빛과 색 용어와 의미, 빛의 밝기 >>

빛의 밝기와 관련된 용어를 이해하여보죠. 즉, 빛의 광속(luminous flux), 광도(luminous intensity), 그리고 조도(illuminance) 등 조명에 친근한 용어들과 함께, 디스플레이에서 주로 사용되는 휘도(luminance)에 관한 내용입니다.
 

광속, 혹은 광선속은 광원으로부터 나오는 빛의 총량, 광원에서 만들어지는 모든 방향의 빛을 합한 값입니다. 빛을 묶었다는 의미로 ‘빛다발’이란 의미도 되겠네요. 주로 조명의 밝기를 표현할 때 사용합니다. 단위는 가시광선에 국한 지을 경우, 루멘(lumem, lm)을 사용하죠. 1루멘의 광속은 1칸델라의 광도를 갖는 광원에 의하여 1스테라디안의 입체각으로 발산되는 가시광선의 에너지의 양으로 정의됩니다. 또는 1제곱미터의 면적에 1룩스의 조도로 입사되는 빛의 광속에 해당한다고도 표현할 수 있습니다. 참고로 광속에 시간을 곱하면 광량(quantity of light), 빛의 총 에너지이고, 이로부터 산출되는 단위 시간에 나오는 빛의 양은 광속이죠.

광도는 빛의 방향에 수직한 면을 통과하는 빛의 양에 해당하며, 단위는 칸델라(candela, cd)입니다. 명확히 표현하자면, 점 광원에서 특정 방향으로 단위 입체각, 즉, 1스테라디안에서 방출되는 광속입니다. 즉, 촛불을 켜 놓으면 사방으로 빛이 퍼져갑니다. 이렇게 퍼져나간 전체 빛을 광속인 루멘으로 표현한다면 그중 1스테라디안에 해당하는 빛의 밝기를 칸델라로 표현할 수 있습니다. 칸델라는 촛불의 영어 단어 ‘Candle’에서 왔죠. 엄밀하게는 ‘1칸델라는 진동수 540THz의 단색광이 특정 방향으로 스테라디안 당 1/683 와트의 강도로 방출될 때의 광도’로 정의됩니다. 광속은 광원을 중심으로 모든 방향을 포함하지만, 광도는 특정 방향으로의 빛의 양입니다.

조도는 피사체에 입사되는 빛의 양, 즉, 단위 면적에 도달하는 광속으로 계산하며, 단위는 ‘광속(루멘)/면적(제곱미터)’에 해당하는 룩스(lux, lx)를 사용합니다. 1칸델라의 광원인 촛불이 사방으로 균일하게 빛을 내보낼 때 광속은 12.6루멘(~4x3.14)이며, 촛불로부터 1m 떨어진 위치에서의 밝기, 즉, 조도는 1룩스로 정의됩니다. 전등에 가까이 가면 밝아진다는 표현은 빛이 닿는 면의 밝기를 두고 하는 말이죠. 이와 같이 조도는 비추어지는 장소의 밝기를 말하며, 광원의 광도와 광원까지의 거리와 관계가 있습니다.

빛과 색 용어와 의미, 색공간, 색좌표  >>

색좌표는 다양한 색상들을 좌표로 표현한 도표로, 국제 조명 위원회(International Commission on Illumination, CIE)가 측광과 측색에 관한 국제적 결정을 위해 1931년에 표준으로 제정하였습니다. 이는 인간의 색채 인지에 대한 실험 연구에서 분광 광도계로 측정한 값들을 기초로 하여 x, y, z 값들로 표현한 것으로, 밝기를 제외한 채도와 색상을 표현하고 있습니다. 이를 CIE1931로 칭하며, 이후 몇 차례 개선이 이루어지면서 CIE1976 Lu‘v’ 표색계로 보완, 발전됩니다. 그리고, 다양한 기관과 회사들이 만들어 낸 색의 규격들은 이러한 CIE 색좌표계 내에 위치합니다. CIE 색좌표에서 색상을 띄지 않는 흰색은 중앙에 위치하며, 순색에 가까울수록 말굽 형태의 다이어그램의 가장자리 선에 위치합니다. 참고로, ICE는 영국의 Imperial Chemical Industries, Ltd.를 칭하죠.
 

인간의 눈에서 설명하였듯이 망막에는 들어온 빛을 짧은 파장(S), 중간 파장(M), 그리고 긴 파장(L)으로 구분하여 받아들이는 세 종류의 SML 원추세포가 존재합니다. 따라서 세 개의 변수로 인간의 색 감각을 표현할 수 있으며, 빛의 가산 혼합 모델에서 3원색을 조합하여 원하는 색을 만들 수 있는 3색 자극값(Tristimulus value), X, Y, Z을 얻을 수 있습니다. 색좌표는 이러한 자극값들과 각각의 색깔을 연관시키는 수학적 모델입니다. 즉, 3색 자극값들이 CIE 1931 색좌표에서는 x, y, z의 값으로 표현됩니다. CIE 1931 색좌표는 (x, y, z)로 표현되며, x, y, z는 각각 빨강, 초록, 파랑의 비율에 해당합니다. 따라서, x+y+z=1, 즉, 100%가 되죠.

