4장. 색 측정

목차
1. CIE 1931 색측정법
2. CIE 1976 등색 시스템
3. 컬러온도(Color Temperature)
4. 색영역

1. CIE 1931 색측정법

지난 3장에서 주변 환경에 따라 색이 서로 다르게 보이는 현상에 대해서 알아보았다. 이처럼 물체의 색은 조명에 따라 변하거나 보는 사람의 개인 차이에 따라서도 변한다[1]. 이러한 문제 때문에 색에 대한 표준이 필요하게 되었고, 이 색 체계가 바로 현재 가장 많이 사용되는 CIE 1931 다이어그램이다. 

CIE 표준 관찰자

CIE(Commision Internationalede l'Eclairage)라는 국제조명위원회가 1931년 제정한 CIE 1931 XYZ 색 공간은 CIE 표준 관찰자라는 기준으로 실험하여 만들어졌다. 이것은 사람의 시야각 2° 이내에 몰려 있는 원추세포의 반응을 가리킨다[2]. 

 

조건등색 실험 구성

조건등색은 3장에서 알아보았다. 실험 과정은 다음과 같다. 기준색을 아래에 두고, 실험자가 파랑, 초록, 빨강의 단색광의 광도를 조절해 색을 조합하고, 기준색과 조합된 색이 같은 색으로 느껴지는지 비교한다. 각 기준색과 단색광의 광도에 따라, 표준 관측자 함수를 그릴 수 있다. 예를 들어, 파장이 500nm인 색은 적색광 0, 청색광 0.25, 녹색광 0.25 를 혼합하여 만들어진다. 이 각각의 색 대응 함수는  x(γ), y(γ), z(γ) 라고 정의한다. 

 

색 대응 함수

삼자극치 (Tristimulus value)

삼원색의 적절한 조합으로 모든 가시광선 영역의 색을 만들 수 있는 조합을 가리킨다. CIE 1931 색 공간에서 X, Y. Z 값으로 표현된다. 앞서 보았던 x(γ), y(γ), z(γ)는 함수에 측정한 색의 가시광선 영역대 에너지 분포 I(γ) 를 곱한 후 적분하여 계산한다. 

 

이를 간단히 그림으로 나타내면 다음과 같다.

 

출처: 이미지 클릭

CIE xy 색도분포표

위 X, Y, Z값을 통해 2차원 다이어그램을 만들 수 있다. 이 중 Y값은 녹색광의 스펙트럼을 나타내지만, 이는 그래프에 나타나지 않는다. 왜냐하면 인간의 눈은 녹색을 볼 때 밝기 차이를 가장 잘 구별하기 때문에 Y값을 휘도(단위: cd/m^2)라고 설정했다. 

 

x와 y값은 X, Y, Z값의 비율로 계산해 2차원 그래프에 그려진다. 이를 CIE xyY 색 공간이라고 부른다. 어떤 색을 측정해 X, Y, Z로부터 x, y를 구해 그래프 위에 plotting할 수 있다. 물론, x와 y로부터 X와 Z를 다시 계산하는 것도 가능하다. 왜 z값은 그래프에 안 보일까? x와 y로부터 쉽게 계산이 가능해 굳이 3차원으로 그리지 않고 2차원으로 그리는 것이다. 

 

CIE 1931 색도도의 특징을 알아보자.

• 가장 덜 saturated 된 색상은 중앙의 흰색 점 근처에 위치한다. 
• saturation level은 purity(순도)를 의미한다. 색도도의 가장자리 궤적으로 가까이 위치할수록 purity가 높아진다. 
• 주파장(Dominant Wavelength, DWL)
• 상보적 주파장(CDWL)

💁한가지 질문! 그럼 애초에 구한 X, Y, Z로 그래프 그리면 굳이 x, y를 사용해서 안 그려도 되는데 왜 굳이 다시 구한 걸까?^-^ (스킵해도 좋다)

XYZ 색 공간도 있다! 그런데 보이는 것처럼 음수값이 나타나기 때문에 적절하지 않아서 양수값을 나타내도록 정규화하여 다시 표현한 것이 CIE 1931 색도도이다. 

2. CIE 1976 등색 시스템

MacAdam's ellipses

CIE 1931는 색을 효과적으로 정량화는 데 유용했지만, 한 가지 문제가 있었다. 바로 인간의 눈에 동일하게 인식되는 영역이 서로 달랐던 것이다. 즉, 색도도 내에서 두 색의 차이가 곧 색도도 내의 거리 차이로 볼 수 없다는 뜻이다. 색도도에 그려진 타원은 동일하게 느껴지는 색상을 가르킨다. 위 그래프에서 보이는 것처럼, 색도도 내에서 동일한 거리가 동일하게 인식되는 색상 차이와 일치하지 않는다. 즉, CIE 1931는 균일하지 않다는 문제점이 있었다. 

