색 지각에서 색 측정으로

색을 측정할 수 있다는 것이 다소 이상하다고 생각해 본 적이 있습니까? 왜냐하면 색상은 지각(perception)이기 때문입니다. 색상은 본질적으로 물리적 양이 아니므로 우리가 색상을 측정할 수 있다는 것은 당연한 일이 아닙니다. 우리는 눈에 들어오는 스펙트럼을 측정할 수 있으며, 이는 우리가 보는 색상의 주요 요소입니다. 그러나 스펙트럼 자체가 색상은 아닙니다. 스펙트럼 자극과 우리의 눈이 작동하는 방식, 그리고 최종적으로 뇌에서 이루어지는 처리 과정이 결합되어 우리가 색을 인식하게 됩니다. 또한, 다른 사람이 특정 색상을 어떻게 보는지 직접적으로 결론지을 수 없으며, 우리는 단지 자신이 색을 어떻게 보는지만 알 수 있습니다. 따라서 색상을 정량적으로 설명하기 위해 시스템이 개발되었습니다. 이 시스템은 우리가 두 가지 색상이 동일하게 보인다고 판단할 수 있다는 사실을 활용하여 색상 일치 함수(Color-Matching Functions, CMF)로 이어집니다. 색상 일치 함수는 인간 관찰자의 색 지각을 설명하며 표준화될 수 있습니다. CMF는 인간의 색각을 수학적으로 표현한 것이며, 이를 통해 색상 값을 계산하고 비교할 수 있습니다.

색상 일치 함수의 역사는 1929년과 1931년으로 거슬러 올라갑니다. 두 명의 색 과학자인 Wright와 Guild는 두 가지 심리 실험을 수행했습니다. 실험에서는 세 개의 색광을 혼합하여 옆에 표시된 시험 자극(색상)과 일치하도록 조정해야 했습니다. 이 과정은 다양한 시험 자극/색상에 대해 반복되었습니다(아래 그림 참조). 이 실험의 기본 개념은 세 개의 잘 정의된 광원을 사용하면 이 광원의 강도 비율이 특정 색상을 설명할 수 있다는 것입니다. 이 기사에서는 이러한 광원의 특성과 선택 이유를 다루지는 않겠지만, 더 깊이 있는 내용을 알고 싶다면 기사 말미에 몇 가지 흥미로운 자료를 링크해 두었습니다.

이 실험에서 세 개의 광원만으로도 충분히 실험을 수행할 수 있다는 사실은 매우 중요합니다. 이는 인간의 눈에 있는 원추세포(cones)가 세 개의 특정 파장 영역에 민감하기 때문입니다. 또한, 서로 다른 세 개의 기본 광원을 사용하여 색상 일치 실험을 성공적으로 수행할 수 있다는 것도 중요한 정보였습니다. 두 세트의 기본 광원(primary light sources)이 알려져 있으면 한 세트의 광원으로 얻은 비율 값을 사용했던 세개의 광원 비율로 변환하는 것도 가능합니다 - 이제 우리는 이것을 정확한 이름으로 부를 수 있습니다, 바로 삼자극치(color tristimulus values)입니다. 이는 센티미터에서 인치로 변환하는 것과 비슷하다고 생각할 수 있습니다. 다만, 삼자극 값에는 단위가 없는데, 이는 그 값이 비율이기 때문입니다. 그러나 삼자극 값이 어떤 기본 광원 세트에서 나온 것인지 아는 것이 중요합니다. 이 부분에 대해서는 잠시 후에 다시 다뤄보도록 하겠습니다.

시야각이 우리가 보는 색상에 미치는 영향

그러기 전에, 인간의 망막(retina)에 대해 살펴보겠습니다. 인간의 눈에는 색각을 담당하는 세 가지 유형의 원추세포가 있습니다. 그 타입들은 :

• S-원추세포(단파장 원추세포): 파란색~보라색 영역의 단파장 빛에 가장 민감함
• M-원추세포(중파장 원추세포): 녹색~노란색 영역의 중파장 빛에 가장 민감함
• L-원추세포(장파장 원추세포): 빨간색~주황색 영역의 장파장 빛에 가장 민감함

아래 그림은 망막 중심부인 황반(fovea)에서 원추세포가 어떻게 분포하는지를 보여줍니다. 이 영역에서만 우리는 세부 사항을 명확하게 보고 색상을 구별할 수 있습니다.

이 세 가지 원추세포는 황반 내에서 균일하게 분포하지 않습니다. 황반의 중심부에는 M-원추세포와 L-원추세포만 존재하며, 바깥쪽으로 갈수록 S-원추세포의 밀도가 증가합니다. 이러한 해부학적 구조로 인해 우리는 시야에 따라 색상을 다르게 인식합니다. 따라서 색상 일치 실험을 수행할 때 시야각(viewing angle)을 고려하는 것이 매우 중요합니다. 1931년 CIE(국제조명위원회)는 2° 표준 관찰자(color-matching functions for the 2° standard observer)를 위한 색상 일치 함수를 발표했습니다.