예를 들어서 R의 경우 (0.68, 0.32)값을 가지는데, 이는 빨강의 색 비율이 68%, 초록의 비율이 32%임을 의미합니다. 또, B는 (0.14, 0.08)로, x = 0.14, y = 0.08, 따라서 z는 1 - (0.14 + 0.08) = 0.78로 얻어지죠. R이 (1, 0)이 아니고 B가 (0, 0)이 아닌 이유는 인간의 눈에 있는 RGB 원추 세포들의 자극치를 통하여 알 수 있는데, 각각의 세포들이 R, G, B 각각을 주로 인식하지만, 다른 부분도 함께 인식하기 때문입니다. 예를 들어 R 원추 세포는 R을 주로 인식하면서도 G와 B도 어느 정도 인식을 하게 되죠. 즉, 색좌표는 RGB 원추 세포들이 인식하는 색상의 비율값을 의미하므로, x, y, z에 대하여 절대적인 0이나 1의 값을 가질 수 없게 됩니다. 이상에 대하여 보다 구체적인 이론과 실험 방법, 그리고 계산에 대해서는 추후에 더 논의하기로 합니다.

 
빛과 색 용어와 의미, 색영역, 규격들의 변천  >>

디스플레이가 만들어낼 수 있는 색들을 포함하는 공간을 색영역(color gamut)이라 하며, 이는 색좌표 상에 표시되어 구현할 수 있는 색의 범위를 나타낼 수 있습니다. 색영역에는 기관이나 회사별로 여러 규격이 존재하죠. 각각의 규격들은 주로 세 가지 분야, 방송(TV), 정보 통신(모바일 기기), 그리고 영화에 맞도록 표준화가 되어 있죠. 분야별로 표준화된 규격에 준하여 색과 영상이 표현되고, 이를 보여주는 디스플레이도 규격을 따를 때 영상 제작자의 의도를 왜곡되지 않도록 반영할 수 있습니다. 각각의 분야별로 대표적인 색영역들을 중심으로 살펴보겠습니다. 
 

SDTV는 고화질 방송 규격인 HDTV(High-Definition TV)로 이동하는 중간 단계로서, 아날로그 방식에서 디지털 방식으로의 전환이라는 점과 16:9의 와이드 스크린 도입 등의 측면에서 의미가 큽니다. 이에 준하여 독일은 PAL(Phase Alternation Line) 방식, 프랑스는 SECAM(séquentiel couleur à mémoire) 방식을 각각 만들었죠. 기본적인 기술 방식과 색영역은 같기 때문에 보통 PAL과 SECAM은 함께 묶어서 설명하는 경우가 많습니다. 참고로 PAL은 독일을 비롯한 유럽과 중국, 북한 등에서 채용되었고, SECAM은 프랑스와 소련(러시아) 등, 구 공산권 국가들이 주로 채용하였습니다. 그리고 NTSC는 한국, 미국, 일본, 중남미 등에서 사용되고 있습니다. 1982년에는 ITU에서 SDTV(Standard-Definition Television) 규격이 공식적으로 제정(ITU-R BT.601)되었습니다. SDTV 규격은 개정된 NTSC와 PAL/SECAM의 색공간을 각각 다르게 규정했으나 색영역의 관점에서 볼 때, 그 범위는 크게 차이가 나지 않습니다. 1990년에는 현재 주로 사용되는 디지털 방송, 즉 HDTV가 ITU에 의해서 제정(ITU-R BT.709)됩니다. 고해상도와 16:9 와이드 스크린 등 높은 수준의 화질을 구현하기 위한 표준 규격으로, 당시로서는 가장 보편적인 TV였던 브라운관(CRT) TV의 현실적인 기술적 특성을 고려해 기존의 다른 색영역들에 비해 오히려 일부 줄어들었다는 점이 독특하죠. 그렇지만 이후, 2012년에 ITU에서 제정한 UHDTV(Ultra High-Definition TV)규격(ITU-R BT.2020)은 해상도 증가뿐만 아니라 색영역도 크게 확대가 되었습니다. 이는 연이어서 다룰 정보 통신 분야와 영화용 규격 등 상용화된 대부분의 색영역을 수렴, 포함합니다.

