TV속에 감춰진 컬러 이야기 (3) – 색온도와 계조선형성
세 번째 연재기사에 들어가며… 필자는 지난달 기사에서 색공간(Color Space)과 색재현 범위(Color Gamut)에 대해 설명 드렸습니다. RGB, HSV, HSL, YUV, YCC 등의 3차원 공간에서 어떤 색을 정의할 때 이들 공간을 색공간이라고 합니다. 반면에 색재현 범위란 모니터와 같은 어떤 출력장치가 표현할 수 있는 색의 최대 범위를 특정 색공간에 표시한 것이라 할 수 있습니다. 따라서 동일한 컬러 사진을 색재현 범위가 다른 2대의 모니터로 볼 때에는 색재현 범위가 더 큰 모니터가 좀더 풍부한(colorful) 색으로 표현합니다. 이번 기사에서 다룰 색온도(Color Temperature)라는 개념은 색재현 범위의 차이가 주는 것과는 또 다른 색감적 차이를 유발합니다. 색재현 범위의 차이가 주로 색의 진하고 선명함, 혹은 색의 생생함에 대한 차이를 주는데 비해, 색온도는 전체적인 컬러 이미지가 상대적으로 좀더 푸르스름하거나 불그스름한 차이를 보여줍니다. 다른 말로는 더 차가워 보이거나, 혹은 더 따뜻해 보이는 느낌의 차이를 유발합니다. 색재현 범위의 차이는 RGB 3원색의 차이에 의한 것인데 비해, 색온도는 이 RGB 3원색이 서로 어떤 방식으로 혼합되는지에 따른 차이라고 하겠습니다. 색온도(Color Temperature)란 색온도라는 용어는 차갑거나 뜨거운 것을 구분하는 ‘온도’의 개념을 도입해서 어떤 색(특히 백색을 포함한 무채색의 영역에 포함된 색)을 좀 더 쉽게 설명할 수 있는 개념입니다. 실제로 색온도는 단순히 CIE x,y 좌표 위에 표시되는 수치보다 훨씬 직관적이고 이해하기 쉬울 때가 많습니다. 예를 들어, xy 좌표가 0.3127 0.3290이라고 했을 때에 비해 간단하게 6500K라고 말하는 것이 훨씬 쉽게 이해가 됩니다. 하지만 일반인들에게 설명하기는 더 어려운 경우도 많습니다. 개념 자체가 어려운 것이 아니라 온도라는 개념에 대한 언어적 표현과 그 수치의 높고 낮음이 서로 상반되기 때문입니다. 우리가 일반적으로 빨간색을 뜨겁다고 생각하고, 파란색을 차갑다고 생각하는 것과는 반대로 색온도의 수치는 푸르스름할 수록(차가울 수록) 높아지고, 불그스름할 수록(따뜻할 수록) 낮아지기 때문입니다. 하지만 적지 않은 분들이 “뜨거울수록 온도가 높은 것이고, 빨간색이 뜨거운 색이니 파란색보다 색온도가 더 높아야 하는 것 아니냐?”고 거꾸로 생각하시는 경우가 있습니다. 이는 온도에 대한 수치와 느낌이 반대이기 때문입니다. 색온도가 무엇인지 사전에서는 어떻게 정의하고 있는 지 한번 살펴 보고 넘어 가도록 하겠습니다. 두산백과사전에는 색온도를 아래와 같이 정의하고 있습니다. “이상적인 흑체[完全黑體]가 방출하는 빛의 색은 플랑크의 복사법칙(輻射法則)에 의해 온도에 의해서만 정해진다. 물체가 가시광선을 내며 빛나고 있을 때 그 색이 어떤 온도의 흑체가 복사하는 색과 같이 보일 경우, 그 흑체의 온도와 물체의 온도가 같다고 보고 그 온도를 물체의 색온도라고 한다. 즉, 물체의 색온도는 같은 색광의 흑체의 온도(절대온도 K)로 표시된다. 