색상 일치 함수는 인간이 색을 어떻게 인식하는지를 정량적으로 표현하는 데 필수적인 도구입니다. 이 함수들은 눈이 다양한 파장의 빛에 어떻게 반응하는지를 설명합니다. 색상 일치 함수는 다양한 응용 분야에서 측정 기반의 정확한 색상 재현을 위해 필요합니다.

이러한 함수들을 이용하면 어떤 주어진 스펙트럼에 대해서도 삼자극 색상 값(X, Y, Z)을 계산할 수 있습니다. Admesy Prometheus 소프트웨어 제품군은 Prometheus Viewfinder 분광계를 사용한 스펙트럼 측정을 위해 이 방식을 적용합니다. 다른 방법으로는 CIE 1931 2° CMF를 구현한 세 개 또는 네 개의 필터를 사용하는 색차계를 이용하여 삼자극 색상 값을 직접 측정할 수도 있습니다. Admesy Prometheus 색차계는 이 방식을 따릅니다.

분광계를 사용하면 다양한 시청 조건(다른 시야각 크기)에 대해 색상 삼자극 값을 계산할 수 있는 이점이 있습니다. 반면, 색차계는 측정 속도가 더 빠르다는 장점이 있습니다. 이는 빛 에너지가 여러 개의 채널이 아닌 단 세 개의 채널로 분배되기 때문입니다.

요약 — 색 일치 함수(Color-Matching Functions, CMF)는 인간의 색상 시각을 설명하는 기초

여러 색 일치 함수(CMFs)가 개발된 이유를 설명하기 전에, 지금까지 배운 내용을 요약하고 확장해 보겠습니다.

• 색 일치 실험(color-matching experiment)을 통해 인간의 색상 시각을 정량화할 수 있으며, 이를 기반으로 측정 장비를 통해 색상을 측정할 수 있습니다.
• 색 일치 실험에 사용되는 원색(primary colors) 세트는 명확하게 정의되고 보고되어야 하며, 색상 값을 비교할 수 있도록 표준화됩니다.
• CIE 1931 2° 표준 관찰자(CIE 1931 2° Standard Observer) CMFs 를 정의하는 데 사용된 원색 세트는 물리적 원색 세트에서 계산된 가상 원색(virtual primaries)입니다. 이는 1931년 당시 계산 도구 없이도 계산을 용이하게 하기 위한 실용적인 이유 때문이었습니다.
• 색상 일치 실험의 관측 조건은 반드시 보고되어야 합니다. 이 실험의 주요 매개 변수 중 하나는 테스트 자극 색상이 평가되는 시야각(필드 크기) 입니다.

시야각 외에도 시각적 색상 일치가 이루어지는 시점에 영향을 미치는 추가적인 요소들이 존재하는데, 이는 우리 뇌에서 발생하는 복잡한 "이미지 처리" 과정 때문입니다. 인간의 시각에서 주요한 요소 중 하나는 현재의 조명에 적응하여 물체의 색상 외관을 유지할 수 있도록 해주는 적응 상태(adaptation state)입니다. 디스플레이 애플리케이션의 경우, 종종 혼합 적응 상태(mixed adaptation state)에 있게 되는데, 이를 완전히 특정하기는 어렵습니다. 또 다른 요소로는 절대 휘도 수준(absolute luminance level)이 있는데, 이는 우리가 인식하는 밝기와 상관관계를 가집니다. 또한, 제시된 색 자극의 주변 환경과 배경도 색상 인식에 영향을 미칩니다. 색 패치의 주변 환경이 색상 인식에 미치는 영향을 보여주는 대표적인 예가 동시 대비(simultaneous contrast)입니다. 이는 동일한 스펙트럼 자극이라도 주변 색상에 따라 다소 다른 색상으로 인식될 수 있음을 의미합니다.

그러므로 엄격한 의미에서 볼 때, 어떤 색상의 삼자극값(tristimulus value)은 특정한 시청 조건(viewing condition)에서만 유효합니다. 다른 시청 조건에서는 시각적 색상 일치(visual color-match)를 기술하기 위해 또 다른 삼자극값 세트가 필요하게 됩니다. 가능한 시청 조건의 수가 무한하므로, 이는 무한한 수의 색상 일치 함수(color-matching function, CMF)가 필요함을 의미합니다. 그러나 이는 현실적으로 불가능합니다. 또한, 서로 다른 시청 조건에서의 색상 값을 직접 비교할 수 없게 된다는 의미이기도 합니다. 다행히도, 시청 조건의 차이가 항상 극적인 색상 차이를 초래하는 것은 아닙니다. 따라서 대부분의 실용적인 애플리케이션에서는 CIE 1931 2° 표준 관찰자(observer)를 기준으로 한 삼자극값을 사용하는 것이 적절한 근사치로 간주될 수 있습니다. 하지만 앞서 언급한 이유로 인해, 동일한 XYZ 삼자극값을 기준으로 측정 및 조정된 두 개의 디스플레이라도 실제로는 서로 다르게 보일 수 있음을 인지해야 합니다. 대부분의 경우 이러한 차이는 상대적으로 작겠지만, 특정한 경우에는 시각적 차이가 더욱 커질 수 있습니다. 이러한 시각적 색상 차이를 초래하는 두 가지 주요 요인은 앞서 논의한 시야각과 관찰자 간 색각 차이(observer metamerism)입니다.

