칼라 시뮬레이션을 이용한 요분석 스트립의 정색반응 칼라 시뮬레이션을 이용한 요분석 스트립의 정색반응 발표일 : 2002.11.1 소속 : 컴퓨터응용과학부 학번 : 99225070 이름 : 정현주 지도교수 : 김재형교수님

목표 요분석 스트립의 정색반응을 정량적으로 구별하기 위하여 요분석 스트립의 표준광원, 반사율, CIE 등색함수를 이용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행한다. 요분석 스트립의 정색반응을 정확하게 분류하기 위해 CIE 삼자극치와 색도좌표를 구한다. 정색반응과 일치하는 색도좌표를 구현하기 위하여 반사스펙트럼의 Background신호를 제거해 칼라시뮬레이션을 보정한다.

Ⅰ. 서론 요검사란 소변의 성분을 검사함으로써 전신의 상태, 병 변(病變)을 알아내는 진단법을 말한다. 고통없이 검사가 가능해 많이 쓰이고 있는 방법이다. 이 논문에서는 요분석 스트립의 각 항목의 등급에 대하 여 파장에 따른 반사율을 구하였다. 각 등급에 대하여 분광세기분포, 정색반응의 반사 스펙 트럼, 등색함수를 이용한 칼라 시뮬레이션으로 삼자극 치와 색도좌표를 구하였다. 기준값과 컴퓨터 시뮬레이션으로 얻은 값을 비교하였다. 여기서 Background 신호를 제거해 정색반응의 색도좌 표를 보정하였다.

Ⅱ. 이론 1. 색을 인식하게 하는 요소 사람의 눈이 스펙트럼을 볼 수 있는 이유는 특정한 파 광원, 물체의 반사율, 눈은 색을 인식하는 필수 요소. 사람의 눈이 스펙트럼을 볼 수 있는 이유는 특정한 파 장의 빛이 사람의 눈의 망막(retina)을 자극시키기 때문. [그림 1] 색인식 과정

사람이 색을 감지 할 때 광원으로부터 방사되거나 또는 2. 색자극 사람이 색을 감지 할 때 광원으로부터 방사되거나 또는 물체에 반사된 색을 색자극이라고 한다. = 광원의 발광세기  물체의 반사율  눈의 감도 색자극 [그림 2] 색 자극

3. 광원의 종류(CIE System) 사람의 눈에 보이는 것은 물체에서 반사되거나 투과되 는 빛이다. 색은 빛으로 인식하기 때문에 조명으로 사용 되는 빛의 특성에 영향을 받는다. 광원의 종류에 따라 색이 크게 좌우 되는 것이다. CIE Suorce A(표준광원 A) : 약 2856K인 백열전구 CIE Source B(표준광원 B) : 대낮 태양의 직사광선 CIE Source C(표준광원 C) : 맑은날 낮의 평균 햇빛 CIE SOURCE D65: 약 6500K의 인공광원

[표 1-1]CIE 표준광원 A, B, C And D65 Wavelenth (nm) PA PB Pc D65 380 385   380 385 390 395 100 405 410 415 420 425 430 435 440 445 450 455 460 465 470 475 480 485 490 495 9.80 10.90 12.09 13.35 14.71 16.15 17.68 19.29 20.99 22.79 24.67 26.64 28.70 30.85 33.09 35.41 37.81 40.30 42.87 45.52 48.24 51.04 53.91 56.85 22.40 26.85 31.30 36.18 41.30 46.62 52.10 57.70 63.20 68.37 73.10 77.31 80.80 83.44 85.40 86.88 88.30 90.08 92.00 93.75 95.20 96.23 96.50 95.71 33.00 39.92 47.40 55.17 63.30 71.81 80.60 89.53 98310 105.80 112.40 117.75 121.50 123.45 124.00 123.60 123.10 123.30 123.80 124.09 123.90 122.92 120.70 116.90 50.0 52.3 54.6 68.7 82.8 87.1 91.5 92.5 93.4 90.1 83.7 95.8 104.9 110.9 117.0 117.4 117.8 116.3 114.9 115.4 115.9 112.4 108.8 109.1 PA PB Pc D65 [표 1-1]CIE 표준광원 A, B, C And D65

