[논문]중심와 시각에서 색채 자극의 크기에 따른 컬러 어피어런스 연구

홍지영

doi:10.7236/jiibc.2018.18.3.23

중심와 시각에서 색채 자극의 크기에 따른 컬러 어피어런스 연구
A study on colour appearance by the size of colour stimulation at foveal vision 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.18 no.3, 2018년, pp.23 - 28

초록
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차세대 디스플레이는 기존의 TV를 대변하는 디스플레이 장치 환경에서 모바일 환경으로 진화 하고 있는 추세이다. 개인용 디스플레이에 해당하는 모바일 디스플레이의 경우, 홈시어터의 개념과 동일하지만 보다 경량 화된 사이즈에 다양한 목적으로 사용되고 있기에 디스플레이 산업에서는 디스플레이의 다양한 제품 응용 및 다양한 크기의 디스플레이 디바이스에서 보다 정확한 색채와 향상된 영상을 재현하기 위해 많은 관심을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 연구에서는 배경의 밝기와 색채 자극의 크기에 따라 인지될 수 있는 색채의 차이가 있을 수 있다는 가정아래, 배경의 밝기를 차등적으로 적용하여 중심와 시각에 해당하는 색채 자극의 크기를 비교하는 정신 물리학적 실험을 진행하였다. 실험 결과 기존 선행 연구에서는 배경의 밝기가 고려되지 않은 상태에서 색채 자극의 크기가 증가함에 따라 더욱 밝고 더욱 선명하게 인지한다는 결과와 달리, 배경의 밝기와 색채 자극의 크기에 따라 색채를 인지하는 특성이 다르다는 연구 결과가 도출되었다. 실험 결과를 바탕으로 향후 대형 화면의 크기에서 모바일 크기의 화면으로 입력 영상이 전환 될 때 발생할 수 있는 색채 변환 오류를 해결 하여 보다 정확한 색채 표현과 향상된 화질 영상 재현이 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

Next generation displays show a trend of evolving from the display device environment (represented by existing televisions) to the mobile environment. The mobile display corresponding to the personal display is similar to a home theatre; however, they are advantageous because they are small and have a relatively lower weight. Therefore, the display industry has an interest in diverse product applications of displays, reproducing more accurate colours, and offering improved image quality from display devices of various sizes. To address these interests, a psychophysical experiment was conducted in this research. The experiment compared the size of the colour stimulation corresponding to foveal vision by gradually increasing the lightness of the background. This was based on the assumption of possible differences in colours being recognized by the lightness of the background and the size of the colour stimulation. Contrary to the results of previous studies, where the colours are identified more clearly as the size of the colour stimulation increases (assuming that the lightness of the background is not considered) here the results of the experiment showed that the attributes of the identified colours were different depending on the lightness of the background and the size of the colour stimulation. Based on the experimental results, it is possible to resolve errors in colour conversion that can occur when the input image is switched from a large screen size to a mobile size display, and to reproduce the colours more accurately and improve the image quality.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 화질 향상 측면에서의 요구를 충족시키기 위해 색채 자극의 크기에 따라 컬러 어피어런스가 어떻게 달라지는가에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 색채 자극의 크기와 관련된 중심와 시각에서의 컬러 어피어런스 관련 연구를 진행하였으며 논문의 구성은 다음과 같다. 제 2장에서는 색채 자극의 크기와 관련하여 현재까지 진행된 선행 연구에 대해, 제 3장에서는 본 연구의 구체적인 실험 방법과 제 4장에서는 도출된 실험 결과에 대해 기술하고 끝으로 제5장에서 결론 및 제언에 대해 기술하였다.
본 연구는 디스플레이에 재현된 디지털 색채가 배경의 밝기와 색채 자극의 크기에 따라 색채 인지 현상이 달라진다는 것에 대한 공증이 될 수 있다. 디스플레이의 특성이 반영된 영상 시청 시 디스플레이 크기와 입력 영상의 밝기에 따라 동일한 색채임에도 불구하고 다르게 인지될 수 있으므로 이를 위해 이미지 프로세싱(Image Processing)과정에서 색채 변화를 고려하여 소프트웨어 구현 시 반영할 수 있기를 기대한다.
본 연구의 목적은 배경의 밝기와 색채 자극의 크기에 따른 경향성을 알아보고자 함에 있다. 즉, 기존의 발광용 디스플레이인 TV에서 모바일 기기로 컨텐츠가 유입됨에 따라 색채 자극의 크기가 달라짐으로 써 색채를 인지 하는 정도가 다르게 느껴질 것이라고 가정하고 중심와 시각을 중점으로 배경의 밝기가 색채 자극의 크기에 어떤 영향을 미치는가에 대해 알아보고자 한다.
본 연구의 목적은 배경의 밝기와 색채 자극의 크기에 따른 경향성을 알아보고자 함에 있다. 즉, 기존의 발광용 디스플레이인 TV에서 모바일 기기로 컨텐츠가 유입됨에 따라 색채 자극의 크기가 달라짐으로 써 색채를 인지 하는 정도가 다르게 느껴질 것이라고 가정하고 중심와 시각을 중점으로 배경의 밝기가 색채 자극의 크기에 어떤 영향을 미치는가에 대해 알아보고자 한다.

