Reporting Date: September. 25, 2024
그래픽 컬러 처리에서 컬러 이론에 대한
전반적인 개념에 대해 다루고자 한다.
목차01. 전자기파
02 색의 인식 과정
03 기본색
04 보조 컬러 모델
05 기본색만으로 모든 색을 만들 수 있는가?
06 광원과 관련된 이야기
컬러 이론
01 전 자 기 파
(Electromagnetic Waves)
전기장과 자기장이 서로 직각 방향으로
진동하며 공간을 통해 전달되는 파동.
진공에서도 전파될 수 있어 매질 없이도 에너지를 전달할 수 있다.
파장의 길이에 따라 여러 종류로 나뉘며, 주파수와 파장에 따라 다양한 특성을 지닌다.
전자기파 스펙트럼은 높은 주파수(짧은 파장)에서
낮은 주파수(긴 파장)으로 나열되며, 다음과 같은 종류로 구분된다.
가시광선은 인간의 눈에 보이는 빛의 범위로,
전자기파 스펙트럼에서 아주 작은 부분을 차지한다.
1 . 주 파 수
(周波數, Frequency)
빛의 파장이 단위 시간당 반복되는 횟수.
주파수가 높을수록 빛은 청색 계열에, 낮을수록 적색 계열에 가까워진다.
2 . 파 장
(波長, Wavelength)
주파수와 서로 역수 관계에 있으므로,
주파수가 높을수록 파장의 길이는 짧아진다.
3 . 밝 기 OR 명 도
明度, Brightness, Lightness
강도 또는 전체 에너지의 분포 면적 크기.
사람이 빛의 강도를 인식하는 정도.
빛이 얼마나 반사되거나 흡수되는지에 따라 결정된다.
4 . 채 도
(Saturation)
빛의 색상 순도 또는 강렬함을 나타내는 특성.
광원에서 나오는 빛의 혼합 정도에 따라 달라지며,
순수하고 선명한 색상일수록 채도가 높다.
채도가 낮을수록 색은 탁하거나 회색빛(중성적인 색)을 띠며,
이는 색이 더 많이 희석되었음을 의미한다.
5 . 광 원
(Light Source)
빛을 발생시키는 근원으로, 여기서는 백색 광원으로 정의된다.
백색 광원은 여러 파장의 빛이 결합되어 만들어지며, 다양한 색의 빛을 포함한다.
또한, 광원은 가시광선 영역의 전자기파를 방출하여
우리가 빛을 인식할 수 있도록 한다.
① 자연 광원 (Natural Light Source)
태양, 별, 번개 등 자연에서 발생하는 빛.
태양광은 가장 대표적인 자연 광원으로,
가시광선 외에도 자외선(UV)과 적외선(IR)이 포함된다.
② 인공 광원 (Artificial Light Source)
인공적으로 만들어낸 빛으로,
전기나 화학 반응에 의해 발생하는 광원.
전구, LED, 형광등 등이 대표적인 인공 광원이다.
자연 광원은 폭넓은 파장을 방출하며,
인공 광원은 가시광선에 초점을 맞추어 설계될 수 있다.
6 . 우 월 주 파 수
(Dominant Frequency)
우리의 눈이 가장 뚜렷하게 인식하는 특정 색상의 빛의 주파수.
사람의 눈은 특정 주파수의 빛에 민감하게 반응하며,
이는 해당 빛의 주파수나 파장이 크다는 것을 의미한다.
가산 색 모델의 기본 색상은 우월주파수의 예에 해당된다고 볼 수 있다.
색은 다양한 파장의 빛이 혼합된 상태로 존재하며,
그중 특정 주파수가 색의 핵심적인 특성을 결정한다.
특정 파장이 더 강하게 반사되거나 흡수되면,
그 파장이 우세한 색으로 나타나 더 뚜렷하게 인식된다.
① 화이트 라이트 (White Light)
두 가지 이상의 색상이 혼합될 때,
색이 고르게 섞이면 하얀색 이 생성된다.
② 가산 혼합 (Additive Color Mixing)
빛의 색상은 기본적으로 세 가지 색상을 혼합하여 만들어진다.
이 세 색상은 가산 색 모델 ( R G B 모델) 에서 사용되는 기본 색상이다.
02 색의 인식 과정
빛은 일정한 방향성을 가지고 물체를 비추며,
빛이 물체에 입사되면 일부는 흡수되고, 일부는 반사된다.
이 반사된 빛이 인간의 눈에 들어오면, 사물을 인지하게 된다.
다음은 사람이 빛을 인지하는 과정이다:
빛이 물체에 닿으면 일부는 흡수되고, 나머지는 반사된다.
반사된 빛이 인간의 눈으로 들어오면서 시각적 인식이 시작된다.