[표 1-2]CIE 표준광원 A, B, C And D65 Wavelenth (nm) PA PB Pc D65 500 505   500 505 510 515 520 525 530 535 540 545 550 555 560 565 570 575 580 585 590 595 600 605 610 615 620 9.86 62.93 66.06 69.25 72.50 75.79 79.13 82.52 85.95 89.41 92.90 86.44 100.00 103.58 107.18 110.80 114.44 118.08 121.73 125.39 129.04 132.70 136.35 139.99 143.62 94.20 92.37 90.70 89.65 89.50 90.43 92.20 94.46 96.90 99.16 101.00 102.20 102.80 102.92 102.60 101.90 100.07 99.20 95.44 98.00 98.08 98.50 99.06 99.70 112.10 106.98 102.30 98.80 96.78 99.94 102.10 103.95 105.20 106.567 105.30 104.11 100.15 97.80 95.43 93.20 91.22 89.70 88.83 88.40 88.19 88.10 109.4 108.6 107.8 106.3 104.8 106.2 107.7 106.0 104.4 104.2 104.0 02.0 100.0 98.2 96.3 96.1 95.8 92.2 88.7 89.3 90.0 89.8 89.9 88.6 87.7 PA PB Pc D65 [표 1-2]CIE 표준광원 A, B, C And D65

[표 1-3]CIE 표준광원 A, B, C And D65 Wavelenth (nm) PA Pc PB D65 625 630 635 640 645   650 655 660 665 670 675 680 685 690 695 700 705 710 715 720 725 730 735 740 745 750 755 760 765 770 147.24 150.84 154.42 157.98 161.52 165.03 168.51 171.96 175.38 178.77 182.12 185.43 188.70 191.93 195.12 198.26 201.36 204.41 207.41 210.36 213.27 216.12 218.96 221.92 221.36 227.00 229.59 232.12 234.59 273.01 100.36 101.00 101.56 102.20 103.05 103.90 104.59 105.00 105.08 104.90 104.55 102.84 101.60 100.38 99.10 97.70 96.20 94.60 92.90 91.10 89.40 88.00 86.90 85.90 85.20 84.80 84.70 84.90 84.40 Pc 88.06 87.86 87.80 87.99 88.20 87.90 87.22 86.30 85.30 84.00 82.21 80.20 78.24 76.30 74.36 72.40 70.40 68.30 66.30 64.40 62.80 61.50 60.20 59.20 58.50 58.10 58.00 58.20 85.5 83.3 83.5 83.7 81.9 80.0 80.1 80.2 81.2 82.3 80.3 78.3 74.0 69.7 70.7 71.6 73.0 74.3 68.0 61.6 65.7 69.9 72.5 75.1 69.3 63.6 55.0 46.4 56.6 66.8 PB D65 [표 1-3]CIE 표준광원 A, B, C And D65

4. 삼자극 함수를 결정하기 위한 실험 백색판을 마련하고 Test lamp에서 각파장의 단색광을 비춘다. 나머지 반쪽에는 단색광과 색채가 일치하도록 Red, Green, Blue의 세가지 색의 강도를 표준관측자가 직접 적절히 조절하여 비춘다. [그림 3] 삼자극 결정 실험