정보 통신 분야에서의 색영역으로는 현재 디스플레이에서 주로 사용 중인 두 가지 색영역이 있습니다. 하나는 sRGB (standard RGB)로써, 1996년에 미국의 마이크로소프트와 HP가 협력하여 만들었으며, 모니터, 프린터 및 인터넷용 표준 RGB 색영역입니다. sRGB는 브라운관 모니터들의 대부분이 비슷한 색으로 재현된다는 점에 착안하여 모니터, 스캐너, 디지털 카메라의 평균값으로 정의된 색영역입니다. 마침, HDTV의 색영역인 ITU-R BT.709 규격이 sRGB에서 정의한 색영역을 만족하여 동일한 좌표를 기준으로 사용하였기 때문에 HDTV와 sRGB의 색영역 또한 일치합니다. 현재 sRGB는 정보 통신 분야에서 가장 광범위하게 사용되는 색영역 규격으로, 각종 ICT(Information & Communication Technology) 기기들과 호환성이 높습니다. 하지만 디지털 이미지를 인쇄하거나 인화할 때에는 컬러 표현의 한계를 보인다는 약점이 또한 있습니다. 다른 하나인 Adobe RGB는 1998년에 그래픽 편집 프로그램 포토샵 제작사인 Adobe가 제안한 색영역입니다. sRGB의 색영역은 인쇄물에 주로 사용하는 4원색 잉크 색상인 CMYK용 컬러 프린터에서의 색상 표현이 제한적이라는 이유에서 새롭게 고안되었죠. 특히 하늘색(cyan)과 녹색의 표현 영역이 협소한 점이 보완, 확장되었습니다. Adobe RGB의 색영역에서 빨간색과 파란색의 색좌표(삼각형에서 꼭짓점)는 sRGB와 동일하게 하되, 녹색 좌표는 CIE 1931에서 표기한 것보다 위쪽으로 더 이동시켰습니다. 이로써 녹색 계열의 색상 표현이 더 풍부해졌죠.

영화 분야의 경우, 가장 전통적이고 현재까지도 사용되고 있는 기록 매체는 필름입니다. 따라서 영화의 색영역은 필름 프로젝터의 특성을 고려하여 정의되었습니다. 필름 프로젝터의 시작은 1935년으로 거슬러 올라갑니다. 당시에 프로젝터의 광원으로는 카본 아크등을 썼죠. 이를 활용한 필름 프로젝터는 빛의 3원색인 RGB 외에도 청록색(cyan)과 자홍색(magenta)을 함께 사용하는 5원색을 기준으로 하였고, 따라서 영화의 색영역은 5각형의 모습을 갖춥니다. 영화도 TV와 마찬가지로 디지털 방식으로 전환하자는 논의가 있었습니다. 1990년대를 전후해 미국의 대형 스튜디오와 영화 장비 업체들은 디지털 영화를 위한 연구와 관련 장비 개발을 시작합니다. 이를 기점으로 2002년 헐리우드 영화사들이 주축이 되어 디지털 시네마 표준 개발을 위한 협력 기구, DCI(Digital Cinema Initiatives)를 설립하고, 2005년에는 DCI 표준 규격을 제정하게 됩니다. DCI는 필름과 다르게 색영역을 구성하는 원색을 RGB 3원색으로 지정, 사용하였기 때문에 DCI-P3라고 부릅니다. 3원색이 사용된 이유는 디지털 영화에 사용되는 제논 프로젝터의 광원인 제논 아크등의 특성을 고려하였기 때문이죠. 제논 램프는 광원중에서 자연광(태양광)에 가장 가까운 빛을 만들어서 연색성이 좋습니다. 끝으로, 미래의 영화 시스템에서 사용하기 위한 차세대 색영역의 개념으로 ACES(Academy Color Encoding System)가 있습니다. ACES는 미국의 영화 예술 과학 아카데미(Academy of Motion Picture Arts & Sciences, AMPAS)에서 시작하였으며, 영상 보정 작업(color correction, color grading)을 위한 컬러 작업 공간의 규격으로 2004년부터 개발되어 왔습니다. 이는 현재의 다양한 디지털 카메라 기술에 대응하고 보다 정확하고 풍부한 색표현을 위한 컬러 이미지 변환(encoding) 규격으로써, 카메라에서 캡쳐된 정보를 그대로 보존하는 것이 목적입니다. 따라서 가시광선 영역 전체를 포함하는 색영역입니다.

 

 빛과 색 용어와 의미, 색영역, 색재현율  >>

디스플레이에서 색재현율(색표현력)은 원본의 색을 화면에서 어느 정도까지 표현할 수 있는지를 CIE 색좌표에서 수치화한 것입니다. 일반적으로 CIE 색좌표계에 표시되는 색공간들(NTSC, sRGB, Adobe RGB, DCI-P3 등)의 색상 규격을 기준으로 하여, 색 표현이 가능한 정도를 백분율로 표기합니다. 일례로 TV에서는 일반적으로 NTSC 색공간을 대상으로 하는데, 색재현율이 NTSC 기준 120%일 경우, NTSC 이상의 색영역, 즉 1.2배의 색재현율을 가지는 것을 의미합니다. 이 외에도, sRGB대비 130%, Adobe RGB 대비 98%라고 표현합니다.
 

“본 고의 내용은 저자의 주관적인 견해를 포함하고 있으며, 인용 자료들이 다양하여 일일이 표기하지 못한 점을 양해, 참조 바랍니다.”