 장의 세기가 초당 몇 번이나 바뀌는 지 (초당 몇 번 변화가 있느냐)
• 주파수와 파장은 서로 역수(반비례) 관계이므로 주파수가 높을수록 파장의 길이는 작아짐.
• 그림의 아래쪽에 있는 꺾은 선은 지구에 도달하는 태양광의 상대적인 세기

 

색상, 명도, 채도

• 색상(Hue, Color): 우세 주파수의 색
• 명도(Luminance): 파형 아래의 면적
• 채도(Saturation, Purity): Ed – Ew
  • 채도 증가: Ed 증가 또는 Ew 감소
  • Ew 감소: 명도 저하, 색상 인식이 어려움

빛의 에너지 분포

• 태양광, 형광등 = 일반적인 광원(Light source) = 백색광(White Light) = 보라색 ~ 적색에 이르기까지 모든 주파수 성분이 내포되어 있음.
• 빛이 물체 표면에 부딪히면 어떤 주파수 성분은 물체 내부로 흡수되는 반면 어떤 주파수 성분은 반사됨.
• 반사된 빛 중 가장 많은 에너지를 지닌 파장의 주파수를 우세 주파수 (Dominant Frequency)라고 함.
• 우세 주파의 색 = 물체의 색상
• 그림에서 적색부터 보라색까지는 일단 평균적으로 Ew(Energy white)만큼의 에너지를 가진다. 파장별 에너지가 같을 때 이들을 모두 합치면 백색이 됨.
• 명도 : 색상과는 무관하게 눈에 감지된 빛 에너지의 총량. 그림에서 에너지 파형 아래쪽의 면적에 해당함. 스스로 빛을 발하는 물체의 명도를 자체 명도 (Brightness, Self=Luminanace)라 하고, 반사된 빛을 발하는 물체의 명도를 반사 명도(Lightness)라고 함. 밝게 보이는 빨간색이 있고, 어두워보이는 빨간색이 있어보이는 것처럼
• 채도 : 색의 선명도 혹은 순도. 색상 에너지와 백색 에너지의 차이(Ed - Ew)
• 채도를 높이려면 우세 주파수가 지닌 에너지를 높이거나 백색 에너지를 낮추어야 함.
• 백색 에너지 레벨을 너무 낮추면 물체의 명도가 낮아지기 때문에 물체 색상을 인식하기가 어려워질 수도 있음

 

눈의 구조

• 홍채 : 빛의 양을 조절
• 수정체 : 초점거리 조절
• 막대세포 : 명암인식, 어두운 환경에 반응
• 원추세포 : 색상인식, 밝은 환경에 반응

눈의 구조

• 홍채 : 각막을 투과한 빛의 양을 조절함. (벌어진 정도로 조절)
• 망막 : 상이 맺힘 (카메라의 필름같은 효과를 줌)
• 망막에는 막대 세포 (Rod Cell)와 원추 세포(Cone Cell)가 있음.
• 이들 세포의 인식 결과는 시신경을 통해 뇌로 전달됨. 사람마다 이러한 인식 과정에 차이가 있기 때문에 색에 대한 인식이 주관적일 수 밖에 없음.
• 수정체 : 수정체의 두께를 조절해서 초점거리 조절 (말랑말랑해서 늘어나기도 하고 줄어들기도 함)

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컬러 매칭

• 컴퓨터 모니터에 사용되는 빛은 일반적으로 R(Red), G(Green), B(Blue)라는 세 가지 파장의 빛으로 구성됨.
• 파형이 다르더라도 사람의 눈은 동일한 색으로 인식. 망막 세포는 파장에 따라 다르게 반응하지만 이러한 반응들이 복합적으로 작용하여 인식되기 때문임.
• 컬러 = 전자기파 / R, G, B 다 더하면 흰 색 (빛이 많을수록 흰색)

 → 어떤 파장의 색을 다른 파장의 색으로 대치할 수 있음.

 → 컬러 매칭 (Color Matching) : 우리 눈의 이러한 성질을 이용한 것.