5. color-matching function 사람의 망막이 감지하는 삼자극 반응 [그림 4] color-matching function

[표 2] color-matching function Wavelenth (nm)   380 385 390 395 400 405 410 415 420 425 430 435 440 445 450 455 460 465 470 475 480 485 490 495 500 505 510 515 520 525 530 535 540 545 550 555 560 565 570 575 0.0014 0.0022 0.0042 0.0076 0.0143 0.0232 0.0435 0.0776 0.1344 0.2148 0.2839 0.3285 0.3483 0.3481 0.3362 0.3187 0.2908 0.2511 0.1954 0.121 0.0956 0.0580 0.0320 0.0147 0.0049 0.0024 0.0093 0.0291 0.0633 0.1096 0.1655 0.2257 0.2904 0.3597 0.4334 0.5121 0.5945 0.6784 0.7621 0.8425 0.0000 0.0001 0.0002 0.0004 0.0006 0.0012 0.0040 0.0073 0.0116 0.0168 0.0230 0.0298 0.0380 0.0480 0.0600 0.0739 0.0910 0.1126 0.1390 0.1693 0.2080 0.2586 0.3230 0.4073 0.5030 0.6082 0.7100 0.7932 0.8620 0.9149 0.9540 0.9803 0.9950 1.0000 0.9786 0.9520 0.9154 0.0065 0.0150 0.0201 0.0362 0.0679 0.1102 0.2074 0.3713 0.6465 1.0391 1.3856 1.6230 1.7471 1.7826 1.7721 1.7441 1.6692 1.5281 1.2876 1.0419 0.8130 0.6162 0.4652 0.3533 0.2720 0.2123 0.1582 0.1117 0.0782 0.0573 0.0422 0.0203 0.0134 0.0087 0.0057 0.0039 0.0027 0.0021 0.0018 580 585 590 595 600 605 610 615 620 625 630 635 640 645 650 655 660 665 670 675 680 685 690 695 700 705 710 715 720 725 730 735 740 745 750 755 760 765 770 775 0.9165 1.0263 1.0567 1.0622 1.0456 1.0026 0.9384 0.8544 0.7514 0.6424 0.5419 0.4479 0.3608 0.2835 0.2187 0.1649 0.1212 0.0874 0.0636 0.0468 0.0329 0.0227 0.0518 0.0114 0.0081 0.0058 0.0041 0.0029 0.0020 0.0010 0.0007 0.0005 0.0003 0.8700 0.8163 0.7570 0.6949 0.6310 0.5668 0.4412 0.3810 0.3210 0.2650 0.2170 0.1750 0.1382 0.1070 0.0816 0.0610 0.0446 0.0170 0.0119 0.0082 0.0015 0.0017 0.0011 0.0008 x y z x y z [표 2] color-matching function

6. 삼자극치(X, Y, Z) [그림 5] CIE XYZ 삼자극치를 계산하는 방법

[표 3] 삼자극치 구하는 예 Sum=X=14.27 Sum=Y=14.31 Sum=Z=51.52 R(%) PCx PC Rx Wavele nth (nm) R(%) PCx PC Rx PC y PC Ry PC z PC Rz   400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 23.3 33.0 41.7 50.0 47.2 36.5 24.0 13.5 7.9 6.0 5.5 7.2 8.2 7.4 7.0 0.00044 0.02926 0.07680 0.06633 0.02345 0.00069 0.01193 0.05588 0.11751 0.16801 0.17896 0.14031 0.07437 0.02728 0.00749 0.00175 0.01 0.97 3.20 3.32 1.11 0.03 0.29 0.75 0.93 1.01 0.98 0.84 0.54 0.22 0.06 -0.00001 0.00085 0.00513 0.01383 0.03210 0.06884 0.12882 0.18268 0.19606 0.15989 0.10684 0.06264 0.02897 0.01003 0.00271 0.00063 0.21 0.69 1.52 2.51 3.09 2.47 1.55 0.96 0.59 0.38 0.08 0.02 0.00187 0.14064 0.38643 0.38087 0.19464 0.05725 0.04150 0.00365 0.00074 0.00026 0.00012 0.00003 0.04 4.64 16.11 19.04 9.19 2.09 0.35 0.05 Sum=X=14.27 Sum=Y=14.31 Sum=Z=51.52 [표 3] 삼자극치 구하는 예

삼자극치 X, Y, Z는 색도좌표에서 삼자극치 비를 계산하 는데 사용된다. 여기서 x, y, z는 밝기와 별로도 색의 양 7. CIE 1931 색도좌표 삼자극치 X, Y, Z는 색도좌표에서 삼자극치 비를 계산하 는데 사용된다. 여기서 x, y, z는 밝기와 별로도 색의 양 을 기술한다. 색도좌표는 삼자극치 X, Y, Z로부터 아래 의 관계식으로 구한다. x+y+z=1 z=1-x-y [그림 6] CIE 1931 색도좌표

