Chapter 12. Color Models and Color Applications 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications 색의 특성 혹은 동작(behavior)을 설명하는 방법이다. Color Electromagnetic radiation within a narrow frequency band 빛의 성질 light or different colors: 전자 스펙트럼 내의 좁은 주파수 밴드 (그림 12-1) visible band 내 각 주파수 값은 하나의 color에 대응된다. 저주파수 끝이 red color(4.3 x 1014 herz) 고주파수 끝이 violet color(7.5 x 1014 herz) spectral color는 저주파수쪽에서는 red->orange->yellow의 범위이고 고주파수쪽에서는 green->blue->violet의 범위가 된다. 빛은 전자파이므로 주파수 f 혹은 파장 λ를 이용하여 여러 color를 나타낼 수 있다. 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications FM radio and TV Microwaves Ultraviolet X-rays AM radio Visible Infrared Frequency (herz) 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 (Figure 12-1) Electromagnetic spectrum 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications Monochromatic wave의 파장(wavelength)과 주파수(frequency)는 서로 역비례하며 빛의 속도 C의 비율로 constant C= λf frquency는 모든 물질에 대해 일정하며 빛의 속도와 파장은 물질에 따라 다르다. 진공상태에서의 C=3*1010 cm/sec 빛의 파장은 매우 작아서 spectral color를 표시하는 길이 단위가 angstroms(1Å=10-8cm) 또는 nanometers(1nm=10-7cm)이다, nanometer와 milimicron은 동일, red는 700 nanometers, violet은 400 nanometers Dominant frequency (or dominant wavelength) 반사되는 빛에 있는 주파수의 조합이 우리가 인지하는 물체의 컬러가 된다. 반사되는 빛에 low frequency 가 우세하면 물체 색은 빨간색 이와 같이 인식되는 빛을 스펙트럼 빨간색에서 dominant frequency 가 있다고 함 Dominant frequency를 hue 또는 color 라고 함 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications 빛의 특성 frequency(hue), brightness(luminance), purity(saturation)에 의해 설명 frequency(hue) 태양과 전구와 같은 광원은 white light를 생성하며 눈에 보이는 모든 frequency를 방출 white light가 물체에 입사하면 일부 frequency는 반사되고 일부는 흡수된다. 반사된 빛에 존재하는 frequency들의 조합이 물체의 color를 결정. 반사된 빛에 low frequency가 우세하면 red가 됨. 이러한 우세한 frequency를 hue(색조, 빛깔) 또는 color라고 함 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications brightness 빛의 intensity를 인식 intensity는 단위시간, 단위각, 투영되는 단위영역 당 방사되는 복사에너지(radiant energy)이며 이것은 광원의 luminance(발광, 밝음)와 관련 purity(saturation)(순도, 채도) 빛의 color가 얼마나 선명하느냐를 설명 파스텔이나 흐릿한 색은 덜 선명한 것 Chromaticity(색채) Color characteristics 의 두 특성인 purity 와 dominant frequency(hue) 를 합쳐서 언급하는 용어 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications 흰색 광원에 의해 방출되는 에너지는 눈에 보이는 frequency의 한 분포를 가진다. 빨강과 보라 사이에서 각 frequency의 성분은 전체 에너지에 거의 동등하게 기여하며 광원의 색은 흰색이 된다(그림12-3). 우세한 frequency가 존재하면 에너지 분포는 (그림12-4)와 같으며 빛이 우세한 frequency에 해당하는 색을 갖게 된다. 광원의 밝기는 곡선 아래의 영역으로 계산, purity는 Ed와 Ew의 차이에 따른다. Ed: dominent light component 의 에너지 밀도 Ew: 다른 frequency 들에 의한 흰색의 에너지 밀도 우세한 frequency의 Ed가 클수록 그 빛은 더욱 pure. 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications Energy Frequency Red Violet Figure 12-3 Energy distribution of a white-light source 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications Energy Ed Ew Frequency Red Violet Dominant Frequency Figure 12-4 Energy distribution of a light source with a dominant Frequency near the red end Ed: Energy density of dominant light Ew: Energy density of white light 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications Primary Colors 2개 이상의 서로 다른 dominant frequency 광원으로부터 빛을 합하면 각 빛의 intensity 를 달리하여 색을 생성시킬 수 있다. 이 때 선택하는 광원의 hue를 primary color 라고 함 Complementary colors White 를 생성하는 two primaries 를 말함 예: Red and cyan, green and magenta, blue and yellow 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications XYZ Color Model CIE(Commision Internationale de 1'EClairage) primaries: 많은 색을 나타내기 위한 세 가지 기본적인 표준색으로 positive color-matching functions으로 수학적으로 정의됨. 