가설 설정

본 연구에서는 배경의 밝기와 색채 자극의 크기에 따라 동일한 색채임에도 불구하고 색채를 다르게 인지한다는 가정 아래 정신물리학적 실험을 진행하여 가설을 입증하였다. 이에 대한 주요결과를 나타내면 아래와 같다.

제안 방법

실험 분석을 위해 사용된 CIECAM02는 색채 인지에 영향을 주는 외부 요소까지 고려한 색 표현 기준이며 시각적 색채 인지를 수치화 할 수 있는 지표로써 국제 조명 위원회에서 제시하고 있는 시감 특성이 반영된 가장 진보된 표준 색 공간이라 할 수 있다. CIECAM02의 밝기 (Lightness, J), 채도(Chroma, C), 그리고 색상(Hue, H)을 계산하기 위해 yb는 20, Surround 조건은 Average로 설정하였다. yb는 배경의 상대휘도(Relative luminance of the background)를 나타내며 Surround는 시야체계에서 배경을 제외한 나머지 환경 조건을 의미한다.
디스플레이에서 영상 처리 관련 실험을 하기 위해서는 특정한 표준 환경을 유지하기 위해 주로 암실에서 실험하고 평가하게 된다. 또한 암실에서 실험 시 다양한 변수의 영향을 받지 않고 온전한 디스플레이 자체 내의 실험 결과를 도출할 수 있기 때문에 본 연구에서는 실험 환경을 암실로 선정하고 진행하였다.
실험 자극 색채 선정 시, 밝기와 채도의 경우 색채 인지에 어려움을 느낄 수 있는 무채색 계열에 해당하는 데이터는 제외하였으며 먼셀 데이터의 주요 10색상을 모두 포함한 상태의 데이터를 사용하였다. 또한, 먼셀 색채의 특성에 의하면 모든 색상이 각기 다른 채도와 밝기 범주를 갖고 있기 때문에 선정된 먼셀 주요 10색상 각각의 범주 안에서 모두 포함되는 범위의 채도와 밝기가 존재할 수 있도록 선정하였다.
실험시 고정된 눈높이를 제시하여 발생할 수 있는 시각적 오류를 최대한 줄이도록 하였다. 배경으로 사용된 밝기의 경우 배경의 밝기와 색채 자극과의 상관관계를 보다 명확히 알 수 있도록 가장 어두운 값에 해당하는 디지털 값인 0(CIECAM02 J=0)과 가장 밝은 값에 해당하는 255(CIECAM02 J=100)인 두 가지 경우에 대해 실험을 진행하였다.
피험자는 충분한 시간을 두고 원본 색채 자극에 대해 목표 색채 자극을 조정할 수 있도록 시간적 여유를 갖게 하였으며 실험 전 암실 환경에 대해 적응 할 수 있도록 충분한 순응이 이루어진 후 실험을 진행 하였다. 배경의 밝기가 변경될 때도 동일하게 순응이 이루어지도록 하여 밝기 변화에 대한 어떤 바이어스를 갖지 않도록 하였다.
본 연구에서는 배경의 밝기와 색채 자극의 크기에 따라 동일한 색채임에도 불구하고 색채를 다르게 인지한다는 가정 아래 망막을 중심으로 중심와에 해당하는 크기인 2°, 4°, 6°, 8° 그리고 10° 의 색채 자극을 사용하여 실험을 진행하였다.
