사람이 빛을 색으로 인식하는 과정: 광파와 원추세포

 

빛이란 무엇일까요?

색에 대해 정의하기 전에 빛에 대해서 살펴보고자 합니다..

현대물리학에서는 빛은 파장이며 입자의 성질을 함께 가지고 있다고 합니다.

빛은 광자와 광파의 성질을 동시에 가지고 있습니다.

참 신기한 녀석이지요. 

(빛은 항상 일정한 속도를 가지고 있다는 것도 신기하죠. 이거땜에 상대성이론과 블랙홀이 불라불라.....)

카메라에게 있어서 광자는 노출, 광파는 색으로 인식됩니다.

지금 다루는 것은 센서의 수광이 아니라 색의 반응이니까 광파에 대해 알아보겠습니다.

 

빛은 파장(Spectrum)으로서 움직이지는데 파장에 따라 특징이 있습니다.

낮은 파장(좌)은 직진성(에너지)이 강하지만 장애물에 쉽게 막히는데, 감마선은 방사선으로 세포를 파괴할 수 있고 자외선은 피부층을 파괴하죠.

높은 파장(우)은 직진성은 약하지만 장애물을 피해가 갈 수 있어서 라디오파(와이파이, LTE 등)는 벽으로 막아도 통과해서 지나가죠.

그 중 사람의 눈이 관측할 수 있는 400~750nm 파장을 가시광선이라고 합니다.

낮 하늘의 색이 파란 이유도 파란색이 대기에 충돌을 일으켜 산란되어서 일어난 것이고, 

해가 뜨고 질 때 노을이 지는 이유는 지구와 지표면과의 거리, 즉 태양빛이 지나가는 대기의 두께가 두꺼워지면서 붉은색 이외의 색은 보이지 않는 것이죠.

 

사람의 눈은 원추세포와 간상세포를 통해 빛을 인지할 수 있습니다.

Short 원추세포는 420nm 내외의 파장을 받아들여서 파란색으로 인식하고

Medium 원추세포는 534nm 내외의 파장을 받아들여서 초록색으로 인식하고

Long 원추세포는 564nm 내외의 파장을 받아들여서 붉은 색으로 인식합니다.

3 종류의 원추세포를 이용하여 사람의 뇌는 빛을 색으로 인식합니다.

간상세포는 색은 인식하지 못하지만 어두운 빛을 인식할 수 있습니다.

간상세포는 황반(중심, 초점)의 주변에 배치되어 있어서, 밤에 별을 볼 때 시선의 중심보다 주변의 별이 더 잘 보입니다.

밤에 별촬영하실 때 상식 삼아 알아두시면 좋을 듯 합니다.

   색을 측정해서 수치화하는 방법: 색공간

 

 

학창시절 빛의 삼원색을 이용하면 모든 색을 만들 수 있다고 배웠을 것입니다.

사람의 뇌는 3 종류의 원추세포로 부터 가시광선을 RGB(Red, Green, Blue)의 색으로 받아들이고

그 조합을 통해 색을 인식합니다.

 

이를 수학적으로 나타내면 3차원공간으로서 RGB색공간이 됩니다.

R좌표의 정상은 붉은색, G좌표의 정상에는 초록색, B좌표의 정상에는 파란색이 위치합니다.

그리고 그 교집합에 분홍색(Magenta), 청록색(Cyan), 노랑색(Yellow)이 있습니다.

 

 

 

그런데 RGB색공간은 삼원색을 이용하여 색을 만들 수 있다는 것만 정의하지, 각각의 색이 어떤 색인지 정의하지는 않습니다.

어떤 색을 진짜 붉은 색인가에 대한 문의가 발생하게 되죠.

 

그래서 나온 것이 CIE 1931 XYZ색공간입니다.

각각의 XYZ는 사람의 SML원추세포가 받아들이는 파장대를 반영해서 만들어졌습니다. (Y는 밝기로도 사용됩니다.)

즉 XYZ색공간은 사람이 인지할 수 있는 모든 색(가시광선)을 다룰 수 있습니다.

 

 

 

하지만 여전히 문제가 있습니다.

RGB, XYZ값만으로는 어떤 색인 지 유추할 수가 없습니다.

R100 G80 B70 이라는 색이 어떤 색인 지 아시나요?

 

 

 

 

답은 짙은 갈색입니다.

 

 

 

 

 

그래서 보다 직관적으로 이해하기 쉽게 XYZ색공간을 xyY색공간으로 변환하게 됩니다.

x, y는 색도를 의미하고 Y는 밝기를 의미합니다.

이제 훈련만 한다면 손쉽게 컬러를 짐작할 수 있지요.

 

xyY색공간의 말발굽 모양의 천연색 공간은 사람이 인지할 수 있는 가시광선(380~700nm) 영역입니다.