가령 전구의 빛은 2,800K, 형광등의 빛은 4,500∼6,500K, 정오의 태양빛은 5,400K, 흐린 날의 낮빛은 6500∼7000K, 맑은 날의 푸른 하늘 빛은 1만 2000∼1만 8000K 정도의 색온도이다. 색온도의 측정법은 국제적으로 정해져 있으며, 적당한 색유리 필터와 표준광원을 써서 측정한다. 색온도는 일반적으로 실제 온도보다 다소 높게 매겨진다. 고온의 노(爐) 안 온도를 측정하는 데에는 이 원리를 응용한 광고온계(光高溫計)가 있다.” 이해하기가 그다지 어렵지는 않은 것 같지만 부연설명을 드리도록 하겠습니다. 빛을 완전히 흡수하고 전혀 반사하지는 않는 이상적인 물체인 흑체(Black Body)를 가열하면 가열하는 온도에 따라 흑체가 내뿜는(방사하는) 색이 점차 달라집니다. 온도가 (상대적으로) 낮을 때에는 불그스름한 빛을 띠다가 점차 노랑색으로, 그리고 다시 하얀 색으로 바뀌게 됩니다. 그리고 온도가 더욱 높아지면 다시 푸르스름한 톤으로 바뀝니다. 촛불이나 Gas 라이터의 불빛을 생각하시면 이해가 쉬울 것입니다. 붉은 불꽃보다 파란 불꽃이 더 뜨겁습니다(온도가 높다). 위의 두산백과사전에도 나와 있지만 이러한 색과 온도의 관계를 응용해서 매우 뜨거운 용광로 속의 온도를 측정한다든지, 혹은 천체를 관측하여 별의 온도를 추정하기도 합니다. 이처럼 가열하는 온도에 따라 흑체의 색이 달라지는데, 어떤 광원의 색이 특정한 온도로 가열되었을 때의 흑체의 색과 같을 때에, 그 광원의 색에 흑체의 온도(Kelvin)를 적용해서 “색온도 000K”라고 부르는 것입니다. 예를 들어, 어떤 백열등의 컬러를 측정했더니 흑체를 약 3400도(Kelvin)로 가열했을 때 나오는 컬러와 동일하였다면 이 백열등의 색온도는 3400K가 된다는 것입니다. 아래의 그림 1은 CIE xy 색도도상에 그려진 흑체의 (가열했을 때의 컬러) 궤적과 몇몇 상관색온도(Correlated Color Temperature) 라인을 보여주고 있습니다.
※ 그림 1. CIE xy 색도도와 흑체 궤적 (이미지 출처 : 위키피디아) 상관색온도 (Correlated Color Temperature)란 색온도는 위의 CIE xy 색도도에 그려진 흑체궤적(Black Body Locus) 위에 있는 어떤 컬러에 대해 적용하는 개념입니다. 그런데 태양빛이나 백열등은 거의 흑체에 가까운 특성을 가지고 있기 때문에 색온도의 개념을 적용할 수 있지만, 형광등과 같은 광원들은 가열했을 때 흑체와는 다른 궤적을 그리며 빛을 방사합니다. 이렇게 흑체궤적과는 다르지만 매우 가까운, 혹은 유사한 빛의 색상에 대해 상관색온도라는 개념을 적용합니다. 아래의 그림은 CIE xy 색도도의 백색 영역을 지나는 흑체궤적(붉은색 실선)과 유사색온도라인(iso-temperature line)을 그린 것입니다. 상관색온도가 6500K라고 표기되었다 하더라도 이것은 흑체의 색온도 6500K와 동일하지는 않습니다. 색온도 6500K보다 위에 있어서 (green의 영향으로) 좀더 누르스름해 보일 수도 있고, 색온도 6500K 보다 아래에 있어서 (magenta의 영향으로) 좀더 불그스름해 보일 수도 있습니다. 상관색온도의 실용적인 계측과 해석에 대해서는 뒤쪽에서 자세히 설명 드리도록 하겠습니다.