관찰자 메타머리즘(observer metamerism)이란 동일한 시청 조건에서 두 개의 균일한 색상 패치가 서로 다른 두 개의 화면에 표시될 때, 한 명의 관찰자에게는 동일해 보이지만 다른 관찰자에게는 다르게 보이는 현상을 의미합니다. 이는 개인마다 고유한 색상 일치 함수(color-matching function, CMF)의 차이로 인해 발생합니다.

CIE 1931 2°, CIE 1964 10°, 그리고 CIE 170-2:2015 2° 및 10° 표준 관찰자에 대한 논의

앞서 설명했듯이, **시야각(viewing angle)**은 우리가 보는 색상에 영향을 미칩니다. 실용적인 애플리케이션에서는 색상 일치 함수를 통해 두 가지 다른 시야각을 설명하는 것으로 충분합니다. CIE는 CIE 1931 2° 표준 관찰자(standard observer) 외에도, 1964년에 **10° 시야각(viewing angle)**에서의 색상 인식을 기술하는 CIE 1964 10° 표준 관찰자를 도입하였습니다.

2° 및 10° 관찰자

상대적으로 작은 색상 세부 요소를 평가하는 모든 애플리케이션에서는 **2° 관찰자(observer)**를 사용할 수 있으며, 이는 최대 4°의 시야각까지 적용 가능합니다. 대략적인 기준으로, 팔을 뻗었을 때 엄지손가락의 너비가 약 2° 시야각에 해당합니다.

시야각이 4°를 초과할 경우, 시각적 색상 차이를 보다 정확하게 반영하기 위해 추가적인 관찰자(observer)와 색상 일치 함수(color-matching function, CMF) 세트가 필요합니다. CIE 1964 10° 표준 관찰자는 이러한 시청 조건을 표준화한 것입니다. 그렇다면, 디스플레이 애플리케이션에서 어떤 표준 관찰자를 선택하는 것이 좋을까요? 논리적으로 생각하면, 대부분의 경우 디스플레이는 4° 이상의 시야각에서 시청되므로 10° 관찰자가 더 적합할 것이라고 판단할 수도 있습니다. 하지만, 색상 자극(color stimuli)의 시야각이 결정적이라는 점을 기억해야 합니다. 예를 들어, 세부적인 요소가 포함된 사진을 볼 때는 2° 관찰자가 더 적합할 수 있습니다. 이러한 이유로 국제 디스플레이 계측 위원회(ICDM, International Committee for Display Metrology)는 디스플레이 계측의 모든 기준을 CIE 1931 2° 색상 일치 함수에 기반을 두고 있습니다. 이는 SID(정보 디스플레이 학회, Society for Information Display)의 정의 및 표준 위원회의 일부이며, 해당 내용은 [Chapter 21.2.2, IDMS version 1.2]에 명시되어 있습니다.

두 개의 디스플레이가 동일한 XYZ 삼자극값(tristimulus values)으로 보정(calibration)된 후 시각적으로 비교될 때, 일반적으로 전체 화면이 흰색으로 표시된 상태에서 비교가 이루어집니다.이 경우, CIE 1964 10° 관찰자를 기반으로 한 보정이 더 나은 시각적 일치를 제공할 수 있습니다. 하지만, 이는 CIE 1964 10° 관찰자가 CIE 1931 2° 관찰자보다 "더 우수하다"는 의미는 아닙니다.이 두 가지 표준 관찰자는 서로 다른 목적과 사용 사례를 위해 존재하는 것일 뿐입니다. 따라서, "10° 관찰자가 2° 관찰자보다 우수하다"고 주장하는 것은 잘못된 것입니다. 10° 관찰자는 2° 관찰자보다 새로운 모델이며, 몇년간 측정 기술이 향상되긴 했지만, 향상된 측정 기법의 주요 변화는 10° CMF가 더 넓은 시야각 조건을 설명한다는 점입니다.

