그래픽 컬러처리(2)_컬러 모델

RGB 컬러 모델

삼중 자극이론 (Tri-Stimulus Theory)

• 원추세포는 파장 630nm(빨강), 530 nm(녹색), 450nm(청색)에 가장 민감하게 반응

[그림 3-14] RGB 모델의 좌표 & [그림 3-15] RGB 분포

• 우리 눈이 주로 이 세 가지 파장의 빛 세기만을 합성하여 색을 인식한다는 삼중 자극 이론
• 그리고 이들 색을 3차원 x, y, z 축에 놓고, 가중치에 따라 색을 정의하고자 하는 것이 RGB 컬러 모델 (RGB Color Model)

• [그림 3-14]처럼 RGB모델은 모든 색의 길이가 1인 정육면체 내부 좌표로 표시함. R, G, B는 육면체의 모서리에 위치.
• 예) 적색 : (R, G, B) = (1, 0, 0), 황색은 적색과 녹색은 1:1 비율로 혼합한 것으로 좌표 (1, 1, 0)에 위치.
• 좌표축의 원점 (0, 0, 0)은 흑색을 나타내며, 백색은 (1, 1, 1)인 점에 위치. 흑색에서 백색에 이르는 대각선 위에 있는 모든 점에서는 R, G, B 성분 값이 동일한 색, 즉 회색임. 이 값이 0에서 1로 가면서 회색도(Gray Scale, Gray Level)가 증가하여 점차 밝아짐.
• [그림 3-15]는 육면체 정중앙을 중심으로 서로 마주 보는 색이 보색임. 예를 들어 녹색의 보색은 자홍색.

가산 모델 (Additive Model)

• 빛의 합성에 의한 모델 (예: 모니터)
• RED+GREEN=YELLOW,  GREEN+BLUE = CYAN,  BLUE+RED = MAGENTA
• RGB의 보색은 CMY

RGB 모델의 가산

• RGB 모델 = 가산 모델 = 광원에서 나오는 빛을 합성할 경우에 적용되는 모델로 R, G, B 삼원색을 더하여 또 다른 색을 만들어 낸다는 의미.
• 적색 + 녹색 + 청색 = 백색
• 그림에서 그림 중앙을 중심으로 마주보는 색이 보색임.
• CMY (Cyan, Magenta, Yellow)

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CMY 컬러모델

감산 모델 (Subtractive Model)

• 빛이 물체 표면에 반사되었을 때의 색에 관한 모델 (예: 프린터)
• W - G(Complement of Magenta) = R + B = Magenta
• (W - G) - R(Complement of Cyan) = Blue
• (W - G - R) - B(Complement of Yellow) = Black 

감산 모델

• CMY 컬러 모델(CMY Color Model)은 빛이 물체 표면에 반사되었을 때의 색에 관한 모델. 반사된 빛의 색은 물체 자체의 색에 따라 달라짐. 주로 컬러 프린터나 컬러 플로터 등의 인쇄 장비에 적용됨.
• CMY를 사용한 빼기 계산으로 필요한 색을 만들어 내기 때문에 감산 모델이라고도 함. RGB 모델은 더하기를 사용하는 가산 모델임. 

• 보색 관계는 백색광이 입사되었을 대 물체 표면에서 보색이 흡수된다는 점이 중요함. 위 그림은 CMY의 감산이 이루어지는 과정을 나타냄.
• (a)에서 종이에 자홍(Magenta) 물감을 칠하면 백색광 성분 중 자홍의 보색인 녹색이 흡수되고, 나머지 적색과 청색이 모여 자홍색으로 보임.
• (b)에서 자홍 물감 위에 녹청(Cyan) 물감을 칠하면 녹청의 보색인 적색이 흡수됨. 백색곽 성분 중 적색까지 흡수되어 반사되지 않으므로 눈에 보이는 색상은 청색이 됨.
• (c)에서 황색 (Yellow) 물감을 칠하면 황색의 보색인 청색이 흡수되기 때문에 우리 눈에는 흑색으로 보이게 됨.

