조명광의 색온도와 밝기에 적응적인 모바일 폰의 색 재현

 

모바일 폰은 이제 의사소통을 위한 통신 수단이 아니라, 인터넷 쇼핑, 폰뱅킹, 카메라 촬영 및 방송 시청, 오락 게임 등, 일반 사용자에게 다양한 생활 문화와 정보를 제공하는 멀티미디어의 통합화의 산물이 되고 있다. 이러한 통합화 과정을 달성하기 위해, 모바일 제조회사들은 초고속 통신 속도 개선을 위한 전자 회로 및 모뎀 기술 개발, 안전한 전자 상거래를 위한 암호화 기술 개발, 멀티미디어 컨텐츠를 저장할 차세대 메모리 기술 개발 등, 다양한 분야에 투자를 지원하고 있다. 특히, 모바일 카메라의 대중화, WCDMA의 화상 통화 및 디지털멀티미디어 (DMB) 방송의 시작으로 모바일 LCD (liquid crystal display)의 색 재현 능력과 화질 평가에 대한 필요성이 점차 인식되고 있다. 지금까지, 모바일 LCD의 색 재현은 주로, 모바일 LCD 자체의 색의 충실도적인 측면인 색역 (gamut) 및 LCD 화각의 확장, LCD 백라이트의 휘도 개선에 초점을 두었고, 그 결과 모바일 디스플레이 자체의 색 재현 기술은 상당한 진보를 이루었다. 그러나, 모바일 폰은 시청환경이 실내로 고정적인 일반 디스플레이와는 달리, 주변광의 색 온도나 밝기가 다양한 시청환경에 접하게 되면서, 동일한 영상이라도 모바일 스크린에서 다르게 인지되는 문제점이 발생한다.

 

1.  주변광의 색 온도에 적응적인 색 재현

주변광의 색온도나 밝기에 적응적인 색 재현 기술은 모바일 폰의 잦은 이동성으로 인해 발생하는 실내외의 다양한 시청 환경의 영향을 감소시키는 기술이다. 먼저, 주변광의 색온도가 변하는 경우는 푸른색 계통의 조명색을 가지는 메가박스나, 붉은색 계통의 조명색을 가지는 정육점과 같은 곳에서 흔히 접할 수 있다. 이러한 장소에서, 모바일 LCD에 디스플레이 된 영상은 인간 시각 시스템의 자동화이트밸런스 기능인 색 순응 현상(chromatic adaptation)에 의해, 조명광의 주파장대의 성분의 이득을 줄여서 원 영상과 다른 색으로 인지되는 것을 볼 수 있다[1]. 예를 들면, 그림1-1에서와 같이 다양한 색 온도를 가지는 lighting 부스 환경에 동일한 영상을 디스플레이 할 지라도, 인간 시세포의 자동 이득 조절현상으로 백열등아래에서는 원 영상에 비해 푸른색 계통의 영상으로 인지되고, UV광원하에서는 노랑색 계통의 영상으로 인지된다.

 

그림 1-1. 인간 시각의 색 순응 현상

 

 그림 1-2는 조명광의 색온도에 적응적인 색 재현의 블록도이다. 먼저, 모바일 LCD의 장치 특성화 과정을 통해서 입력 RGB 신호는 CIEXYZ값으로 변환된다. 그리고, 컬러센서(TSL230)를 사용하여 실내 조명광의 색온도를 판별한 후, 기존의 CIECAM02 컬러 색 순응 모델을 적용한다[2]. CIECAM02의 색 순응 정도를 나타내는 D변수에 따른 색 순응된 영상을 디스플레이에 출력한 후, 원 영상과 가장 유사하게 보이는 최적의 D변수 값을 찾는다. 마지막으로, 최적화된 D변수를 적용한 CIEXYZ값을 역방향 장치 특성화 과정을 통해 최종 RGB 결과 영상을 획득한다.