CIE 1931 관찰자가 단파장(short wavelength) 영역에서 문제를 가진다는 점은 잘 알려져 있습니다. 하지만, 기존 표준을 변경하려면 그 변화가 매우 중요하고 실질적인 개선을 제공해야 합니다. 그렇지 않다면, 새로운 표준을 도입했을 때 발생하는 단점이 이점을 초과할 수 있습니다. 새로운 표준을 도입하는 데에는 기존 장비의 업데이트 및 교체 비용과 같은 막대한 비용이 수반될 수 있습니다. 뿐만 아니라, 기존 데이터와 새로운 데이터를 직접 비교할 수 없게 되는 문제도 발생할 수 있습니다. 이러한 이유로 CIE는 1964년에 2° 관찰자를 변경하지 않기로 결정했습니다. 기존 데이터가 실질적인 표준 변경을 정당화할 만큼 충분하지 않다고 판단되었기 때문입니다.

CIE 170 색상 일치 함수 및 관찰자 메타머리즘(observer metamerism)

지금까지의 색채학 역사에서, 표준 관찰자(standard observer)는 평균적인 관찰자의 색상 인식을 설명할 수 있지만, 개별 관찰자의 차이를 반영하지는 못한다는 점을 이해할 수 있습니다. 사람마다 키, 체중, 신체적 특징이 다르듯이, 눈의 광학적 특성(optical properties) 또한 개체마다 다를 수 있습니다. 이러한 광학적 특성은 시야 크기뿐만 아니라 연령에 따라서도 달라집니다. 동일한 연령 그룹에서도, 수정체(lens)와 황반 색소(macular pigment)의 광학적 밀도(optical density)가 다를 수 있습니다. (황반(macula)의 일부가 중심와(fovea)이며, 이는 망막(retina)의 중심부입니다.) 특정 애플리케이션에서는 이러한 관찰자 메타머리즘(observer metamerism)이 문제를 유발할 수 있으며, 이에 대한 연구는 현재도 계속 진행되고 있습니다.

시각 연구자들은 기본 연구를 위한 공통 기반으로서 향상된 색채학적(colorimetric) 관찰자의 필요성을 느꼈습니다. 2006년, CIE는 기술 보고서 170의 1부를 발표하였고, 2015년에는 2부를 발표했습니다. 이 보고서는 세 가지 원추세포 유형의 분광 감도(spectral sensitivities)에 대한 현대적인 최상의 추정치를 소개합니다. 이는 원추세포(cone)가 빛에 처음 반응하는 방식을 설명하며, 주어진 분광 전력 분포(spectral power distribution, SPD)에서 색상 자극(color stimulus)을 정확하게 지정하기 위해 정밀하게 파악되어야 합니다.

기술 보고서의 첫 번째 부분인 CIE 170-1에서는 2° 및 10° 수정된 CIE 색채학적 관찰자(Modified CIE Colorimetric Observer)를 정의하고, 1°에서 10° 사이의 시야각(field of view)에 대해 연령 그룹별 원추세포의 분광 감도(cone fundamentals)를 계산하는 방법을 설명합니다. 원추세포 기본값(cone fundamentals)은 10° 시야각에서 실험적으로 수집된 색상 일치 함수(color-matching functions) 세트를 기반으로 도출되었습니다.

기술 보고서의 두 번째 부분인 CIE 170-2에서는 원추세포의 반응(cone response)에 직접 기반한 색상 일치 함수(color-matching functions)를 정의하여 새로운 색상 지정(color specification) 접근 방식을 확립하였습니다. CIE 170-2:2015 원추세포 기본값 기반 CMFs는 평균적인 관찰자를 나타내며, 기존의 표준 색채학적 관찰자들을 보완합니다. CIE 170은 기술 보고서로서 현재 기술 수준을 설명하는 자료이며, CIE 회원 및 기타 관련 연구자들이 활용할 수 있도록 설계되었습니다. 그러나 CIE 170은 기존의 두 표준 색채학적 관찰자인 CIE 1931 및 CIE 1964를 대체하기 위한 것이 아닙니다. CIE 170-2의 목표는 생리학(physiology)과 색채학(colorimetry) 간의 연결을 구축하는 것입니다. 이러한 현대적인 CIE 접근 방식은 색상에 대한 이해를 향상시키고, 교육 목적으로 활용되며, 색상 측정(color measurement)의 문제를 해결할 수 있는 새로운 기회를 제공하기 위한 것입니다.

어떤 애플리케이션에서 어떤 색상 일치 함수(color-matching functions)를 사용할지 선택할 때 고려해야 할 사항

CIE 170-2:2015의 2° 및 10° 관찰자(observer)는 기존의 CIE 1931 2° 및 CIE 1964 10° 관찰자를 보완합니다. 평균적인 관찰자(average observer)에 대한 색상 일치를 개선하기 위해 제안된 다른 관찰자 모델들도 존재합니다. 측정의 목적과 실제 애플리케이션에 따라, 주요 기준에 가장 적합한 관찰자를 선택할 수 있습니다.

