5.2 Color Science

3D 이미지를 렌더링하는 데 사용되는 방법들을 배우기 전의 첫걸음으로, 인간이 색상을 어떻게 인지하는지와 RGB 시스템이 어떻게 작동하는지를 이해하는 것이 중요하다. 그래서 우리는 색채 과학에 대한 짧은 소개로 시작한다.

색채 과학이라는 것은 한 권의 책을 가득 채우고도 남을 광범위하고 깊이있는 주제이지만, 우리는 RGB 색상 표준의 이론적 기초를 이해하고 실제에서 올바르게 사용하는 방법에 대한 논의까지만 다룬다.

RGB 색상이 색체 이미지를 생성하는 방법으로 널리 사용되는 이유는 인간의 시각 해부학과 관련이 있다. 밝은 조건 하에서 눈 중앙 부근의 빛 인식은 세가지 유형의 원추세포(cone cells)에 의해 이루어진다. 이 원추 세포들은 가시 광선 스펙트럼 내 전자기파 범위에 반응한다. 이것은 감광성 시각(photopic vision)이라고 하며,색 구별 능력이 없는 간상 세포(rod cells)에 반응하는 어두운 상황에서의 '암시성 시각(scotopic vision)'과 다르다.

세 유형의 원추 세포는 장파장, 중간파장, 단파장에 대한 L, M, S 원추로 분류된다. 이 세 종류의 원추들의 상대적 민감도는 그림 5.2에서 파장의 함수로 나타내어지며, 빛의 복사 강도가 일정할 때 나타난다. L 원추는 빛의 지각된 밝기에 가장 큰 기여를 한다. 왜냐하면 망막에 있는 원추 세포의 약 63%가 L원추이며, M원추는 31%, 그리고 S원추는 나머지 6%를 차지하기 때문이다.

인간의 시각에 의해 지각되는 전체 밝기는 색깔에 관계없이 휘도 함수 V(λ)에 의해 나타난다. 이는 그림 5.2에 나타나 있고, 대략적으로 세 가지 다른 종류의 원추 세포들로부터 기여의 합을 근사로 한다. 휘도 함수는 녹색-노랑 부분의 가시 스펙트럼에서 555nm 파장에서 최고점을 이루며, 이는 인간이 가장 밝다고 인식하는 근사적인 색상이다. 반대로 파란색, 보라색, 그리고 진한 빨간색은 휘도 함수의 꼬리 부분에 위치하기 때문에 훨씬 더 어두운 색으로 인식된다.

우리가 보는 빛은, 빛의 근원(광원)으로부터 직접 방출되든 다양한 표면으로부터 반사되든, 이는 많은 파장들로 구성되어 있으며, 그 특정 구성은 빛의 '스펙트럼 전력 분포(spectral power distribution)'라고 불린다. 이 분포는 각 파장 λ에 해당하는 파워를 나타내는 함수 P(λ)로 표현될 수 있다. 빛의 근원으로부터 방출되는 총 파워의 양은 '방사 플럭스(radiant flux) $\Phi_E$'라고 불리고, 이는 다음의 적분과 동등하다:

여기서 λ는 모든 파장에 걸쳐 있다. 방사 플럭스는 보통 와트로 측정되고, 함수 P(λ)는 일반적으로 나노미터당 와트(W/nm)의 단위를 가진다. 에너제틱(energetic)을 의미하는 첨자 E는 방사 플럭스$\Phi_E$가 빛의 근원으로부터 방출된 에너지에 기초한 것임을 나타낸다. 인간의 밝기 지각이 파장에 따라 다르기 때문에, 한 파장 근처에 집중된 방사 플럭스는 다른 파장 근처에 집중된 동등한 양의 방사 플럭스와 같은 밝기로 보일 수 없다. 측정의 다른 양인 광 플럭스(luminous flux)$\Phi_V$는 적분 내에서 스펙트럼 전력 분포 P(λ)를 휘도 함수 V(λ)로 가중하여 이를 고려한다:

주석:
V(λ)는 0~1 사이의 값을 가지기 때문에 적분되는 대상은 P(λ)가 V(λ)로 정규화된 함수이다. 683은 광 플럭스(광속)의 최대치를 나타내는 상수이다. 이 값이 무엇이냐. 인간의 눈은 555nm 파장의 녹색을 가장 민감하고 밝게 지각하는데, 이 파장이 1와트의 방사전력으로 얼마나 많은 루멘에 해당하는지를 나타낸다. 즉 광플럭스는 0~683의 값을 가진다.

광 플럭스는 루멘(lumens)이라 불리는 단위로 측정되며, 심볼은 lm이다. V라는 아래 첨자는 visual을 의미하며, 광플럭스 $\Phi_V$가 인간 시각의 파장 의존적 민감도를 포함한다는 것을 나타낸다.

빛의 다른 파장들이 존재하더라도, 세 가지 유형의 원추 세포는 뇌로 처리될 수 있는 단 세 개의 별도 신호만을 생성할 수 있다. 그리고 이 세 신호의 강도는 결합되어 최종적으로 지각된 색을 형성한다. 각 신호의 크기는 각 파장에서 빛의 강도의 가중합에 의해 결정되며, 가중치는 그림 5.2에 나타난 민감도 곡선에 의해 결정된다.

동일한 세 신호의 크기가 다양한 스펙트럼 전력 분포를 통합하여 생성될 수 있는 무한한 경우의 수들이 있기 때문에, 뇌에 의해 지각된 색상들은 고유한 분광 구성을 가지지 않는다. 두 가지 다른 파장의 혼합물이 실질적으로 다른 스펙트럼 전력 분포를 가지고 있음에도 불구하고 색상에서 완전히 동일하게 나타날 수 있다. 이러한 일치하는 구성물들은 메타머라고 부른다. 중요한 것은 L, M, S 원추가 동일한 크기로 자극을 받는 것이며, 이를 삼자극 값이라고 부른다. 색상의 지각은 변하지 않는다. 더욱이 두 가지 구성의 빛이 혼합될 때, 그들의 개별적인 L, M, S 삼자극 값이 거의 정확한 선형 방식으로 합쳐져 혼합물의 삼자극 값을 생성하는데, 이는 그리스만의 법칙으로 알려져 있다.

참고: 그리스만의 법칙
https://www.hisour.com/ko/grassmanns-laws-in-color-science-26936/