 

• RGB는 CMY의 합성으로 표현
• C+M+Y = Black     cf. R+G+B = White
• 물감의 삼원색은 CMY (빨강, 노랑, 파랑이 아님)

[그림 3-19] & [그림 3-20] CMY 컬러 모델

• [그림 3-19]는 CMY 모델의 컬러 관계를 나타냄. 이 모델에서 R, G, B는 C, M, Y의 합성으로 표시됨. 그림에서 보듯 이들 삼원색을 섞으면 감산 결과 White-Red-Green-Blue로 검은색이 됨.
• CMY 역시 RGB와 마찬가지로 [그림 3-20]의 단위 정육면체 내부 좌표에 의해 색을 표시함. RGB 모델에서 달라진 점은 x, y, z축 방향에 놓았던 삼원색이 CMY로 대치되었고, 또 원점에서 대각선 방향으로 회색도가 변하면서 점차 흑색으로 바뀐다는 것임.
• 육면체 정중앙을 중심으로 대각선 방향에 보색이 위치하며, 보색 관계는 RGB 모델과 동일함. 

CMYK 컬러모델 (CMYK Color Model)

• K for Chromatic (회색농도)
  • C = 120, M = 80, Y = 200
  • C = 40, M = 0, Y = 120, K = 80
• 장점
  • 잉크 건조시간, 잉크 비용
  • 정밀한 회색 농도를 표현 (완벽한 보색 차단)

• CMYK 컬러 모델은 CMY 모델을 확장한 것임. 
• 컬러프린터에서 어떤 색을 만들기 위해 C = 120, M = 80, Y = 200 정도의 농도를 계산하였다고 하면 C, M, Y에 기본적으로 뿌려져야 하는 최소량이 80임. R, G, B를 각각 80씩 차단하는 것을 말함. 즉 회색을 80 부여하여 어둡게 만드는 것임. 따라서 흑색 잉크의 농도를 80으로 하고 C=120-80=40, M =80-80=0, Y=200-80=120의 농도로 뿌리면 됨.
• 이처럼 회색 농도 (K : Chromatic)를 포함하여 4가지 잉크를 사용한 것은 CMYK 모델이라고 함.
• 직접 흑색 잉크를 칠함으로써 어떤 색 내부의 회색 농도를 더 정밀하게 표현할 수 있음. CMY 모델에서 완벽하게 보색을 차단하기가 어렵기 때문임. K를 사용함으로써 전체적인 컬러 잉크의 양이 줄어들어 잉크가 마르는 시간, 잉크 비용 등이 줄어들게 됨.

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HSV 컬러 모델

• RGB 모델의 단점
  • 직관적이지 않음. 보라색 = R, G, B 각각 얼마?

HSV(Hue, Saturation, Value)

• 또는 HSB(Hue, Saturation, Brightness)
• 색상(Hue), 채도(Saturation), 명도(Value, Brightness)
• 화가의 직관   (화가들이 수채화를 그릴 때 사용하는 방법)
  • 셰이드 = 어떤 색상에 흑색을 섞음. 채도와 명도를 동시에 낮춤.
  • 틴트 = 어떤 색상에 백색을 섞음. 채도는 낮추고 명도는 높임.
  • 채도는 선명도이므로 흑색을 섞든, 백색을 섞든 두 경우 모두 낮아짐.

셰이드와 틴트

 

• 육각뿔

[그림] HSV 컬러 모델 & [표] HSV 컬러 좌표

• HSV 모델에서는 이 개념을 확장하여 색을 [그림]과 같은 육각 뿔 (Hexcone) 내부 좌표로 표현함. 
• 상하 방향의 명도(Value) 축은 V=0인 흑색에서 V=1인 백색으로 진행하며, 회색은 이 축 위에 분포함. 명도 축 주위를 돌아가면서 색상 (Hue)이 달라지고 색상은 회전각에 의해 지정됨. 채도(Saturation)는 명도 축에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 의해 지정됨. 
• HSV V축 = RGB 대각선, HSV 단면 = RGB 부분 육면체
• 색상이 육각뿔의 밑면에 해당함. 꼭짓점 끝으로 갈수록 (순색들로 갈수록) 채도가 높음. 밑에서부터 위로 갈수록 명도가 높아짐 (밝기가 크다). 육각뿔 겉트랙을 돌면 색이 달라짐.
• [표]는 색상별 (H, S, V) 좌표를 예로 든 것임. 소프트웨어에 따라 H, S, V 값을 각각 0 ~ 255 범위로 사상시키거나 백분율(Percent)로 사상시켜 사용하기도 함. 예를 들어 120도인 색상을 0~255범위로 사상시키면 120/360*255=85 값으로 사상됨. 같은 방법으로 S=0.4라면 0.4*255=102로 사상됨.