다음은 몇몇 대표적인 광원(Light Source)의 (상관)색온도를 나열한 것입니다. 여기서 주의해서 이해하실 것은 주광(daylight)이라는 개념으로, 나중에 다시 설명드릴 기회가 오겠지만 대략적으로 ‘하늘색’이라고 할 수 있습니다. 우리는 자연에서 사물의 색을 볼 때 그 색은 태양빛이라는 광원(Light Source)이 비춰 준 빛을 물체가 반사한 빛입니다. 태양은 흑체와 거의 흡사한 방사 특성을 가지지만 실제 우리가 사는 지구의 표면에 도착할 때에는 지구의 대기권에 의해 산란되고 특히 구름을 통과하면서 더욱 많이 달라집니다. 결국 우리가 실제로 이용하는 광원은 실제 태양의 빛이 아니라 거의 대부분은 지구의 대기와 구름이 걸러 준 빛 즉, 하늘색인 것입니다. 대지나 산, 강, 바다 등 지구 위의 자연환경이 반사한 색도 포함되지만, 대부분은 하늘색에 의해 결정됩니다. 그리고 충분히 짐작할 수 있듯이 하늘색은 지역에 따라, 그리고 계절과 시간에 따라서도 차이가 많이 납니다. 하지만 대체적으로 구름 낀 하늘은 약 6500K 정도가 되고, 맑고 깨끗한 하늘은 9000~12000K 정도이라 합니다. * 1700K : 성냥불 * 1850K ~ 1950K : 촛불 * 2870K : 100W 백열등 * 3000K : 100W 텅스텐 할로겐 * 3200K : 일출이나 일몰의 하늘색 * 5500K : 화창한 날의 정오경 주광 * 5500K ~ 5600K : 플래시 전등 빛 * 6500K ~ 7500K : 구름 낀 하늘 * 9000K ~ 12000K : 맑고 파란 하늘 백색의 균형(White Balance) 위에서 설명 드린 바와 같이 현실적으로는 흑체를 활용하는 것이 거의 불가능하기 때문에 우리는 대신 주광(하늘색)을 실용적으로 사용합니다. 아래의 그래프는 흑체궤적(Black Body Locus)과 주광궤적(Daylight Locus)을 CIE xy 색도도 위에 동시에 표시한 것입니다. 흑백 사진으로 보면 구분이 되지 않겠지만, 위의 곡선이 주광궤적이고 아래의 곡선이 흑체궤적입니다. CIE uv 색도도(1960)에서의 거리로 따진다면 약 0.003 ~ 0.004 정도의 차이가 납니다. 따라서 동일한 (상관)색온도라 하더라도 주광궤적 위에 있는 6500K는 흑체궤적 위의 6500K에 비해 (상대적으로) 약간 더 누르스름합니다. 반면에 흑체궤적 위에 있는 6500K는 주광궤적 위에 있는 6500K에 비해 약간 홍조(pinkish)를 띠게 된다. 물론 이와 같은 미세한 차이는 동시에 비교할 때에는 구분이 가능하지만, 시간이나 공간에 일정한 차이를 두는 경우 구별이 쉽지 않은 수준입니다.
※ 그림 3. 흑체궤적과 주광궤적의 차이 어쨌든 이렇게 정의된 색온도가 실용적으로는 어떤 색감의 차이를 유발하는지를 파악하는 것은 매우 중요합니다. 보통의 경우 색온도는 백색이나 회색 계조에 대해서 이야기 하기 때문에 단순히 백색이 좀더 푸르스름하거나 불그스름한 차이라고 생각되는 경우도 있습니다. 하지만 색온도는 컬러 이미지의 모든 혼합색에 영향을 미칩니다. 다음의 그래프는 에이조 S2411W라는 24인치 LCD 모니터의 색온도 조정기능을 이용하여 5000K, 6500K, 9300K로 설정했을 때 여러 컬러들이 어떻게 변하는지를 한 눈에 보여주고 있습니다. 색온도가 높아질 수록 3원색을 제외한 모든 컬러가 Blue쪽으로 이동하고 있습니다.
※ 그림 4. 색온도와 혼합색의 관계 (CIE u’v’) 밝기 정보를 포함해서 색을 표시하는 아래와 같은 3차원 색공간에서 보면 좀더 자세한 변화 사항을 알 수 있습니다. 이처럼 색온도는 어떤 컬러 이미지의 모든 색에 다 작용하여 전체적으로 푸르스름하거나 불그스름한 톤을 만들어 주는 역할을 합니다.
계조선형성(Grayscale Linearity) 좋은 디스플레이는 백색의 색온도와 회색 계조들의 색온도가 일치하거나 매우 유사하지만, 그렇지 못한 디스플레이들은 그레이스케일 각 단계마다 색온도가 들쭉날쭉합니다. 디스플레이 정확한 컬러를 재현하려면 모든 단계의 회색 계조들이 일관된 색온도를 유지할 수 있어야 하는데 이러한 일관성을 계조선형성(Grayscale Linearity)라고 합니다. 특히 그래픽 디자인이나 의료용 모니터와 같은 전문가용 제품에서는 이 계조선형성이 매우 중요한 이슈가 됩니다. 아래의 그래프는 Black에서부터 White까지의 계조별 색온도를 CIE xy 색도도상에 표시한 것입니다. 일반 LCD 모니터와 그래픽 전용 모니터의 계조선형성을 비교한 것인데, FP241VW의 경우 백색의 색온도는 6500K에 거의 근사하고 있지만 어두운 계조로 갈수록 색온도가 많이 높아집니다. 따라서 백색의 휘도와 색도만을 계측한 후에 6500K에 근사하니까 표준적인 컬러가 나올 것이라고 기대해서는 낭패를 볼 수 있습니다. 그래프에 나타난 것과 같이 어두운 회색들의 색온도는 최대 10000K까지 올라가기 때문에 혼합색들의 모두 이 영향을 받아 푸르스름한 톤을 띠기 때문입니다. 반면에 CG241W의 경우에는 Black(원래 컬러가 없음)을 제외하고는 거의 한 점에 모두 찍히고 있습니다. 밝은 색이나 어두운 색이나 매우 일관된 색을 기대할 수 있습니다. 그리고 색온도 자체는 6500K에서 조금 벗어난 부분은 칼리브레이터를 이용하여 교정하게 됩니다.