표준 준수(Compliance to a standard)

디스플레이 업계에서는 품질 관리 목적으로 색상 일치 함수를 활용합니다. 확립된 색상 일치 함수에 따라 색상이 정확하게 재현되도록 보장함으로써, 기업은 일관성을 유지하고, 측정 결과를 비교하며, 품질 표준을 충족할 수 있습니다.

CIE 1931 2° 및 CIE 1964 10° 표준 관찰자는 색채 과학(color science) 분야의 연구 및 애플리케이션에서 일관성을 유지할 수 있도록 합니다. 이러한 표준화된 색상 일치 함수는 색상 계산, 색 공간 정의, 색상 관련 연구를 위한 공통 기준(reference point)

2° vs 10° 관찰자

10° 관찰자가 2° 관찰자보다 본질적으로 더 우수하거나, 반대로 2° 관찰자가 더 낫다고 할 수는 없습니다. 이론적으로는 관찰자를 시야각(viewing angle) 조건에 맞춰 선택하는 것이 이상적입니다. 이러한 이유로 CIE 170-1에서는 1°에서 10°까지의 관찰자를 모델링하는 접근 방식을 도입했습니다. 그러나 실용성 부족으로 인해 "모든 가능한 시야각"에 대해 개별 관찰자를 사용하는 것은 일반적으로 불가능합니다. 설령 1°에서 10°까지의 시야각을 설명하기 위해 10개의 관찰자 세트를 사용한다고 해도, 연령에 따른 차이와 개별적인 눈의 광학적 차이를 모두 반영할 수는 없습니다.

결국, 많은 애플리케이션에서 다양한 시야각이 경험될 것입니다. 예를 들어, TV 화면에 표시되는 콘텐츠는 때때로 작은 색상 디테일(예: 나뭇잎과 나뭇가지)을 보여줄 수도 있고, 다른 경우에는 더 넓은 색상 영역(예: 넓은 푸른 하늘)을 표시할 수도 있습니다. 따라서 가장 일반적이거나 중요한 시야각이 무엇인지 정의해야 합니다. 디스플레이 애플리케이션의 경우, 일반적으로 더 작은 시야각이 주요하게 작용하므로 2° 관찰자가 선택되는 경우가 많습니다. 반면에, 자동차 도장이나 주택 외장 도색과 같은 애플리케이션에서는 10° 관찰자가 더 적합할 것입니다.

이제 시야각에 적합한 관찰자를 선택하는 것이 얼마나 중요한지를 설명하기 위해, 2015년 Yuta Asano가 수행한 색상 일치(color-matching) 실험의 테스트 데이터를 살펴보겠습니다. 이 데이터 세트는 8.5°의 시야각에서 수행된 색상 일치 실험으로부터 도출된 것으로, 사실상 10°와 매우 가깝습니다. 아래 그래프는 5가지 테스트 색상을 나타냅니다. 각 서브플롯(subplot)은 CIE ab 평면을 보여주며, a* 축은 빨강-초록(red-green) 축을, b* 축은 노랑-파랑(yellow-blue) 축을 의미합니다. 플롯 내 각 회색 원(gray circle)은 한 명의 실험 참가자가 특정 테스트 색상을 어떻게 인식했는지를 나타냅니다. 빨간색 ×(red cross)는 모든 참가자를 의미합니다. 검은색 ×(black cross)는 CIE 1964 10° 관찰자가 본 테스트 색상을 의미하고, 녹색 ×(green cross)는 CIE 1931 2° 관찰자가 본 테스트 색상을 의미합니다.

우선, 평균 관찰자 값(빨간색 ×)이 CIE 1964 10° 관찰자(검은색 ×)와 매우 가깝다는 점을 확인할 수 있습니다. 이는 예상된 결과이며, CIE 1964 10° 관찰자가 실제로 약 10°의 넓은 시야각에서 평균적인 관찰자의 색각(color perception)을 잘 설명한다는 것을 의미합니다.

두 번째로, CIE 1931 2° 관찰자는 CIE 1964 10° 관찰자와 상당히 거리가 있습니다. 만약 두 관찰자가 유사한 결과를 보였다면, 작은 시야각과 큰 시야각을 구분하여 별도의 관찰자를 정의할 필요가 없었을 것입니다. 따라서, 특정 시야각에 적절한 관찰자를 선택하는 것이 매우 중요하다는 점이 분명해집니다.