 

• 대화상자 예시, 적색 단면 예시

[그림 3-23] HSL (HSV) 대화상자 & [그림 3-24] HSV 단면

• [그림 3-23]의 대화상자는 HSV 모델의 색상, 채도, 명도를 설정하기 위한 사용자 인터페이스를 나타낸 것임.
• [그림 3-24]는 육각뿔의 HSV 컬러 모델을 상하로 절단한 단면도로, 명도 축과 적색을 통과하게 한 것임. 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 채도가 높아지며, 아래쪽에서 위쪽으로 갈수록 명도가 높아짐. 이 경우는 하나의 회전각에 해당하는 단면을 취했으므로 색상은 적색으로 고정되어 있음.
• 삼각형 내부에 틴트와 셰이드에 따른 적색 계통의 다양한 색조(Tone)가 존재함을 알 수 있음.

HSV 컬러모델의 변형

• 원뿔형 HSV
  • 색상을 둥글게 배치
• HLS
  • 명도 범위를 2배로 확장

[그림3-25]원뿔형 HSV 모델 & [그림 3-26] HLS 모델

• 육각뿔 대신 월뿔을 사용할 경우 좌우 방향의 단면은 [그림 3-25]와 같음. 이 그림은 임의의 명도에서 색상과 채도만을 나타낸 것임. 사용자가 원 내부를 마우스로 클릭하면 원하는 색상을 선택할수 있음. 
• HLS 또는 HSL (Hue, Saturation, Lightness) 모델에서는 [그림 3-26]처럼 원뿔 2개를 상하 대칭으로 놓고 사용함. 명도 범위를 2배로 넓혀 더욱 정밀한 회색도를 표시하기 위한 것임. 

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CIE L*a*b*와 컬러 호환

CIE L*a*b* 컬러 모델

• 웨버의 법칙 (Weber's Law)
  • 자극이 강할수록 상대적 감도는 낮아짐
  • 물체의 명도가 I일 때, 인지된 명도는 Log (I)에 비례
• CIE 모델의 문제점
  • 인지된 색차가 그림의 거리에 비례하지 않음.

CIE 모델에서의 색차

• 자극의 강도가 강해질수록 인간의 지각 능력은 둔감해짐. 웨버의 법칙에 의하면 물체의 명도를 I라고 할 때 인지된 명도는 비선형 함수(Non-linear Function)인 log (I)에 비례함.
• CIE 모델은 인간의 지각과는 별개라는 단점이 있음.
• CIE 모델은 전자기파를 다 표현함. CIE RGB는 음수가 나오니까 CIE XYZ 가상으로 표현하는 것.
• A의 양끝거리와 B의 양끝거리는 같은데 A는 색 차이가 심하고 B는 차이가 심하지 않다. 이러한 거리 비례 차이 때문에 새로운 모델을 만들었음.

• 위 그림에서 A, B는 모두 동일한 거리임에도 불구하고 A에서는 양 끝점의 색이 크게 다르지만 B에서는 별로 다르지 않음. 즉 CIE 컬러 맵에서의 거리가 실제로 인식된 색의 차이를 의미하지 않음. 
• 이는 사람의 지각 능력이 명암에 민감함에도 불구하고 CIE 모델 자체가 명암 정보를 직접적으로 수용하지 않기 때문임.