※ 그림 6. 계조선형성 (CIE xy 색도도) TV 시스템에서의 색온도의 역할 방송 분야에 종사하시는 분들은 NTSC나 PAL, SECAM와 같은 방송시스템, 혹은 방송 규격에 대해 익숙하실 것입니다. 이러한 방송시스템은 여러 가지 복잡한 내용들을 담고 있지만, 컬러와 관련한 핵심적인 내용 중 일부는 White Point와 RGB 3원색에 대한 정의라 할 수 있습니다. White Point는 백색의 색좌표를 뜻하는 것인데, 다른 말로는 백색이 어느 정도의 색온도를 가지도록 할 것인가를 결정하는 것입니다. 앞서 White Balance에서도 설명 드렸지만 백색이 어떤 색온도를 가지도록 하느냐에 따라 전체적인 혼합색들이 모두 영향을 받기 때문에 White Point를 정하는 것은 매우 중요합니다. 자연 환경에서 우리는 주광에 의해 비춰진 물체들이 반사한 색을 보게 됩니다. 만약 백색의 흰 종이를 들고 있다면 주광(혹은 하늘색)에 의해 이 백색의 톤이 결정될 것입니다. 앞에서 설명 드린 바와 같이 구름 낀 하늘 아래서라면 대략 6500K 정도의 톤을 가진 백색 종이로 보일 것이고, 구름 한 점 없이 맑고 깨끗한 가을 하늘 아래서라면 이 백색 종이는 약간 푸르스름한 톤으로 보일 것이다. 따라서 가장 일반적인 주광(하늘색)을 어떻게 정의할 것인지에 따라 백색의 톤이 달라지고, 이어서 모든 컬러 톤이 조금씩 다 달라지게 됩니다. 결국 TV시스템에서도 가장 자연스러운 색을 표현할 수 있는 방법 중 하나는 바로 백색을 주광 얼마로 결정하느냐에 따라 달라지는 것이다. 재미있는 것은 근대의 색채과학이 북구유럽(특히 영국)을 중심으로 많이 발달하였기 때문에 구름 낀 하늘이 많은 지역의 특성이 반영되어 각종 백색의 색온도 표준이 D65(Daylight 6500K)로 결정되었다고 합니다. 따라서 이쪽 지역에 사는 사람들은 6500K로 White Point가 잡힌 TV로 볼 때 자연스럽게 느끼는 반면, 다른 지역의 사람들은 좀더 높은 색온도를 선호하는 경향을 보이기도 합니다. 예를 들어, 일본 NHK 방송국은 9300K를 스튜디오 표준으로 추가하고 있다고 합니다. 그리고, TV 제조사들은 지역에 따라 다른 선호도를 고려하여, 지역별로 다른 색온도로 TV의 White Point를 설정하여 수출한다고 합니다. 그런데, TV시스템에서는 White Point는 또 다른 역할을 합니다. 왜냐하면 TV는 RGB 색공간을 사용하지 않고, 밝기와 색차신호로 구성되는 YCC 색공간(YPbPr이나 YCbCr 등)을 사용하기 때문입니다. 여기서의 Y는 절대적인 휘도값이 아닌 정규화한 상대적 밝기이므로 Y’(Y prime)이라고 표기해야 한다고 첫 연재기사에서 말씀 드린 바 있는데, 바로 이 Y’(혹은 Luma)를 계산하는데 있어서 White Point가 결정적인 역할을 하게 됩니다. 결국 White Point는 컬러의 인코딩/디코딩에도 관여를 하기 때문에 TV 시스템에서는 영상소스의 컬러가 바뀌는 데에도 약간의 영향을 미치게 되는 것입니다. 그럼, 간단한 예로 NTSC(1953) 시스템에서 어떻게 Y’(Luma)를 유도하는지에 대해 살펴 보도록 하겠습니다. NTSC의 White Point와 3원색은 1953년 미국의 FCC(연방통신위원회)에 의해 아래와 같이 정의되었습니다. White Point는 약 6774K의 (상관)색온도를 가지는 CIE의 C 광원(illuminant C)으로 결정되었고, 3원색은 당시의 극장용 컬러 필름을 기준으로 만들어졌다고 합니다. NTSC의 스펙에는 각각에 대해 CIE x와 y 좌표만을 정의하고 있으나, 여기서는 편의상 z까지도 적어 놓았습니다. x + y + z = 1이므로 z는 간단히 1 - x - y에 의해 계산이 됩니다. * White : x(0.3101), y(0.3161), z(0.3738) * Red : x(0.670), y(0.330), z(0.000) * Green : x(0.210), y(0.710), z(0.080) * Blue : x(0.140), y(0.080), z(0.780) 위와 같이 White와 RGB 3원색이 정의될 경우 White를 구성하는 RGB의 성분을 계산할 수가 있는데, xyz로 구성되는 3차원 색공간에서 White는 RGB의 벡터(vector)이기 때문이다. 