마지막으로, 테스트 참가자들 간의 상당한 색각 차이를 확인할 수 있습니다. 5가지 테스트 색상 중 3가지에서 참가자들 간의 편차가 매우 큽니다. 이는 단일 색상 일치 함수(color-matching function)만으로 모든 개별 관찰자의 색각을 정확하게 설명할 수 없음을 보여줍니다. 즉, 색상적으로 동일하게 설정된 디스플레이라도 모든 사람이 동일한 색으로 인식하는 것은 아니라는 뜻입니다. 두 개의 디스플레이가 동일한 목표 값으로 보정되었다 하더라도, 한 사람이 **"이 두 화면은 색이 다르게 보인다"**고 판단할 수도 있습니다. 그 이유는, 해당 관찰자가 표준 관찰자(standard observer)와 얼마나 유사한지, 혹은 얼마나 차이가 있는지를 알 수 없기 때문입니다.

CIE 170 관찰자(CIE 170 Observer)

CIE 170-1:2015 관찰자

CIE 170은 일반적인(normal) 관찰자를 위한 색상 일치 함수(color-matching functions) 세트를 도입하고 원추 세포(cone fundamentals)의 추정치를 정의합니다. 이 모델은 1°에서 10°까지의 시야각을 포함합니다.

CIE 170 introduces a set of color-matching functions and estimates of cone fundamentals for the normal observer, ranging in viewing angle from 1° to 10°.

눈의 광학적 흡수(absorption)에 영향을 미치는 연령 효과(age effects)를 추가로 고려할 수도 있습니다.
연령이 색각에 미치는 영향이 얼마나 큰지 알아보기 위해 앞서 살펴본 동일한 색상 일치 실험을 다시 분석하되,이번에는 참가자들의 연령을 시각화 하기 위해 데이터를 색상 코딩(color-coded)해 보겠습니다.

테스트 참가자들의 연령은 대부분 순서대로 배열되어 있으며, 큰 변동이 없습니다. 이는 관찰자의 연령이 색상 시각에 미치는 중요한 영향을 보여줍니다.

다양히 모델링된 CIE 170-1 관찰자를 사용하는 것은 특히 색채 연구 분야에서 흥미로운 선택지가 될 수 있지만, 산업 애플리케이션에서는 대개 하나의 특정(표준) 관찰자를 결정해야 하므로 실용적이지 않습니다.

CIE 170-2:2015 관찰자

여기서 CIE 170-2 관찰자가 본격적으로 적용됩니다. CIE 170-1 관찰자와 마찬가지로, 이 관찰자들은 원추세포 기초(cone-fundamentals)를 기반으로 하며, 최신 데이터와 색채 연구 결과를 반영합니다. 이들은 평균적으로 38세의 관찰자를 나타내며, 2° 및 10° 관찰자 형태로 제공됩니다. 위에서 설명한 2° 또는 10° 관찰자를 선택할 애플리케이션에 대한 고려 사항은 여기에도 동일하게 적용됩니다.

CIE 170-2 관찰자를 사용하는 것은 CIE 1931 관찰자에 대한 흥미로운 대안이 될 수 있습니다. 일부 회사들은 이미 최근 몇 년간 CIE 170-2:2015 2° 관찰자를 사용해 왔습니다. CIE 170-2 관찰자를 사용하려 할 때는 지금까지 모든 디스플레이 표준화가 CIE 1931 2° 관찰자를 기준으로 이루어져 왔다는 점을 유념해야 합니다. 이는 CIE 170-2 관찰자로 변경할 경우, 예를 들어 화이트 포인트(white point)와 같은 새로운 목표값(target values)을 정의해야 함을 의미합니다. 또한, 이는 CIE 1931 표준으로 보정된 디스플레이와 비교할 때 외관이 달라질 것임을 의미합니다. 물론 이는 평균 관찰자에게 더 나은 시각적 일치를 얻기 위한 전제 조건입니다. 그러나 CIE 170-2 관찰자를 사용한다고 해서 관찰자 메타머리즘(observer metamerism)이 해결되는 것은 아닙니다. 요약에서는 이 문제를 해결할 수 있는 옵션들을 개괄할 것입니다.

기타 관찰자들

CIE 170 외에도 향상된 색상 일치 함수를 위한 다른 제안들이 존재합니다. 한 예로, Saski Polster가 제안한 관찰자 모델이 있습니다. 그녀의 논문에서는 CIE 170 색상 일치 함수가 CIE 1931 및 CIE 1964에 비해 시각적 일치를 개선한다는 것을 보여주었으나, 여전히 개선의 여지가 있을 수 있다고 제시했습니다. 그녀는 CIE 170의 원추세포 기초(cone-fundamentals)를 기반으로 수정된 2° 및 10° 색상 일치 함수 세트를 제안하였으며, 그녀의 실험 데이터 세트에서는 이것이 시각적 일치를 더욱 개선시켰습니다.

요약 및 실용적 측정 구현

우리는 색채 과학이 많은 발전을 이루었으며, 인간 시각의 작동 원리에 대해 잘 이해하게 되었다고 결론지을 수 있습니다. 평균적인 관찰자의 색상 시각을 모델링함으로써, 일반적인 애플리케이션에서 예측 가능한 색상을 구현할 수 있습니다.