1 . 빛의 입사
먼저, 외부에서 들어온 빛은 돔 형태의 투명한 조직인
각막을 통과하여 눈으로 들어간다.
각막은 빛을 굴절시켜 망막까지 전달되는 경로를 조절하는 역할을 한다.
2 . 빛의 양 조절
빛이 각막을 통과한 후, 눈의 중앙에 있는 동공으로 들어간다.
동공은 홍채라는 근육층에 의해 둘러싸여 있으며, 빛의 양을 조절하는 역할을 한다.
밝은 곳에서는 홍채가 수축하여 동공이 작아지고,
어두운 곳에서는 홍채가 이완하여 동공이 커진다.
이를 통해 눈으로 들어오는 빛의 양을 자동으로 조절한다.
3 . 빛의 굴절
동공을 통과한 빛은 수정체를 지나면서 굴절된다.
수정체는 가변적인 굴절력을 가진 투명한 구조물로,
빛을 굴절시켜 망막에 정확한 초점을 맺도록 조절하는 역할을 한다.
멀리 있는 물체를 볼 때는 수정체가 얇아지고,
가까운 물체를 볼 때는 수정체가 두꺼워지며, 빛의 경로를 조절한다.
이 과정은 수정체 조절(Accommodation)이라고 하며, 수정체를 둘러싼
모양체근(Ciliary Muscle)이 수정체의 형태를 변화시켜 선명한 상을 맺도록 돕는다.
4 . 빛의 감지
수정체를 통과한 빛은 눈의 뒤쪽에 위치한 망막에 도달한다.
망막은 빛을 감지하는 광수용체 세포들이 밀집된 얇은 층으로 구성되며,
세로 형태로 배열된 두 종류의 광수용체가 존재한다.
5 . 막대세포 (간상세포)
어두운 환경에서 빛을 감지하며,
주로 명암 과 형태 를 구분하는 역할을 한다.
6 . 원추세포
밝은 환경에서 작동하며, 색 을 감지하는 역할을 한다.
R G B 에 반응하는 세 가지 종류의 세포가 존재한다.
7 . 신호의 전환
망막의 광수용체 세포는 빛을 감지하면,
막대 세포와 원추 세포에서 화학 반응이 일어나며 전기 신호가 생성된다.
이 신호는 망막에 있는 시신경절 세포(Ganglion Cells)를 통해 수집되어,
시신경(Optic Nerve)을 통해 뇌로 전달된다.
8 . 시각 정보 해석
전기 신호가 시신경을 통해 전달되면, 이 신호는 뇌의 후두엽에 있는
시각 피질(Visual Cortex)로 전달되어 분석하고 처리되며,
우리가 인식하는 이미지로 변환한다.
색, 모양, 크기, 깊이, 움직임 등의 정보를 종합하여,
최종적으로 우리가 보는 시각적 정보를 만들어 내는 것이다.
9 . 색의 인식 과정
위 과정에서 물체가 흡수하는 빛의 파장과
반사하는 파장이 달라 우리는 물체의 색을 다르게 느끼게 된다.
예를 들어, 빨간색 물체는 대부분의 파장을 흡수하고,
빨간색에 해당하는 특정 파장만을 반사하므로, 우리 눈에 빨간색으로 보이게 된다.
03 기본색
1 . 보색 관계
(Complementary Colors)
두 색을 혼합했을 때 흰색 (빛의 경우)
또는 회색(색료의 경우)이 되는 색 조합을 의미한다.
2 . 색의 물리적 특성
빛의 파장은 연속적이며,
특정한 "기본색"이 정해져 있는 것은 아니다.
예를 들어, 주황색 빛은 특정한 파장을 가지지만,
적색과 황색 빛을 혼합하여 주황색을 만들 수도 있다.
따라서, 모든 색은 특정한 주파수에 대응하지만,
색을 형성하는 데 기본색이 필수적인 것은 아니다.
빛의 색은 다양한 파장들의 혼합에 의해 만들어지며,
이를 통해 무수히 많은 색이 생성될 수 있다.
3 . 인간의 시각 시스템
인간의 눈에는 빨강, 초록, 파랑 빛을 감지할 수 있는
세 가지 원추세포가 존재한다.
이 세 가지 색에 가장 민감하게 반응한다.
이 원추세포들의 반응 특성을 바탕으로 색을 인식하는 방식이 결정되며,
RGB 색 모델은 인간 시각 시스템에 맞춰 채택된 기본 색 모델이다.
따라서, 인간의 시각 시스템에서 RGB는 기본 색으로 작용하며,
이들 색을 혼합하여 다양한 색을 인식할 수 있다.