 

그림 1-2. 조명색의 색온도에 적응적인 색 재현

 

 

 

 

2.  주변광의 밝기에 적응적인 색 재현

그림 2-1에서 같이, 주변환경이 실내환경에서 실외환경으로 변화될 때, 인간 시각의 명 순응(light adaptation)의 작용과 플레어(flare)로 모바일 폰에 디스플레이 된 영상이 굉장히 어둡게 인지되는 sun-readability문제가 발생한다. 명순응이란 주변 광원의 밝기의 세기에 따라서 인간 시감 감도 곡선이 광범위하게 이동하는 현상으로, 모바일 폰이 실내환경에서 실외환경으로 이동했을 때, 인간 시감의 감도 곡선이 실외 환경의 밝기에 최적화되면서 모바일 폰의 최대 밝기 값에 해당하는 시감 곡선의 응답치가 감소되기 때문에, 모바일 폰에 디스플레이 된 영상이 어둡게 인지된다[3]. 또한, 주변광이 디스플레이의 스크린에 입사하고 반사되어져 나오는 빛, 즉 플레어가 디스플레이 자체가 방사하는 휘도와 합산되어 디스플레이의 밝기는 증가하지만, 채도는 감소된다[4].

 

2-1. 실외환경에서 인간시각의 명 순응 현상과 플레어의 영향

 

그림 2-2는 주변광의 밝기에 적응적인 색 재현의 전체적인 흐름도이다. 먼저, 디스플레이가 놓여진 장소의 주변광의 밝기를 TSL2550 조도 센서를 이용하여 측정한 후, 미리 정해진 D65 광원의 색도 값과 반사율 값을 사용해서 플레어의 CIEXYZ을 계산한다. 계산된 CIEXYZ 값은 모바일 디스플레이의 장치 특성화 과정을 통해서 추정된 원 영상의 CIEXYZ 값과 합산되고, CIEXYZ의 삼자극치 값 중에서 휘도 값을 명순응 모델에 대입해서 인간 시감의 응답치로 변환한다. 변환된 응답치는 명순응 모델의 선형화(linearization) 과정을 통해서 입력 휘도 값에 대해 선형적으로 인지되는 새로운 휘도 값을 구함으로써 영상의 밝기를 향상시킨다. 그리고, 채도 보상 알고리즘을 적용하기 위해, 모바일 디스플레이의 색역의 경계면을 설정한 후, 플레어로 인해 감소된 채도를 색상에 따라 다르게 보상함으로써 채도를 증가시킨다. 마지막으로, 대표적인 실외 환경의 조도 값인 10,000 lux에 대한 룩 업 테이블을 구현하여, 모바일 디스플레이에 실시간으로 적용하였다.

 

그림 2-2. 주변광의 밝기를 고려한 적응적인 색 재현

 

그림 2-3은 실험에 사용된 원 영상과 변환된 결과 영상을 보여주고 있다. 그림 2-3(b)는 로그 함수를 이용한 밝기 향상 방법의 결과이고, 전체적인 밝기는 증가되었지만, 채도가 상당히 감소되어 흐리게 보이는 것을 알 수 있다. Monobe가 제안한 방법은 명암의 대비가 상당히 잘 드러나지만, 그림 2-3(c)의 나뭇잎처럼 에지 영역이 많은 부분에서는 과도한 대비 향상으로 영상의 화질이 저하되는 것을 알 수 있다[5]. 그림 2-3(d)와 2-3(e)는 채도보상 파라미터의 값을 조절하면서 획득된 결과이고, 제안된 결과 영상의 채도가 원 영상에 비해 상당히 포화된 것처럼 보이나, 실외 환경에서는 원 영상의 채도와 아주 유사함을 관찰하였다.  

 

그림 2-3. 조명광의 밝기에 적응적인 색 재현의 결과 영상

 

 

[1] M. D. Fairchild, Color Appearance Models, Addison-Wesley, 1998.

[2] N. Moroney, ”The CIECAM02 color appearance model,” Proceeding of the Tenth Color Imaging Conference, pp. 23-27, 2002.

[3] P. Ledda, L. P. Santos, and A. Chalmers, "A local model of eye adaptation for high dynamic range images,” Proceedings of the 3rd International Conference on Computer Graphics, Virtual Reality, Visualization and Interaction in Africa, ACM Press, pp. 151-160, Nov. 2004.

[4] N. Katoh and T. Deguchi, "Reconsideration of CRT monitor characteristics," Fifth Color Imaging Conference, Scottsdale, AZ, U.S.A., pp. 33-40, Nov. 1997.

[5] Y. Monobe, H. Yamashita, T. Kurosawa, and H. Kotera, "Fadeless image projection preserving local contrast under ambient light," Twelfth Color Imaging Conference, Scottsdale, AZ, U.S.A., pp. 130-135, Nov. 2004.