반면, 단일 관찰자 색상 일치 함수로 색채학을 표준화하는 것은 서로 다른 시청 조건, 예를 들어 서로 다른 시야(viewing field)를 완벽하게 반영할 수 없습니다. 또한, 이는 인구 집단 내에서 존재하는 색상 인식의 변동성을 고려할 수 없으며, 관찰자의 연령에 따라 변화하는 색상 인식 역시 오늘날 사용되는 표준 색채학에 반영되지 않습니다.

CIE 1931 2° 또는 CIE 1964 10° 표준 관찰자를 색채학의 기초로 사용하는 것은 많은 실용적 애플리케이션에서 합리적으로 작용하는데, 특히 반사된 색상(reflected colors)의 경우, 즉 스펙트럼 전력 분포가 상대적으로 부드러운 경우에 합리적으로 작동합니다. 디스플레이 애플리케이션의 경우, 특히 최신의 와이드 감마 디스플레이가 등장함에 따라, 인구 내 관찰자 변동성이 표준 색채학으로 만족스러운 시각적 일치를 얻는 데 도전 과제로 작용할 수 있습니다. 개별 관찰자의 분광 감도 변동에 대한 민감도 증가는 와이드 감마 디스플레이에서 가장 선명하고 채도 높은 색상을 구현하기 위해 필요한 디스플레이 기본 색상(일반적으로 적색, 녹색, 청색)의 좁은 분광 피크에서 비롯된 부수효과입니다.

CIE 170-2:2015 2° 또는 10° 관찰자를 사용하는 것은 평균 관찰자(38세)의 색채학을 다소 개선하려는 시도로서 흥미로운 접근법이 될 수 있습니다. 2° 관찰자와 10° 관찰자 중 어느 것을 사용할지는 항상 애플리케이션의 전형적인 시야 조건에 기반하여 결정해야 하며, 작은 디테일을 구분해야 하는지도 고려해야 합니다. 또한, ICDM이나 DFF와 같은 기존 표준 준수가 필요한 경우인지에 대해서 고려하는 것도 중요합니다. 만약 그러한 경우에는 해당 표준에서 요구하는 관찰자를 선택해야 합니다. 디스플레이 표준의 경우, 현재는 CIE 1931 2° 관찰자가 사용되고 있습니다.

관찰자 메타머리즘(observer metamerism) 다루기

다양한 개별 관찰자의 색상 시각의 차이를 다루기 위한 여러 접근법이 존재합니다.

첫 번째 중요한 접근법은 디스플레이 설계 단계에서 세 가지 디스플레이 기본(primary) 색상의 스펙트럼을 현명하게 선택하여 실질적으로 관찰되는 메타머리즘을 최소화하는 것입니다(참고 문헌 참조). 이는 서로 다른 스펙트럼 자극이 동일하게 인식되는 색상으로 이어질 수 있기 때문에 가능합니다. 또한, 보다 개선된 해결책으로는 세 가지 이상의 기본 색상을 사용하는 다중 기본(multi-primary) 디스플레이를 도입하는 방안이 있습니다(참고 문헌 참조).

두 번째 접근법은 개별 관찰자에 대해 맞춤형 색상 일치를 구현하는 것입니다. 이는 타당한 옵션이지만, 큰 단점은 해당 색상 일치가 오직 한 사람에게만 유효하다는 점입니다. 따라서 여러 사람이 동시에 디스플레이를 관람하는 상황에는 적용할 수 없습니다! 개별 사람의 색상 인식을 고려하는 방법에는 두 가지가 있습니다.

첫 번째는 색채학적으로(측정된) 색상 일치 후 시각적으로 색상 불일치를 보정하고, 이 오프셋을 향후 참조를 위해 측정하는 것입니다. 예를 들어, 일부 TV 보정 소프트웨어 제품군에서 이 방법이 사용됩니다. 이 방법은 세부 사항이 다를 수 있으나, 기본적인 아이디어는 표시된 콘텐츠를 수동으로 조정하고 이를 색채 측정 결과와 어떤 방식으로든 연계시키는 것입니다. 이 접근법은 꽤 잘 작동할 수 있으나, 결과를 객관적으로 표준화하기는 어렵습니다.