즉, 빛은 RGB의 3원색이 가산혼합(Additive Mixture)을 하여 백색(white)을 만드는 것이기 때문에 백색이 주어진 경우에는 거꾸로 백색을 만드는데 기여한 RGB 각각의 가중치 성분(Luma Coefficient)을 계산할 수 있는 것입니다. 먼저 백색의 밝기를 1로 만들기 위해 White의 xyz를 y에 대해 정규화시켜 줍니다. 그리고 백색(W)은 RGB 3원색의 벡터이므로 후 아래와 같은 행렬식을 만들어 줍니다. 여기서 k(r), k(g), k(b)는 각각 감마 보정(gamma corrected)된 비선형 R’, G’, B’의 가중치 성분입니다. 그 다음은 이 k(r), k(g), k(b)을 중심으로 행렬식을 풀어준 후에 다시 y(r), y(g), y(z)를 곱해주면 됩니다.
이번에는 좀더 이해가 잘 될 수 있도록 이 계산식에 NTSC(1953)의 white point와 3원색 데이터를 대입해 보겠습니다.
이렇게 해서 계산된 k(r), k(g), k(b)는 각각 0.9062, 0.8260, 1.4314가 됩니다. 여기에 다시 y(r), y(g), y(b)를 곱해주면 RGB 각각의 가중치가 완성됩니다. 즉 RGB를 YCC로 변환할 때에는 밝기신호인 Y’는 0.2991*R’ + 0.5864*G’ + 0.1145*B’로 계산됩니다. 이는 곧 백색을 만들 때 밝기는 Red에서 약 30%, Green에서 약 59%, 그리고 Blue에서 약 11% 정도를 취한다는 뜻이 됩니다. 그리고 인코딩에서는 이를 간략히 Y’ = 0.30R’ + 0.59G’ + 0.11B’와 같이 표기하곤 합니다.
재미있는 것은 RGB의 가중치인 이 Luma를 White Point나 RGB 3원색이 바뀔 때마다 계산하지는 않았다는 것입니다. SDTV의 경우 3원색이 상당히 많이 변했음에도 불구하고 NTSC(1953)의 것을 그대로 차용했습니다. 물론 이로 인한 실용적인 문제는 별로 크지 않지만, 가중치의 유도 원리와 흘러 온 스토리를 모르는 상태에서 TV시스템의 스펙을 배우는 분들에게는 상당한 혼란을 야기하는 경우가 많습니다. HDTV는 ITU-R BT.709에서 정의한 RGB 3원색의 색좌표와 D65를 이용하는데 이 때에는 RGB의 가중치를 새로 계산을 해서 사용하게 되었습니다. 위와 동일한 방식으로 계산해 보면 Y’ = 0.2126*R’ + 0.7152*G’ + 0.0722*B’과 같이 계산됩니다. 이는 NTSC(1953)에 비해 작아진 Color Gamut과 약간 바뀐 색온도(6774K à 6500K)에 따른 변화입니다. Gamut의 변화를 색재현율로 따지자면 NTSC(1953) 대비 100%에서 약 72% 정도로 낮아집니다. CIE xy 색도도 상에서 계산한 것이라 Green쪽이 (실제 시감적 차이에 비해) 좀 과장된 면이 있습니다만, Y’의 가중치도 CIE xy에서 계산하는 것이므로 Green의 가중치가 매우 커지고, Red와 Blue의 가중치는 줄어드는 결과를 가져왔습니다. 이는 즉 Green의 채도가 낮아진 만큼 Green을 많이 섞어야 같은 정도의 White를 만들 수 있다는 뜻이 됩니다. 비유를 하자면 전에는 요리를 할 때 왜간장을 한 스푼 넣었는데, 조선간장으로 바뀐 후에 같은 정도의 짠 맛을 내려면 두 스푼을 넣는 것이라 하겠습니다. |