사람이 볼 수 있는 모든 색을 의미하죠.

(사람의 눈은 750nm까지 붉은색으로 인지할 수 있지만 해상력이 매우 낮아 생략되었습니다.)

 

xy색도표시계를 통해 사람의 눈이 인식할 수 있는 색(파장)을 도식화하였으니

사진영상에서 사용되는 색역에 대해서 살펴보겠습니다.

 

 

 

참고로 색공간과 색역은 혼용되지만,

색공간(Color space)은 3차원좌표로 색을 표현할 수 있는 체계를 말하고 색역은 임의의 목적에 의해 만들어진 색영역을 의미합니다.

예컨데 RGB, CMYK, XYZ. xyY, Lab, YCbCr, HSL처럼 색을 표현할 수 있는 좌표체계를 가진 것이 색공간이고

sRGB, adobeRGB, ProphotoRGB, DCI-P3, Rec.709, BT.2020, ACES, NTSC 등이 색역입니다.

(다만 상용적으로 sRGB색역을 RGB색공간으로 사용하고, CMYK는 색공간이면서 색역으로 사용됩니다.)

 

 

색역에 대해 다루기 전에 팁으로...

포토샵에서는 Lab, HSB 색공간을 지원해서 소개를 드리자면, 

Lab을 이용하면 색조(a,b)는 수정하지 않고 밝기(L)만 수정할 수 있고,

HSB를 이용하면 색조(Hue), 채도(Saturation), 밝기(Brightness)를 수정할 수 있습니다.

 

 

 

   다양한 목적의 색범위: 색역

 

 

모니터가 색역을 얼마나 표현할 수 있는 지를 색재현율이라고 부르고 NTSC라는 기준을 많이 사용합니다.

NTSC는 과거 아날로그 TV에서 정한 색역 기준인데 디지털 시대에선 의미가 없습니다.

제조사에서도 이제 그만 NTSC는 그만 쓰고 sRGB, adobe RGB, DCI-P3(Display P3)로만 표기했으면 좋겠네요.

 

 

 

사진에서 사용되는 색역은 sRGB, CMYK, adobe RGB, Prophoto RGB 입니다.

sRGB(Standard RGB)는 RGB색공간의 기준이 되는 것으로 디스플레이의 표준색역이라고 부릅니다.

CMYK는 청록색(Cyan), 분홍색(Magenta), 노랑색(Yellow), 검정색(blacK) 잉크를 통해 표현할 수 있는 색역입니다.

 

그런데 보시면 모니터 sRGB 색역으로는 프린터의 CMYK의 하늘색 부분을 모두 표현할 수 없습니다.

그 부분을 포함하기 위해 1998년에 어도비에서 만든 것이 adobe RGB입니다.

sRGB 표준색역보다 더 넓기에 광색역이라고 부릅니다.

 

이때 sRGB, adobe RGB, CMYK는 인간이 디스플레이와 프린트를 이용해 만들 수 있는 색의 결과물(Output)입니다.

하지만 카메라(RAW)에서 기록(Input)할 수 있는 색의 범위는 ProPhoto RGB로 훨씬 넓습니다.

카메라 센서/필름은 사람이 볼 수 없는 빛의 파장, 적외선까지 담을 수 있죠.

(다만 적외선이 기록되면 가시광선의 색역이 좁아져서 UV차단필터가 내장되어 있습니다. 필름때는 UV필터를 써서 차단했고요.)

 

 

 

영상에서도 처음 표준색역으로는 sRGB와 같은 색역을 가진 Rec.709를 사용했습니다.

하지만 광색역에서는 adobe RGB와 다른 DCI-P3를 사용합니다.

adobe RGB가 인화물 CMYK에 맞추기위한 것인데 반해, DCI-P3는 오직 디스플레이만을 위해 만든 것이기 때문입니다.

DCI-P3는 2007년에 발표되었지만 애플을 비롯한 삼성, 델, 에이조 등의 많은 회사에서 앞다투어 지원하고 있습니다.

시대의 흐름이 사진과 종이에서 영상과 디스플레이로 넘어가는 추세때문이 아닌 가 합니다.

 

또한 최근에 HDR TV가 여러 매체에서 큰 화두가 되고 있습니다.

HDR TV의 달성목표는 BT.2020인데 ProPhoto RGB의 상당부분을 담고 있습니다.

다만 현재 기술로는 디스플레이에서 재현할 수 있는 색역은 adobe RGB, DCI-P3가 한계입니다.

 

 

 

 

 

   광색역의 장단점

 

 

보시면 아시겠지만 색역이 크면 클수록 더 넓은 색을 표현할 수 있습니다. 더 진한 원색을 표현할 수 있죠.