• 580nm 황색 = 적색 광원(0.25) + 녹색광원(0.13) + 청색광원(0.0)
• 500nm 근처에서 적색 광원은 음의 값
  • G, B를 합성한 색상에서 적색 성분을 빼야 함
  • 현실적으로 불가능

[그림 3-5] 컬러매칭 & [그림 3-6] 컬러매칭함수

• [그림 3-5]는 컬러 매칭 과정을 나타낸 것. 레이저를 사용하면 원하는 파장의 빛을 쏠 수 있음. 기준 광원으로부터 일정한 파장의 빛을 쏘면 오른쪽의 원이 만들어지고, R, G, B 역시 각각 색상 파장의 빛을 쏘되, 이들이 서로 모여서 왼쪽 원이 만들어짐. 왼쪽과 오른쪽 원의 색이 서로 같다고 느낄 때까지 R, G, B 광원의 세기를 조절할 수 있는데 그 결과를 그림으로 나타낸 것이 [그림 3-6]임. 
• [그림 3-6]은 R, G, B 매칭 함수의 크기를 보여줌. 
• R, G, B 컬러 매칭으로는 모든 자연색을 표현할 수 없음.

 

CIE 컬러모델

• Commission Internationable de l'éclairage (CIE)
  • 가상의 삼원색 = 3개의 가상 원색 (Virtual Primaries), 수학적으로 유도, 모두 양의 함수
  • Y = 명도. X, Z가 색을 결정

CIE 가상 삼원색

• CIE 위원회에서는 3개의 가상 원색을 설정함으로써 모든 자연색을 이들 세 가지 함수의 합성으로 모델링하고자 함.
• 그림은 CIE 가상 삼원색의 파형인 X, Y, Z 함수를 나타냄. 수학적으로 유도된 함수이므로, 존재하지 않음.
• Y는 명도 값이고, 명도에 무관하게 색은 X와 Z가 결정함.

 

CIE 정규화

• $x+y+z=1$이 되도록 $x,\;y,\;z$를 설정

      $x=\frac{X}{X+Y+Z}\quad y=\frac{Y}{X+Y+Z}\quad z=\frac{Z}{X+Y+Z}$

• x, y가 결정되면 z는 자동으로 결정됨 : x, y의 함수로서 색을 표현
  • CIE 색 범위
  • 순색 (단일 파장) : 경계선, 내부색 : 순색의 혼합, 보색 : 예) A와 B (동일한 양을 섞었을 때 백색)

[그림 3-8] & [그림 3-9]CIE 색 범주

• 표현할 수 있는 색상을 모두 망라한 것을 색 범주(Color Gamut)라 함.
• [그림 3-8] 오른쪽으로 x값, 위쪽으로 y값을 변화시키면서 결과 색을 그린 것임. 그림에서 색칠된 부분이 사람의 눈에 보이는 색임. 단일 파장에 의한 순색(Pure Color)은 그림의 경계선에 위치하며, 내부 색은 이들 순색의 혼합으로 생성됨.
• [그림 3-9]에 표시한 바와 같이 CIE에서는 경계선을 따라 색상이 변함. 또 중앙의 백색에서 멀어질수록 채도가 증가함. [그림 3-8]처럼 CIe 백색은 좌표 (1/3, 1/3)에 위치함. 두 가지 색을 동일한 양으로 섞었을 때 결과색이 백색이면 각각을 보색(Complementary Colors) 관계에 있다고 함. CIE 도표에서 이는 두 색의 좌표를 평균한 값이며, 이것이 (1/3, 1/3)이면 두 색은 서로 보색임. 따라서 보색은 백색을 중심으로 일직선 위에 존재함.
• 백색은 가운데쯤에 위치함. 백색을 중심으로 가로지른 a, b는 보색관계임. 백색을 중심으로 양쪽에 있는 것이 보색 관계

 

색 범위 (Color Gamut)

[그림 3-10]컬러 모니터 색 범주 & [그림 3-11] 출력 장비별 색 범주

• [그림 3-10]은 CIE 색 범주 중 전형적인 컬러 모니터로 재생할 수 있는 색의 범위.
• [그림 3-11]에서 보듯이 이 범위는 필름으로 재생할 수 있는 범위보다는 좁고, 컬러 프린터로 재생할 수 있는 범위보다는 넓음. 
• 장비가 표현할 수 있는 범위가 다름.

 

색 온도 (Color Temperature)

• 가열된 물체의 온도에 의한 색 표현

온도별 색

물체의 온도별 색상 & CIE 모델에서 온도에 따른 색 분

• 빛은 물체 표면을 가열했을 때 나옴. 태양이나 백열등에서 나오는 빛의 색은 가열된 물체(Black Body)의 온도로 표시 가능.
• 물체의 온도별 색상을 색 온도 (Color Temperature)라고 하며, 단위로는 켈빈 (Kelvin Degree)을 사용함.