8. CIE 1976 색도좌표 CIE 1931 색도좌표보다 색 사이의 인식되는 차이가 더 균일하게 나타난다. [그림 7] CIE 1976 색도좌표

Ⅲ. 실험 요검사용 스트립의 패드에 표준시약을 적신 후, UV- Visible Spectrophotometer를 이용하여 반사스펙트럼 을 측정하였다. Glucose(당분) Ketones(케톤) Protein(단백질) pH

Ⅳ. 실험 결과 및 토의 1. 요분석 스트립의 반사스펙트럼 ⑴ 당분의 반사스펙트럼 [그림 9] Glucose의 반사스펙트럼

⑵ 케톤의 반사스펙트럼 [그림 10] Ketones의 반사스펙트럼

⑶ 단백질의 반사스펙트럼 [그림 11] Protein의 반사스펙트럼

⑷ pH의 반사스펙트럼 [그림 12] pH의 반사스펙트럼

X = ∑PC(λ)·R(λ)·x Y = ∑PC(λ)·R(λ)·y Z = ∑PC(λ)·R(λ)·z 2. 정색반응의 삼자극치 x, y, z는 CIE 등색함수(color-matahing function)

[표 4] 정색반응의 삼자극치 검사항목 등급 측정값 기준값 X Y Z 당분 Neg Trace 1등급 2등급 3등급 14.78 12.97 11.83 9.31 8.83 15.84 14.24 11.03 9.02 8.47 19.76 11.73 8.45 7.69 7.49 53.8 53.2 32.6 26.7 23.1 60.0 57.6 30.3 23.2 19.8 60.4 30.4 7.1 7.3 6.8 케톤 +1 +2 +3 14.74 14.23 13.06 11.08 10.13 15.20 14.17 12.54 10.31 9.54 15.94 15.03 13.96 11.76 10.50 65.4 68.9 49.7 38.9 33.7 37.1 42.8 32.2 26.0 43.1 49.6 31.9 24.1 단백질 +4 13.34 12.98 11.36 11.04 10.79 10.66 14.33 14.01 12.23 12.06 11.85 11.81 12.37 11.71 12.35 12.89 71.0 61.0 42.9 34.9 36.3 76.2 66.0 60.9 50.2 42.5 44.9 34.1 27.8 28.2 26.3 28.0 38.0 pH pH5 pH6 pH6.5 pH7 pH8 pH9 11.98 11.37 9.65 8.92 6.25 1.72 11.18 11.72 10.76 10.43 7.72 6.63 7.04 7.19 7.56 7.53 8.43 10.73 45.1 57.4 51.0 35.7227.0 17.2 28.6 55.4 54.9 41.1 21.2 17.6 22.4 24.0 14.5 21.9 23.6 [표 4] 정색반응의 삼자극치

