색 순응 모델(Color Adaptation Model)

 

디스플레이의 개발 단계에서 정확한 색 재현을 위해 일반적으로 암실 환경에서 측정을 통해 특성화 및 색 재현 알고리즘을 수행한다. 그러나 일반 시청자가 TV를 시청하는 환경은 일반 가정환경 및 사무실 환경 그 외 공공의 장소로써 내부 조명이 비추고 있거나, 혹은 태양광의 영향을 받고 있는 경우가 많다. 이러한 경우, 인간 시각 특성상 주위 환경에 따라 영상을 다르게 인지하기 때문에 동일한 입력 신호라 할지라도 주위 환경을 고려하여 다르게 인지하게 된다. 주위 환경이 변할 경우 인간의 시각 특성 곡선인 LMS 곡선은 서로 독립적으로 변화한다. 따라서 주위 환경이 변함에 따라 적응적으로 조명 상태를 인지하고 이를 인간 시각 특성에 적용하여 디스플레이의 영상을 변화시켜주는 색 순응 기술이 요구된다. 예를 들어 주위 광원이 백열등일 경우 LMS 시각 특성 곡선 중에서 더해진 장파장의 에너지를 보상하기 위해서 L 성분의 감도는 떨어지게 된다. 반대로 주위 광원이 주광등일 경우 형광등에 비해서 단파장을 많이 포함하고 있고, 이로 인해 단파장의 에너지를 보상하기 위해서 인간 시각 특성 곡선의 S 성분은 감소하게 된다.[1] 결국 주위 환경에 따라 인간 시각 특성을 고려하여 백열등하에서는 더 붉게 주광등하에서는 상대적으로 푸르게 영상을 변화시켜야 한다.

 

그림 1. 주위 환경 변화에 따른 시감 특성의 변화

 

그림 1은 주위 환경 변화에 따른 시감 특성의 변화와 그에 따른 영상의 보상을 나타내고 있다. 밝은 주변광에서는 더 밝게 하고, 어두운 환경하에서는 원 영상보다 더 어둡게 해줌으로써, 인지적으로 동일한 영상을 재현할 수 있다. 먼저, 장치 특성화 과정에서 전력의 특성을 확인하기 위해 디스플레이의 배경 밝기에 따른 전력의 변화를 조사하였다. PDP는 구동 특성상 전체적인 주변 밝기에 따라 동일 패치에 대해 휘도가 다르게 나타난다. 그림 2는 주위 배경의 밝기 변화에 따른 디스플레이 최대값의 변화를 나타내고 있다. 이것은 디스플레이의 배경의 밝기 값을 조절하여 전체 밝기값을 향상시키면서 샘플 패치에 최대값을 인가하였을 때의 결과이다. 표준인 측정 방법은 주위 배경의 밝기 값을 “0”으로 두고 측정하는 방법으로써 Y값이 300 정도로 나타난다. 그러나, 주위 배경이 밝아질수록 점차 최대값은 감소하여 주위 배경에 255가 인가되었을 경우 샘플의 밝기(Y)는 80정도로 떨어짐을 알 수 있다. 일반적인 TV 시청환경은 복잡한 영상이 다양한 밝기값을 가지게 된다는 가정한다면 표준 특성화 측정 방법은 가장 극단적인 경우이므로 일반 시청환경과 동떨어짐을 알 수 있다. 따라서 특성화 과정에서 주위 배경의 밝기를 적절하게 선택하는 것이 필요하다.

 

그림 2. 주위 배경의 밝기 변화에 따른 디스플레이 최대값의 변화

 

 

 

 

그림 2. 센서를 이용한 색 순응 현상의 적용

 

주위 환경은 조명의 밝기값이나 색 온도 등에 의해서 결정된다. 일반 시청환경의 경우 가정에서 TV를 본다고 가정할 때 조명 환경은 형광등과 태양광의 조합으로 결정되며 태양광의 밝기가 변함에 따라 밝기 값이 변하게 되고, 두 광원의 색 온도 차이에 따라 조명 색상이 결정된다. 따라서 센서를 이용하여 실시간으로 변화하는 조명을 판단하는 실험을 수행하였다. 본 과제는 구동 방식에 따라 세 가지의 각기 다른 센서를 이용하여 주위 환경을 분석하였으며 그 결과를 표로 나타내었다. 그림 10은 PDP TV에 부착된 센서를 이용하여 주위 환경을 판단하고 이를 이용하여 PDP TV의 영상을 재현하는 과정을 보여준다.

 

 

 

 

그림 3. 센서를 이용한 색 순응 현상의 적용

 

그림 3은 전체 알고리즘의 흐름도이다. 먼저 장치 특성화를 통해서 입력 RGB 값을 장치 독립적인 값으로 변환시킨다. 다음으로 주위 환경의 특성을 고려하여 각 요소들에 대한 정확한 값을 획득하고 불완전 순응 모델을 적용한다.[2] 다음으로 주위 환경 및 디스플레이의 특성을 고려한 혼합 모델을 적용하면, 순방향 순응 모델은 완료된다.[3] 이제 최종적인 출력값을 획득하기 위해서 지금까지의 방법을 역순으로 진행한다. 순응된 자극치 값을 장치 독립적인 값인 XYZ 값으로 역 순응 모델을 적용하고 최종적인 디스플레이의 출력값을 획득한다.

 

 

(a)                                                                (b)

그림 4. SMH 방법을 통한 실험 과정; (a) 앞면, (b) 옆면

 

실험을 위해 그림 4와 같은 환경을 구성하고, 주어진 환경에서 피실험자는 1분의 순응 기간을 거치고 난 뒤, 제시된 영상 중에서 가장 유사한 영상을 선택함으로써 주위 환경과 디스플레이간의 혼합 순응 비를 구하게 된다. 주위 환경의 밝기는 각각 형광등은 두 단계로 백열등은 세 단계로 나누어 실험하였으며, 피실험자가 각기 다른 네 가지 환경하에서 동일하게 느끼는 영상을 카메라를 이용하여 획득하였으며, 피실험자는 총 10명이며, 각각 다른 영상 및 주위 환경에 대해서 동일한 실험을 반복적으로 수행하여 결과를 얻었다.[4] 따라서 주위 환경과 디스플레이의 밝기가 많은 차이를 나타내지 않는 경우 전체적으로 순응비 0.4 ~0.6을 가진 혼합 순응 모델을 적용하여 주위 환경에 따른 대응색을 찾아낼 수 있다.

 

참고 문헌

[1] Mark D. Fairchild, Color appearance model, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts 1998.

[2] Suchitra Sueeprasan and M. Ronnier Luo, "Applying chromatic adaptation transforms to mixed adaptation conditions," Color Research and Application, vol. 28, no. 6, pp.436-444, Dec. 2003.

[3] Naoya Katoh and Kiyotaka Nakabayashi, "Applying mixed adaptation to various chromatic adaptation transformation(CAT) models," IS&T’s 2001 PICS Conference Proceedings, pp. 299-305, Montreal, Canada, Apr. 2001.

[4] K. Xiao, C. J. Li, M. R. Luo, and and C. Taylor, "Colour appearance for dissimilar sizes," CGIV2004: The Second European Conference on Colour Graphics, Imaging and Vision, vol. 18, no. 11, pp. 12-16, Achen, Germany, Apr. 2004.