국제 표준. CIE primaries 집합을 XYZ color model로 일컬어지며 X, Y, Z은 3차원 공간상의 벡터들이다. X, Y, Z은 선택된 컬러 생성에 필요한 CIE primary 의 양을 나타냄 임의의 색 Cλ는 다음 식으로 표현됨. Cλ = XX + YY + ZZ X, Y, Z은 Cλ에 일치시키는데 필요한 표준 기본색의 양을 말함. X, Y, Z은 unit vectors 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications Normalized XYZ values x+y+z = 1 컬러는 x, y 양만으로 표시될 수 있다. x, y 는 hue, purity 이고 이들을 chromaticity value 라고 함 Y: luminance 추가로 컬러를 완전히 기술 X Y Z x = y = z = X + Y + Z X + Y + Z X + Y + Z 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

CIE Chromaticity(색채) Diagram (그림12-7) 색에 대한 x, y 값들을 나타낸 혀 모양의 곡선을 말함 CIE chromaticity diagram 이라고 함 점 C는 white light position 에 해당 => illuminant C (white light source) 곡선상의 점들은 pure color로 빨강에서부터 보라에 이르는 spectral colors(pure colors) 곡선의 내부는 눈에 보이는 모든 색의 조합을 나타냄. 빨강과 보라의 점들을 결합하는 선은 purple(자색, 심홍색) line 이점 서로 다른 primary 집합에 대한 컬러 범위 비교 보완(complementary) 컬러 확인 주어진 컬러에 대한 purity와 dominant wavelength 결정 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications Figure 12-7 CIE chromaticity diagram for the spectral colors from 400nm to 700nm y 0.8 Spectral colors (green) (yellow) 0.5 (cyan) (blue) 700 (red) (purple line) 0.2 0.7 x 400 (violet) 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications Color Gamut Chromaticity diagram 에서 직선 세그먼트나 폴리곤 영역으로 컬러 범위를 나타냄 두 점 C1, C2를 연결하는 직선상의 모든 컬러는 컬러 C1, C2 의 적절한 양을 합쳐서 얻어짐(그림12-8) 세 점 C3, C4, C5의 경우 컬러 범위는 세 컬러 위치를 나타내는 정점(Vertex)들로 되어있는 삼각형이다. Complementary Colors 두 점의 컬러 범위는 직선이므로 complementary colors는 chromaticity diagram 상에서 C 의 반대측이고 C와 collinear 하게 나타나야 한다(그림 12-9). 두 컬러 C1, C2의 C와의 거리는 white color 생성에 필요한 양을 나타냄 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Figure 12-8 Color Gamuts on the Chromaticity Diagram x 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Figure 12-9 Complementary Colors x 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications Dominant Wavelength 컬러의 dominant wavelength 결정하기 위해서는 C로부터 Chromaticity curve 상의 a spectral color 로의 직선을 그린다. Cs 가 C1에 대한 dominant wavelength (그림 12-10) 컬러 C1은 white color C 와 spectral color Cs 의 조합으로 나타낸다. Purity C1에 대한 purity 는 C와 Cs를 연결하는 선분을 따라 C1으로부터의 거리에 비례한다. dc1이 C에서 C1까지의 거리이고, dcs가 C에서 Cs까지의 거리라고 하면 purity는 dc1/dcs 로 나타냄 C1이 25% pure, Cs에서는 100% pure 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Figure 12-10 Determining dominant wavelength and purity Cs C1 C2 C Cp x 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications RGB Color Model red, green, blue의 세 가지 color primary를 이용하여 비디오 모니터에 색을 출력 R, G, B 축을 갖는 unit cube 로 기술(그림12-11) 원점은 black, 좌표치가 (1, 1, 1)인 vertex는 white cube의 축들에 있는 vertex들은 primary color를 나타내고 나머지 vertex들은 각 primary color들의 보충 색이다. cube 내의 color point는 0 ～ 1 사이의 값을 가진 R, G, B로 나타낼 수 있다. RGB 컴포넌트로 표현된 한 color Cλ 는               Cλ = RR + GG + BB magenta vertex는 red 와 blue를 더해서 (1, 0, 1)를 생성하고, white는 red, green, blue vertex 들의 합이다. gray 명암은 cube의 대각선인 원점(black)부터 white vertex를 따라 표현된다. 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications G Gray scale Green (0,1,0) Yellow(1,1,0) Cyan (0,1,1) White(1,1,1) Black(0,0,0) R Red(1,0,0) Blue(0,0,1) Magenta(1,0,1) B Figure 12-11 The RGB color model, defining colors with an additive Process within the unit cube 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications YIQ Color Model RGB 모니터가 red, green, blue 의 분리된 신호를 요구하는데 비해, TV 모니터는 하나의 혼합 신호를 이용한다. 