삼자극치의 비를 색도좌표로 정의하며, 다음과 같이 1931좌표와 1976좌표로 나타낼 수 있다. 3. CIE 1931 좌표와 CIE 1976 좌표 삼자극치의 비를 색도좌표로 정의하며, 다음과 같이 1931좌표와 1976좌표로 나타낼 수 있다. 검사항목 등급 측정값 기준값 x, y u`, v` 당분 Neg Trace 1등급 2등급 3등급 0.29, 0.31 0.33, 0.37 0.36, 0.36 0.36, 0.35 0.36, 0.34 0.19, 0.46 0.20, 0.49 0.21, 0.49 0.22, 0.48 0.47, 0.34 0.48, 0.41 0.51, 0.43 0.53, 0.41 0.53, 0.40 0.30, 0.50 0.28, 0.53 0.29, 0.54 0.31, 0.54 0.32, 0.53 케톤 +1 +2 +3 0.32, 0.33 0.33, 0.32 0.33, 0.22 0.33, 0.31 0.34, 0.31 0.20, 0.47 0.21, 0.47 0.21, 0.46 0.22, 0.46 0.50, 0.38 0.51, 0.36 0.54, 0.34 0.56, 0.33 0.31, 0.52 0.32, 0.51 0.35, 0.51 0.37, 0.51 0.39, 0.51 단백질 +4 0.34, 0.36 0.33, 0.36 0.32, 0.35 0.32, 0.34 0.31, 0.34 0.30, 0.33 0.20, 0.48 0.19, 0.48 0.19, 0.47 0.48, 0.42 0.48, 0.43 0.47, 0.43 0.46, 0.42 0.45, 0.40 0.45, 0.38 0.27, 0.53 0.27, 0.54 0.26, 0.53 0.26, 0.52 0.27, 0.51 pH pH5 pH6 pH6.5 pH7 pH8 pH9 0.40, 0.37 0.38, 0.39 0.35, 0.38 0.33, 0.39 0.28, 0.34 0.24, 0.29 0.24, 0.50 0.22, 0.51 0.20, 0.50 0.19, 0.50 0.17, 0.47 0.16, 0.44 0.54, 0.38 0.51, 0.41 0.46, 0.45 0.33, 0.40 0.44, 0.34 0.33, 0.53 0.29, 0.53 0.25, 0.54 0.29, 0.50 [표 5] x, y와 u`,v`

4. 좌표의 컴퓨터 시뮬레이션 [그림 13] CIE 1931 좌표 [그림 14] CIE 1976 좌표 기준값 측정값 기준값

` 기준값 측정값 [그림 15] CIE 1931 좌표 기준값 측정값 [그림 16] CIE 1976 좌표

기준값 측정값 [그림 17] CIE 1931 좌표 기준값 측정값 [그림 18] CIE 1976 좌표

기준값 측정값 [그림 19] CIE 1931 좌표 기준값 측정값 [그림 20] CIE 1976 좌표

반사스펙트럼 아래부분의 Background 신호를 잘라주 어 기준값에 좀 더 가까운 값을 얻게 한다. 5. 색도좌표 보정 반사스펙트럼 아래부분의 Background 신호를 잘라주 어 기준값에 좀 더 가까운 값을 얻게 한다. Background 신호 [표 6] Background 신호

(1) 당분의 색도좌표 보정 Background신호 자른 후 기준값 측정값 [그림 21] 당분의 색보정

Background신호 자른 후 기준값 측정값 [그림 22] 당분의 색보정

(2) 케톤의 색도좌표 보정 측정값 기준값 Background신호 자른 후 [그림 23] 케톤의 색보정

기준값 Background신호 자른 후 측정값 [그림 24] 케톤의 색보정

(3) 단백질의 색도좌표 보정 Background 신호 자른 후 기준값 측정값 [그림 25] 단백질의 색보정

Background 신호 자른 후 기준값 측정값 [그림 26] 단백질의 색보정

(4) PH의 색도좌표 보정 Background신호 자른 후 기준값 측정값 [그림 27] pH의 색보정

Background신호 자른 후 기준값 측정값 [그림 28] pH의 색보정

Ⅴ. 결과 당분, 케톤, 단백질, pH에 대한 반사스펙트럼을 구했다. 표준광원 Pc, 요검사용 스트립의 반사율, 사람눈에 대한 등색함수를 이용한 칼라 시뮬레이션을 구현하였다. 정색반응의 삼자극치와 색도좌표를 얻었다. 보정하여 구현한 color좌표는 측정값보다 좀 더 기준값에 가까운 좌표임을 알 수 있었다.

느낀점 처음 해보는 프로젝트라 생소하고 그 과정이 쉬 운 것만은 아니었지만 무언가를 계획 하에 해냈 다는 것이 뿌듯했습니다. 앞으로 사회에서 이런 프로젝트의 기회가 주어 진다면 이번 졸업 프로젝트를 경험 삼아 더 좋 은 작품을 만들 수 있을 것 같습니다. 마지막으로 항상 신경 써주시고 도와주신 김재 형 교수님을 비롯해 모든 교수님들께 감사의 마 음을 표현합니다.