 

CIE 1976

이러한 문제를 해결하기 위해 1976년 u'와 v'를 좌표로 사용하는 새로운 색도도 CIE 1976를 정했다. 그래프의 균일성이 향상되면서, 흰색 점의 좌표가 좀 더 위로 이동한 것을 확인할 수 있다. CIE 1976은 기존에 비해 빨간색과 파란색의 비중이 늘어나 실제 인간의 특성에 더욱 가까워졌다[1].

3. 컬러온도(Color Temperature)

존재하는 모든 물체는 자기 온도의 빛을 방출하고 있다. 예를 들어 가정집의 형광등은 5000K정도의 밝고 창백한 흰색을 낸다. 사람도 눈에 보이진 않지만 적외선이라는 빛을 내고 있다. 

출처: 이미지 클릭

흑체(black body)는 모든 파장대의 빛과 에너지를 완전히 흡수하는 가상의 물체이다. 그래서 흑체를 통해 온도에 의존해서만 방출하는 빛을 측정해 그래프로 그린 것이 흑체 궤적(Black body locus)이다. 흑체 궤적은 절대온도 K로 표현하는 색 온도에 따라 백색광의 다양한 색조를 표현하기 위해 조명을 측정할 때 자주 사용한다. 

 

실제로 흑체는 온도가 증가함에 따라 적색, 주황색, 백색, 최종적으로 푸른 색으로 빛을 낸다[3]. 그런데 실제로는 모든 물체가 흑체일 수는 없으므로 이 흑체 궤적과 가까운 위치에 있는 좌표를 통해 특정 광원의 색온도를 알아낼 수 있다. 이를 상관 색온도(Correlated color temperature, CCT)라고 한다. 흑체 궤적과 교차하는 선은 등온선으로, 유사한 색온도를 가진 색 좌표의 경계를 정의한다. 

4. 색영역 (Color Gamut)

색 영역은 색 공간(Color space)라고도 부른다. 디스플레이가 CIE 1931의 모든 가시광선을 표현할 수는 없고 또 이는 매우 비효율적이기 때문에, 규격을 정해 둔 것을 색 영역이라고 한다.

방송

• NTSC (National Television System Committee): 영화용 컬러 필름의 색공간 기준(미국)
• PAL (Phase Alternation Line) : 독일 만듦
• SECAM(séquentiel couleur à mémoire): 프랑스 만듦
• HDTV(High-Definition Television): 1990년 ITU에 의해서 제정됨, 브라운관(CRT) TV가 구현할 수 있는 현실적인 색공간 (기존 색공간보다 줄어듦)
• UHDTV(Ultra High-Definition Television): 2012년 ITU제정, 색공간 확대됨

* ITU(International Telecommunication Union): 국제전기통신연합. 유엔의 산하 기구로 전기 통신의 개선과 효율적인 사용, 효율적 기술 운용 등을 목적으로 설립

 

IT

• sRGB(standard RGB): 모니터, 스캐너, 디지털 카메라의 평균값으로 정의된 색공간. HDTV와 sRGB의 색공간은 일치함. 각종 IT 기기들과 호환성이 높음. 그러나 디지털 이미지를 인쇄하거나 인화할 때에는 컬러 표현의 한계를 보임.
• Adobe RGB: sRGB는 4원색 잉크 색상인 CMYK(Cyan Magenta Yellow and (Black)Key)용 컬러 프린터에서 색상 표현이 제한적이라는 단점을 극복하기 위해 제안됨. Cyan(하늘색)과 Green(녹색) 표현 영역이 늘어남.

영화

• Film: 5원색을 가진  카본 아크 램프(Carbon Arc Lamp)를 프로젝터의 램프 광원으로 사용함, 5각형
• DCI(Digital Cinema Initiatives): 할리우드 영화사 주축이 된 협력 기구, 디지털 영화를 위한 표준 개발, 3원색 지정, 제논 아크 램프(Xenon Arc Lamp)의 특성 고려
• ACES(Academy Color Encoding System): 미국의 AMPAS (Academy of Motion Picture Arts & Sciences, 영화예술과학아카데미)  개발, 미래의 영화 시스템에서 사용하기 위한 차세대 색공간 개념, 카메라에서 캡쳐된 정보를 모두 보존

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[1] 삼성 디스플레이, 디스플레이 톺아보기 <디스플레이 색 체계의 이해>

[2] 위키피디아, CIE 1931 색공간

[3] https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=namgoocha&logNo=220259714099