디스플레이와 피험자간의 시청 거리는 50cm로 고정하였으며 시각 이상 유무 판단을 위해 이시하라 테스트를 진행하여 정상 시각을 갖은 20명의 피험자(남 10명, 여 10명)를 대상으로 암실에서 실험을 진행하였다. 실험시 고정된 눈높이를 제시하여 발생할 수 있는 시각적 오류를 최대한 줄이도록 하였다. 배경으로 사용된 밝기의 경우 배경의 밝기와 색채 자극과의 상관관계를 보다 명확히 알 수 있도록 가장 어두운 값에 해당하는 디지털 값인 0(CIECAM02 J=0)과 가장 밝은 값에 해당하는 255(CIECAM02 J=100)인 두 가지 경우에 대해 실험을 진행하였다.
입력 색채 자극인 먼셀 색채의 원본 데이터는 C광원을 반영한 데이터(X_CMY_CMZ_CM)이며 이를 표준 광원인 D65가 적용된 XYZ로 변환한 후(X_65MY_65MZ_65M)교정된 디스플레이의 특성을 반영한 디지털 값인 R_dG_dB_d로 변환한다. 피험자가 용이하게 색채 속성 각각을 제어할 수있도록 HSV 색공간으로 변환하여 피험자가 제시된 색채 자극과 동일하다고 인지하는 입력 데이터 R_dG_dB_d를 출력 값인 X_dY_dZ_d를 통해 CIECAM02로 변환하여 분석하였다.
총 90 가지의 먼셀 색채를 사용하였으며 사용된 먼셀 색채의 분포는 색상에 해당하는 먼셀 H, 밝기에 해당하는 먼셀 V와 채도에 해당하는 먼셀 C의 분포도를 다양하게 구성하여 실험을 진행하였다. 실험 자극 색채 선정 시, 밝기와 채도의 경우 색채 인지에 어려움을 느낄 수 있는 무채색 계열에 해당하는 데이터는 제외하였으며 먼셀 데이터의 주요 10색상을 모두 포함한 상태의 데이터를 사용하였다.
로 변환한다. 피험자가 용이하게 색채 속성 각각을 제어할 수있도록 HSV 색공간으로 변환하여 피험자가 제시된 색채 자극과 동일하다고 인지하는 입력 데이터 R_dG_dB_d를 출력 값인 X_dY_dZ_d를 통해 CIECAM02로 변환하여 분석하였다.
실험 과정은 다음과 같다. 피험자는 배경의 밝기를 먼저 선택하고 선정된 90개의 먼셀 색채 각각에 대해 H(Hue), S(Saturation), V(Value)에 해당하는 색채 속성에 대해 슬라이드 바를 이용하여 원본 색채 자극과 동일하게 보이도록 목표 색채 자극을 각각 제어하였다.
피험자는 충분한 시간을 두고 원본 색채 자극에 대해 목표 색채 자극을 조정할 수 있도록 시간적 여유를 갖게 하였으며 실험 전 암실 환경에 대해 적응 할 수 있도록 충분한 순응이 이루어진 후 실험을 진행 하였다. 배경의 밝기가 변경될 때도 동일하게 순응이 이루어지도록 하여 밝기 변화에 대한 어떤 바이어스를 갖지 않도록 하였다.
피험자들에 의해 조절된 목표 색채의 R, G, B 값들은 PLCC model 을 사용하여 CIE XYZ 삼자극치 값들로 유추하고 유추된 CIE XYZ 삼자극치 값들을 CIECAM02로 변환하여 색채 인지 속성을 각각 분리한 후 각 속성의 특성을 비교 분석하였다.

