[CV] Color Image(1) - Overview

1666년 아이작 뉴턴은 빛을 프리즘에 통과시켰을 때, 단순히 '하얀색'이 아니라 여러 색으로 분해된다는 사실을 발견했다. 이는 빛이 다양한 파장의 혼합으로 이루어져 있고, 각 파장이 서로 다른 색을 나타낸다는 것을 의미한다. 인간이 보는 색은 물체가 특정 파장의 빛을 반사하거나 흡수하는 방식에 의해 결정된다. 이러한 원리는 디지털 컬러 이미지 처리에서도 매우 중요하다.

Key Concepts

• Radiance(복사 휘도)
  • 광원에서 방출되거나 물체 표면에서 반사되는 총 에너지량
  • 물리적 에너지의 절대량을 의미하며, 단위는 $W/sr \cdot m^2$(와트 매 스테라디안 매 제곱미터)
• Luminance(휘도)
  • 인간의 눈에 감지되는 밝기의 물리적 측정치
  • 특정 파장의 빛에 대한 인간 시각의 감응도를 고려하며, 조명의 세기와 관련되어 있다.
  • 단위: $cd/m^2$(칸델라 매 제곱미터)
• Brightness(명도)
  • 인간이 느끼는 주관적인 밝기 감각
  • 절대 측정이 불가능하며, 심리적 지각적 특성이 강하다.
  • 동일한 물리적 밝기라도 배경, 주변 조명, 대비에 따라 다르게 인지된다.

Background Knowledge

• 프리즘 분광 현상 : 빛은 다양한 파장(약 400nm ~ 700nm)의 혼합체이며, 파장이 짧으면 보라색, 길면 빨강색으로 보인다.
• 색 지각 : 인간의 망막에는 세 종류의 원추세포(L, M, S)가 존재하며, 각각 장파장(적색), 중파장(녹색), 단파장(청색)에 반응한다.
• 색의 표현 방식 : 디지털 시스템에서는 이를 기반으로 RGB 모델로 색을 표현하며, 색 공간 변환(예: HSV, HSI, YCbCr)을 통해 다양한 처리가 가능하다.
  

Absorption of Light by Red, Green, Blue Conse

위 그래프는 물체가 반사하는 빛을 우리 눈이 얼마나 흡수하고 반응하는지를 보여주는 것이다.

Color Fundamentals

빛의 색은 다양한 방식으로 혼합될 수 있으며, 혼합 원리에 따라 결과는 크게 달라진다. 위 그림의 상단 부분은 빛의 혼합(Mixtures of Light)을 나타내며, 하단 부분은 안료의 혼합(Mixtures of Pigments)을 보여준다.

빛의 혼합(Additive Primaries)
빛의 혼합은 주로 디스플레이나 조명 시스템에서 사용되는 원리로, 기본색은 빨강(Red), 초록(Green), 파랑(Blue)이다. 이 세 가지를 가산 혼합(Additive Mixing)이라고 부르며, 빛을 더할수록 밝기가 증가하여 최종적으로는 흰색(White)을 만든다. 두 가지 빛을 섞으면 다음과 같은 2차 색상이 형성된다.

• 빨강 + 초록 $\to$ 노랑(Yellow)
• 초록 + 파랑 $\to$ 시안(Cyan)
• 파랑 + 빨강 $\to$ 마젠타(Magenta)

이 원리는 TV, 스마트폰, 모니터 등의 화면에서 색을 표현하는 방식의 핵심이다.

안료의 혼합(Subtractive Primaries)
안료나 물감의 혼합은 감산 혼합(Subtractive Mixing)에 해당하며, 기본색은 시간(Cyan), 마젠타(Magenta), 노랑(Yellow)이다. 빛의 혼합과는 반대로, 색소는 특정 파장의 빛을 흡수하고 나머지를 반사하기 때문에 색을 섞을수록 점점 어두워진다. 세 가지 색을 모두 섞으면 대부분의 빛을 흡수해 검정색(Block)에 가까워진다. 이 원리는 인쇄기술(CMYK 컬러 모델)에 활영된다.

색의 세 가지 특성
색을 구분하는 데 사용되는 일반적인 특성은 다음과 같다.

• Brightness(명도) : 색의 밝기, 즉 빛의 강도와 관련된 특성이다. 물리적으로는 광원의 에너지에 의해 결정된다.
• Hue(색상) : 빨강, 초록, 파랑처럼 "어떤 색인지"를 나타내는 속성으로, 빛의 주된 파장에 따라 결정된다.
• Saturation(채도) : 색의 선명함 또는 순도를 의미하며, 흰색이 섞일수록 채도가 낮아진다.

Hue와 Saturation을 함께 표현한 것을 Chromaticity(색도)라고 부르며, 따라서 한 색은 Brightness와 Chromaticity로 특정지을 수 있다.

Tristimulus 값과 Trichromatic Coefficent
인간이 색을 인식하는 과정은 세 가지 원추세포가 서로 다른 파장의 빛을 감지하는 원리에 기반한다. 이 특성을 정량화한 개념 Tristimulus 값(X, Y, X)이다. 이는 특정 색을 나타내기 위해 필요한 빨강, 초록, 파랑의 양을 수치로 표현한다. 이를 정규화하면 삼자극 계수(Trichromatic Coefficient)가 되며, 다음과 같이 정의된다.

이 좌표는 국제조명위원회(CIE)에서 정의한 색도도(Chromaticity Diagram)에서 사용되며, 색을 표준화하여 표현하는 중요한 역할을 한다.

아래 이미지는 CIE Chromaticity Diagram(색도도) 두 가지 버전을 보여준다. 왼쪽은 컬러 버전, 오른쪽은 선형 스펙트럼 라벨과 특정 영역을 나타낸 흑백 다이어그램이다.

CIE 색도도(컬러 버전)

• 목적 : 사람의 시각이 인식할 수 있는 모든 색을 2차원 평면에서 표현
• x, y축
  $x = \frac{X}{X + Y + Z},\,y=\frac{Y}{X+Y+Z}\,,(z = 1-x-y)$
• 경계선(Spectral Locus) : 각 파장(nm)이 표시되어 있으며, 이 경계선이 단색광(순수 파장)을 의미한다.
  • 400nm 근처 $\to$ 보라색
  • 520 ~ 560nm 근처 $\to$ 초록
  • 600nm 이상 $\to$ 빨강
• 내부 영역 : 실제로 혼합 가능한 색
• 흰색 근처 점 : Point of Equal Energy 즉 모든 파장을 균등하게 섞은 빛(표준 백색광)

오른쪽 다이어그램: 선형 색 영역 및 감마 표현

• 경계는 동일하게 CIE 스펙트럼 경로를 따라 표시
• RGB 삼각형
  • 디스플레이 장치가 표현 가능한 색 영역을 나타냄
  • G(녹색), R(빨강), B(파랑) 세 꼭짓점이 감마 표현의 기본
• 내부 곡선 : 특정 색온도 영역(예: 표준 광원, 가시광도 영역)을 표시
• 따라서, 오른쪽 그림은 디스플레이의 색 영역(Gamut)을 CIE 전체 색 영역과 비교한 것이다.