 

• CIE의 변형
  • 인지 컬러모델 (Perceptual Color Model)
  • 인지된 색차가 맵상의 거리에 비례하도록
• CIE XYZ와 CIE L*a*b*와의 비교

CIE XYZ와 CIE L*a*b* 모델

• CIE 모델은 (a)에 해당함. CIE 모델의 (x, y) 좌표 값을 일정하게 증가시킬 때 a와 같이 왼쪽에서는 색이 급변하지만 오른쪽으로 갈수록 그 차이가 거의 느껴지지 않음.
• 우리 눈에는 (b)의 변화가 일정한 색 차이로 인식됨. (b)에 해당하는 것이 CIE L*a*b* 컬러 모델(CIE L*a*b* Color Model)임. 즉 CIE를 변형하여 컬러 맵상의 거리가 인식된 색상 차에 정비례하도록 한 것임. 이처럼 사람의 지각 능력을 반영한 컬러 모델을 인지 컬러 모델(Perceptual Color Model)이라고 함.
• CIE XYZ(양의 함수로 만들어놓은 가상의 삼원색), CIE L*a*b* (차이가 균등하게 나는 것처럼 보임) : 어떠한 모델을 사용하느냐에 따라서 사람한테 편리할 수도 있고, 컴퓨터에게 편리할 수도 있음.

 

• CIE XYZ를 변형
  • L*: 명도(Luminance)
  • a*: 녹색에서 적색 범주의 세기
  • b*: 청색에서 황색 범주의 세기
  • a*,b* 합성에 의해 중간색 표현
• CIE L*a*b*
  • 컬러인쇄, cf) CIE L*u*v*: 컬러모니터 (빛의 합성에 있어서 색 차이가 선형적으로 인지되게 함)

[그림 3-31] & [그림 3-32] CIE L*a*b*

• [그림 3-31]은 CIE 랩 (CIE L*a*b*) 컬러 모델을 나타낸 것임. L*, a*, b* 이들이 서로 결합하여 원반위에 분포함. 이 셋은 세 축에 의해 정의되므로 이 색들은 3차원 공간상에 분포함. 
• [그림 3-32]는 CIE L*a*b* 모델의 색을 3차원 공간상에 작은 원구 단위로 그려낸 것임. 가운데 점을 중심으로 방사형으로 퍼져나가면서 일정거리마다 색 차이가 느껴지게 구성되어 있음. 컬러 인쇄에서는 이 모델이 거의 표준으로 인정되기 때문에 인쇄 직전 단계에서 대부분 컬러 모델을 CIE 랩으로 변환함.
• CIE L*u*v*는 CIE L*a*b*와 유사함. 그러나 CIE 랩이 CMYK처럼 감산 모델이라면, CIE L*u*v*는 RGB처럼 가산 모델임. 즉 CIE L*u*v*는 빛의 합성에 있어서 색 차이가 선형적으로 인지되도록 하기 위한 것임.

CMS(Color Management System)

• 컬러 호환성
  • 컬러모델, 장비특성에 따른 오차를 최소화
  • 개별 장비의 컬러모델, 장비특성을 프로필 형태로 나타냄
  • 장비에 무관한 컬러공간으로 사상(프로필 연결공간)
  • 주로 sRGB(Standard RGB) 또는 CIE L*a*b*이 사용됨

컬러 처리 시스템(CMS)은 컬러 모델 사이의 오차를 줄이기 위한 것임.

• 그림에서 P로 표시된 것은 사용된 컬러 모델을 비롯한 해당 장비의 특성 정보, 이를 장비 프로파일 (Device Profile)이라 함. 이처럼 그림 생성에 사용된 장비 프로파일을 파일 내부에 포함시키면 컬러 처리 시스템을 적용할 수 있음.
• 컬러 처리 시스템은 입력 장비 프로파일을 사용하여 주어진 그래픽을 장비에 무관한 컬러 공간 (Device-Independent Color Space)으로 사상시킴. 이를 프로파일 연결 공간. 이 경우 컬러 모델로는 sRGB 또는 CIE 랩이 주로 사용됨.
• 출력이 필요한 경우 출력 장비 프로파일을 사용하여 이를 다시 출력 장비의 컬러 공간으로 사상시킴.