대상 데이터

디스플레이와 피험자간의 시청 거리는 50cm로 고정하였으며 시각 이상 유무 판단을 위해 이시하라 테스트를 진행하여 정상 시각을 갖은 20명의 피험자(남 10명, 여 10명)를 대상으로 암실에서 실험을 진행하였다. 실험시 고정된 눈높이를 제시하여 발생할 수 있는 시각적 오류를 최대한 줄이도록 하였다.
실험에 사용된 색공간은 피험자가 직접 색채 속성 각각을 용이하게 조절할 수 있도록 색채 속성이 분리된 HSV 색공간을 사용 하였다. 색상, 명도, 채도가 각각 분리된 색공간 하에서 색채를 제어할 수 있도록 한 후, 실험을 통해 얻어진 데이터는 실험에 사용된 디스플레이 특성이 반영된 XYZ로 변환하여 실험분석에 사용되었다.
총 90 가지의 먼셀 색채를 사용하였으며 사용된 먼셀 색채의 분포는 색상에 해당하는 먼셀 H, 밝기에 해당하는 먼셀 V와 채도에 해당하는 먼셀 C의 분포도를 다양하게 구성하여 실험을 진행하였다. 실험 자극 색채 선정 시, 밝기와 채도의 경우 색채 인지에 어려움을 느낄 수 있는 무채색 계열에 해당하는 데이터는 제외하였으며 먼셀 데이터의 주요 10색상을 모두 포함한 상태의 데이터를 사용하였다. 또한, 먼셀 색채의 특성에 의하면 모든 색상이 각기 다른 채도와 밝기 범주를 갖고 있기 때문에 선정된 먼셀 주요 10색상 각각의 범주 안에서 모두 포함되는 범위의 채도와 밝기가 존재할 수 있도록 선정하였다.
실험에 사용된 색공간은 피험자가 직접 색채 속성 각각을 용이하게 조절할 수 있도록 색채 속성이 분리된 HSV 색공간을 사용 하였다. 색상, 명도, 채도가 각각 분리된 색공간 하에서 색채를 제어할 수 있도록 한 후, 실험을 통해 얻어진 데이터는 실험에 사용된 디스플레이 특성이 반영된 XYZ로 변환하여 실험분석에 사용되었다.
본 연구에서는 배경의 밝기와 색채 자극의 크기에 따라 동일한 색채임에도 불구하고 색채를 다르게 인지한다는 가정 아래 망막을 중심으로 중심와에 해당하는 크기인 2°, 4°, 6°, 8° 그리고 10° 의 색채 자극을 사용하여 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 색채 자극은 먼셀(Munsell) 표색계의 색상 중 대표적 10가지 색상인 5.0R, 5.0YR, 5.0Y, 5.0GY, 5.0G, 5.0BG, 5.0B, 5.0PB, 5.0P, 5.0RP로 선정하였다.

데이터처리

실험 결과는 변동계수를 사용하여 실험 데이터의 경향성을 분석하였다. 수식에 사용된 n은 실험에 사용된 자극의 개수를 의미하며, x는 비교하고자 하는 집단, #는 y집단의 평균을 나타낸다.