혼합 비디오 신호 형성을 위한 NTSC(National Television System Committee) color model이 CIE XYZ model을 기반으로 한 YIQ model 이다. YIQ 모델에서 Y parameter는 XYZ model에서의 Y 와 같다. luminance(밝기) 정보는 Y parameter 에 포함되고, chromaticity(색채) 정보(hue and purity)는 I 와 Q parameter에 합쳐진다. (I: In-Phase, Q:Quadruture) red, green, blue intensity가 합해져서 Y parameter 로 된다. Y 가 luminance 정보를 포함하므로 흑백 TV는 Y 신호만 이용한다. I parameter는 orange-cyan hue 정보를, Q는 green-magenta hue 정보를 제공한다. RGB 신호는 RGB 값을 YIQ 값으로 바꾸어주는 NTSC 인코더를 사용하여 YIQ 값으로 바뀌어질 수 있다. Y = 0.299 R + 0.587 G + 0.114 B I = R- Y Q = B -Y 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications CMY Color Model(그림12-14) cyan, magenta, yellow의 세 primary color로 정의되는 color model로 hard-copy device에 출력할 때의 color를 기술하는데 유용함. 스크린 인광체(phosphor)로부터 빛을 결합하여 color pattern을 만들어내는 비디오 모니터와는 달리 hard-copy devices는 종이를 color 물감으로 씌워서 색이 있는 그림을 출력한다. cyan은 green and blue light를 더해서 형성되므로 white light가 cyan-colored ink에 반사되면 반사광선은 red 성분이 없다. 즉, red light가 잉크에 의해 흡수되거나 감해지게 된다. CMY model의 unit cube에서 점 (1, 1, 1)은 black 이며 원점이 white 가 된다. primary colors 가 같은 양이면 cube의 대각선을 따라 gray 가 된다. cyan과 magenta 잉크의 합성은 광선의 red and green 성분을 흡수하므로 blue를 생성한다. CMY model를 이용하는 프린트 과정은 4 개 ink dots로 한 color point를 정의. 세 primary color cyan, magenta, yellow에 각각 one dot이 이용되고 black 이 하나 추가된다. 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications G Magenta Blue Red Black White R Cyan Yellow Green B Figure 12-14 The CMY color model, defining colors with a substractive process inside a unit cube 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications HSV Color Model color primaries를 사용하는 대신 이용자에게 보다 직관적인 color description을 이용 하나의 color specification으로 유저가 한 spectral color와, 명암과 색조를 나타내기 위해 white와 black의 양을 선택한다. Color parameter는 hue, saturation, value이다. HSV model의 3차원 표현은 RGB cube로부터 유도된다. cube를 white로부터 원점인 black으로 대각선을 따라 보면 hexagon 모양을 볼 수 있다. 이 hexagon의 경계선이 여러 hue를 표현하고, HSV hexcone의 top으로 이용된다(그림12-16). hexcone에서 saturation(선명도)은 수평축을 따라 측정되며 value는 hexcone의 중앙에서 수직축을 따라 측정된다. 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications V(Value) Green (120) Yellow Red (0) Cyan Magenta Blue (240) H(Hue angle) S(Saturation) V=0 (black) Figure 12-16 The HSV hexcone 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications hue는 수직축을 중심으로 한 각도로서 표현되며 0 red로부터 360  의 범위를 갖는다. hexagon의 vertices는 60  간격으로 분리되어 있다. Yellow는 60 , green은 120 , cyan은 red의 반대편인 180  등 보색(합쳐서 white가 되는 색)은 180  떨어져있음. Saturation S는 0에서 1까지 변화하며 선택된 hue의 순수값 대 S=1에서의 최대값의 비로 나타낸다. S=0.25에서의 hue의 순수도는 1/4 이라고 함. S=0이면 gray scale을 갖는다. Value V는 hexcone의 꼭지점에서 0 값부터 시작해서 top에서 1값을 갖는다. 꼭지점은 black을 나타냄. hexcone의 top은 모든 색들이 최대 intensity를 갖는다. V=1 and S=1이면 pure hue를 갖는다. White는 V=1 and S=0에 있다. 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications HLS Color Model Tektronix에 이용된 직관적인 color parameters를 기반으로 하는 color model double cone 표현으로 3 개 color parameters: hue(H), lightness(L), S(Saturation) Hue는 HSV model과 같은 의미를 갖는다. 수직축에 관한 각도를 명시. H=0 는 blue에 해당. 나머지 색들은 HSV model에서와 같은 순서로 cone의 주위를 돌면서 정해진다. magenta가 60 , red가 120 , cyan이 180 에 위치한다. 보색은 180  떨어져 있다. 수직축은 lightness를 나타냄. L=0이면 black, L=1이면 white, Gray scale은 L axis를 따라 있고, L=0.5 평면에 pure hues가 있다. 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

Chapter 12. Color Models and Color Applications L(Lightness) L=1(White) Figure 12-18 The HLS double cone Red Magenta Blue Yellow Green Cyan Gray scale H(hue angle) L=0 (Black) S(Saturation) 2009-1학기 Chapter 12. Color Models and Color Applications

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