마지막으로, 개별 관찰자를 고려하는 또 다른 옵션은 각 개인의 색상 일치 함수를 결정하는 것입니다.
이 방법은 매우 수고스럽고 비용이 많이 들기 때문에 일반적으로 실용적이지 않습니다. 그러나, 보다 나은 단일 관찰자 색상 일치를 위한 또 다른 옵션은, 사전에 정의된 색상 일치 함수 집합을 제공하여 사람들을 유사한 색상 시각을 가진 그룹으로 분류하는 것입니다. 이는 모든 사람에게 하나의 사이즈만 맞는 셔츠를 제공하는 대신 여러 사이즈를 제공하는 것과 유사하게 볼 수 있습니다. Mark Fairchild와 Yuta Asano는 일반적인 사용을 위해 10개의 범주화된 관찰자(categorical observers) 집합이면 충분하다고 제안한 반면, 레이저 프로젝터와 같이 기본 색상의 피크가 매우 뚜렷한 경우에는 개별 관찰자의 색상 일치를 정확하게 예측하기 위해 50개의 범주화된 관찰자가 필요하다고 제시했습니다. 이 접근법은 훨씬 더 실용적이며 표준화가 가능할 것으로 보입니다.

Admesy Prometheus를 통한 다양한 표준 관찰자에 대한 측정

측정은 특정 관찰자 색상 일치 함수를 사용하는 방식으로, 필터가 장착된 색차계나 분광 복사계를 이용하여 구현될 수 있습니다. 또한, Admesy Prometheus 스팟미터 시리즈에서는 색차계와 분광 복사계 모두 사용 가능합니다.

Prometheus 색차계는 당사의 자체 제작 필터를 활용하여 가능한 가장 낮은 f1’ 스펙트럼 불일치를 실현합니다. 여기서 f1’ 수치는 필터 곡선이 목표에 얼마나 잘 맞는지를 나타내며, 이는 색상 측정의 정확도를 결정하는 중요한 지표입니다. Admesy는 고객이 선택한 관찰자에 맞추어 색상 필터를 제공하는 Prometheus 색차계를 선보이고 있으며, 현재 CIE 1931 2°와 CIE 170-2:2015 2° 및 10° 관찰자 모델을 지원합니다. 이와 같이 정확하면서도 빠른 Prometheus 색차계는 신뢰성과 속도가 모두 중요한 대량 생산 환경에 최적의 솔루션을 제공합니다.

Prometheus 분광 복사계를 사용하면, 어떤 색상 일치 함수에 대해서도 색상의 삼자극값을 계산할 수 있어, 하나의 분광 전력 분포(SPD)를 획득함으로써 서로 다른 관찰자에 대한 삼자극값을 동시에 측정할 수 있습니다. 이런 다기능은 분광 복사계의 큰 장점 중 하나로, 다양한 측정 조건에서 유연하게 대응할 수 있음을 의미합니다.

CIE 170-2 원추세포 기반 삼자극값을 계산하기 위해, 390 nm부터 830 nm 사이의 파장 범위를 적분합니다. 이는 380 nm부터 780 nm 사이의 파장 범위로 정의된 CIE 1931 및 CIE 1964 표준 관찰자와 대조되며, Prometheus Viewfinder Spectrometer는 360 nm부터 830 nm까지 확장된 파장 범위를 커버하여 다른 디스플레이 분광 복사계보다 넓은 범위에서 정확한 측정이 가능합니다. 이러한 특성 덕분에 해당 분광 복사계는 CIE 1931, CIE 1964 및 CIE 170-2:2015 2°와 10° 관찰자에 따라 색상을 정확하게 측정할 수 있습니다.

Prometheus Viewfinder Spectrometer의 다재다능함은 조절 가능한 측정 각도 덕분에 더욱 향상됩니다. 이를 통해 사용자는 빛을 측정하는 각도를 정밀하게 제어할 수 있으며, 이는 캡처된 분광 전력 분포가 특정 관찰자 각도(2° 또는 10°)에 대해 삼자극값 계산을 위해 가중치가 부여되는 방식과는 구분되어야 합니다. 예를 들어, 측정 각도가 1°인 경우에도 위에서 언급한 네 가지 표준 관찰자에 대한 XYZ 삼자극값을 읽어낼 수 있습니다!

최고의 정확도와 결합되어, 이러한 기능들은 Prometheus Viewfinder Spectrometer를 요구되는 모든 디스플레이 측정 애플리케이션에 이상적인 도구로 만듭니다.

Links and References

A Beginners guide to colorimetry

Asano Y, Fairchild MD., Categorical observers for metamerism. Color ResAppl. 2020;1–10

CIE 1931 colour-matching functions, 2 degree observer

CIE 170-1:2006

CIE 170-2:2015

DFF - Specifications & Technical Documents

Emulating the Wright-Guild experiment

Fovea

How the CIE 1931 color-matching functions were derived from Wright-Guild data

IDMS – Information Display Measurement Standard

ISO 11664-1:2007(E)/CIE S 014-1/E:2006

Optimizing Spectral Color Reproduction in Multiprimary Digital Projection

Observer metamerism in commercial displays

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Polster, S, Neue Spektralwertfunktionen für die korrekte Bewertung von LED-Spektren und Einführung eines Metamerie-Index für Beobachterfeldgrößenabhängigkeit

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