반대로 이야기하면 색역이 좁은 모니터는 붉은색을 주황색, 파란색을 하늘색으로 표현한다는 말입니다.

 

그렇기에 모니터의 색역이 넓을수록 더 넓은 색을 감상할 수 있습니다.

다만 단점도 있습니다.

 

 

 

 

 

 

첫째, 윈도우에서는 색역을 인식하지 못합니다.

 

운영체제에서 색공간, 색역을 인식해서 색을 관리하는 CMS(Color Management System)를 제대로 지원하지 않아

개별 프로그램에서 CMS를 지원해야하는 형국입니다.

 

포토샵, 크롬, 파이어폭스에서는 지원이 되지만 윈도탐색기, 익스플로러에서는 지원이 안됩니다.

그래서 게임이나 영상, 웹에서 색이 과하게 표현될 수 있기 때문에 신경써야할 부분이 많습니다.

이에 대해 정확히 알고 있지 않다면 광색역 모니터는 포기하는 게 정신건강에 좋습니다.

맥은 예전부터 지원하고 있습니다. 윈도는 정말 반성을 많이 해야 합니다.

 

그래서 고가 adobeRGB 모니터는 sRGB 모드를 지원해서 이런 불편함을 줄여줍니다만, 

다만 중소기업 제품에선 이를 지원하지 않기 때문에 생각을 해보셔야 합니다.

 

 

 

 

 

 

둘째, 색의 계조(Gradation)가 깨질 수 있습니다.

 

더 넓은 색을 표현할 수 있는데 색을 구분하는 단계가 같다면, 각 단계별 색의 차이가 커지게 됩니다.

포토샵에서 하늘색을 과하게 보정하면 발생하는 계단현상이 발생할 수 있습니다.

그렇기 때문에 광색역은 표준색역보다 더 넓은 색의 단계, 색심도(Color Depth)를 지원해야 합니다.

이건 워낙 당연한 부분이라 광색역모니터는 기본적으로 10비트 이상의 색심도를 지원합니다.

 

다만 10비트 이상을 지원하려면 최신 지포스/라데온 그래픽카드를 쓰거나 쿼드로/파이어프로를 사용해야 합니다.

구형 지포스/라데온 혹은 내장그래픽카드를 쓴다면 아무리 좋은 모니터도 8비트로만 쓸 수 있습니다.

광색역 모니터를 제대로 사용하려면 최신 그래픽카드를 사용해야합니다. 위안을 드리자면 비싼 고성능 제품일 필요는 없습니다.

 

ps.

사진은 8비트로 하셔도 됩니다.

편집용이면 관용도를 위해 16비트가 유리하지만 최종결과물 감상용은 8비트면 됩니다.

 

 

 

 

 

 

셋째, 남에게 디지털사진을 줄 때는 sRGB로 바꿔야 합니다. 그래서 귀찮습니다.

 

앞에서 말했지만 adobe RGB의 등장배경은 프린터 인화물과의 매칭때문입니다.

그런데 요즘 사진을 찍어서 인화하는 사람은 거의 없습니다. 다들 PC나 폰에서나 보죠.

이때 대다수의 유저들은 색역이 뭔지도 모르기에 adobe RGB​로 편집된 사진을 그냥 주면 색이 틀어져서 보이게 됩니다.

색역에 따라 같은 RGB값을 입력해도 RGBCMY 색상이 저렇게 다르게 보입니다. 초록색이 노란색으로 보인다면 믿겨지시나요?

 

다행히도 맥은 물론, 윈도10에서도 기본세팅을 sRGB로 잡아주기 때문에 어느정도 색을 잡아주지만 구형 윈도에서는 색이 엉뚱하게 보입니다.

삼성, LG 안드로이드 스마트폰은 말할 것도 없고요. (아이폰은 지원합니다. 안드로이드도 차기 O버전에서 지원예정이지만 언제 업그레이드될 지...)

개인적으로 애플제품을 단 하나도 쓰지 않지만 이런 부분은 참 매력적입니다.

 

 

 

 

 

http://graphics.stanford.edu/courses/cs178/applets/gamutmapping.html

 

아무리 그래도 adobeRGB사진을 sRGB모니터에서 보게 될 경우 어쩔 수 없이 표현하지 못하는 색이 발생됩니다.

그 차이를 렌더링인텐트(Rendering Intent)라는 방법으로 잡아주긴 하지만, 채도가 확 빠져서 보이게 됩니다.

그래서 남에게 보여주려면 sRGB로 변환할 때 렌더링 인텐트 옵션을 고르고 색도 다시 잡아줘야 합니다.

내가 보기도 불편하지만 남한테 보여주기도 불편합니다.

 

 

 

 

넷째, 더 비쌉니다.

 

그래서 전 sRGB 모니터를 사용합니다. ㅠㅜ