04 HSV 색상 모델
색상, 채도, 명도의 3가지 요소로
색을 인간이 이해하기 쉬운 방식으로 표현하는 모델.
그래픽 디자이너나 사진 편집자가
색상 조정을 할 때 자주 사용되는 방식이다.
RGB는 색을 기술적으로 표현하는 반면,
HSV는 색의 느낌과 감각에 더 직관적이다.
1 . 색상 (Hue)
색상의 종류를 나타내는 값으로 0° ~ 360°의 범위를 가진다.
2 . 채도 (Saturation)
색의 순도를 나타내며 0% ~ 100% 범위를 가진다.
값이 0%이면 회색(무채색)이 되고,
100%이면 원래 색의 가장 선명한 버전이 된다.
3 . 명도 (Value)
색의 밝기를 나타내며 0% ~ 100% 범위를 가진다.
값이 0%이면 검은색, 100%이면 원래 색의 가장 밝은 버전이 된다.
4 . HLS
(Hue, Lightness, Saturation)
위 모델을 이용해서 색상을 약간 조정하는 경우도 많다.
특히, 디자인, UI, 영상 편집 등에서 색의 느낌을 미세하게 변경할 때 활용할 수 있다.
가시광선의 모든 색이 하나의 기본색만으로
완벽하게 조합될 수 있는 것은 아니다.
1 . 색과 주파수의 관계
가시광선의 각 색상은
특정한 주파수(또는 파장) 범위에 해당한다.
색을 혼합하면 물리적으로 새로운 주파수의 빛이 생성되는 것이 아니라,
우리의 눈과 뇌가 이를 새로운 색으로 인식하는 것이다.
2 . 스펙트럼 색과 혼합색의 차이
가시광선 스펙트럼에는 순수한 단일 파장의 색으로
프리즘을 통해 나오는 무지개 색이 있다.
RGB와 같은 기본색은 광원 색을 섞어서 다양한 색을 만들지만,
특정한 단일 파장 색을 정확히 재현하지는 못한다.
3 . 감지 방식의 한계
인간의 눈에는 원추세포가 RGB 색에 반응하지만,
이는 모든 단일 파장 빛을 완벽하게 조합하는 방식이 아니다.
예를 들어, RGB 혼합으로 보라색을 만들 수 있지만,
스펙트럼에서 보라색에 해당하는 특정 파장의 빛과 완전히 동일한 것은 아니다.
4 . 인쇄 및 물감 색상도의 한계
잉크나 물감의 경우, CMY 색을 조합하여 다양한 색을 만들지만,
완벽하게 모든 가시광선을 표현할 수는 없다.
일부 색(특정한 녹색 계열 등)은 추가적인 색소가 필요하다.
<광원과 관련된 이야기>
빛, 즉 광원은 항상 일정한 속도로 이동하는데,
이 속도는 진공에서 초당 약 299,792,458m, 즉 빛의 속도이다.
물리학적으로 빛의 속도는 우리가 알고 있는 우주에서 가장 빠른 속도이며,
이 속도보다 더 빠른 물질은 현재까지 발견되지 않았다.
그렇다면, 만약 우리가 빛보다 빠르게 이동할 수 있다면 어떻게 되는가?
1 . 과거의 개념
빛은 물체에서 방출되면,
그 빛이 우리의 눈에 도달하는 데는 일정한 시간이 소요된다.
예를 들어, 태양에서 방출된 빛이 지구에 도달하는 데 약 8분 20초가 걸린다.
그래서 우리는 태양의 '현재'를 보는 것이 아니라,
약 8분 20초 전에 태양이 방출한 빛을 보고 있는 것이다.
만약 우리가 빛보다 더 빠르게 이동할 수 있다면,
그 빛보다 앞서서 그 빛이 방출된 과거를 '다시' 볼 수 있다는 상상력이 나온다.
예를 들어, 어떤 별에서 방출된 빛보다 더 빠르게 그 별을 향해 움직인다면,
그 별이 과거에 방출한 빛을 보면서 그 별의 과거 모습을 보는 셈이다.
2 . 타임머신
이론적으로 빛보다 빠르게 이동하는 방법이 존재한다면,
우리는 과거로 가거나, 적어도 과거의 모습을 볼 수 있다는 상상이 가능하다.
타임머신이라는 개념은 이러한 물리적 상상을 기반으로 하지만,
현재까지는 우리가 알고 있는 어떠한 물질도 빛의 속도를 초과할 수 없으므로,
타임머신은 실현되지 못하고 있다.
아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따르면, 물질이 빛의 속도에 가까워질수록
그 질량이 무한히 커지기 때문에 빛의 속도를 넘는 것은 불가능하다고 여겨진다.
교제: OpenGL로 배우는 3차원 컴퓨터 그래픽스(p.66)
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