이론/모형

1. The experiment environment was implemented using MATLAB.

성능/효과

또한 배경의 밝기가 밝은 경우 (CIECAM02 J=100)도 마찬가지로 색채 자극의 크기가 작을수록 크기가 큰 자극 보다 더욱 선명하게 인지하는 결과를 나타내었다. 결과적으로, C속성의 경우 J속성과 다르게 배경의 밝기에 큰 영향을 받지 않으며 색채 자극의 크기가 작을수록 더욱 선명하게 인지한다는 결과를 의미한다. 이는 중심와 시각에서 색채의 선명도에 해당하는 색채 속성은 배경의 밝기보다 색채 자극의 크기에 큰 영향을 받는다고 할 수 있다.
배경의 밝기가 어두운 경우 (CIECAM02 J=0), C 속성은 색채 자극의 크기가 커질수록 직선의 기울기가 작은 크기의 자극 방향으로 기울어 지는 경향성을 나타낸다. 또한 배경의 밝기가 밝은 경우 (CIECAM02 J=100)도 마찬가지로 색채 자극의 크기가 작을수록 크기가 큰 자극 보다 더욱 선명하게 인지하는 결과를 나타내었다. 결과적으로, C속성의 경우 J속성과 다르게 배경의 밝기에 큰 영향을 받지 않으며 색채 자극의 크기가 작을수록 더욱 선명하게 인지한다는 결과를 의미한다.
본 실험에 사용된 10가지 먼셀 대표 색상에 따라 색채 속성에 대한 경향성을 분석한 결과, 배경의 밝기와 색채 자극의 크기에 따른 어떠한 경향성을 나타내지 않았다. 색채 속성에 해당하는 CIECAM02 H 의 경우, 색채 자극의 크기나 배경의 밝기에 따라 특정한 색상에서 다른 색상으로 색상이 이동되어 보이는 현상이나, 색상을 인지 하는데 있어 차이가 없는 것으로 도출되었다.
표 3 은 중심와 시각에서 배경의 밝기에 따른 색채 인지 속성 중 색채 자극의 밝기에 해당하는 변동계수를 나타낸 것이다. 중심와 시각에서 밝기의 특성은 배경의 밝기가 어두운 경우 배경의 밝기가 밝은 변동계수보다 현저히 큰 차이를 보였으며 색채 자극의 크기가 커질수록 변동계수가 증가하는 현상을 나타냈다.
표 4 는 중심와 시각에서 배경의 밝기에 따른 색채 인지 속성 중 색채 자극의 채도에 대한 변동계수를 나타낸다. 채도의 경우 밝기 특성과 상반되는, 즉 배경의 밝기가 어두운 경우보다 밝은 경우 변동계수가 증가되는 경향성을 나타냈다.

후속연구

본 연구는 디스플레이에 재현된 디지털 색채가 배경의 밝기와 색채 자극의 크기에 따라 색채 인지 현상이 달라진다는 것에 대한 공증이 될 수 있다. 디스플레이의 특성이 반영된 영상 시청 시 디스플레이 크기와 입력 영상의 밝기에 따라 동일한 색채임에도 불구하고 다르게 인지될 수 있으므로 이를 위해 이미지 프로세싱(Image Processing)과정에서 색채 변화를 고려하여 소프트웨어 구현 시 반영할 수 있기를 기대한다.
디스플레이 산업에서는 디스플레이의 다양한 제품 응용 및 다양한 크기의 디스플레이 디바이스에서 보다 정확한 색채와 향상된 영상을 재현하기 위해 많은 관심을 가지고 있다. 이러한 화질 향상 측면에서의 요구를 충족시키기 위해 색채 자극의 크기에 따라 컬러 어피어런스가 어떻게 달라지는가에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 색채 자극의 크기와 관련된 중심와 시각에서의 컬러 어피어런스 관련 연구를 진행하였으며 논문의 구성은 다음과 같다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	멀티미디어 환경을 모바일 기기로 확장할 수 있었던 이유는 무엇인가?	특히, 문화 컨텐츠 산업은 기술 중심의 하드웨어 흐름을 사용자 중심의 소프트웨어의 흐름으로 바꾸는 중요한 역할을 수행하고 있다. 이러한 사회문화적으로 급속한 변화는 모바일 기기가 휴대성의 특성, 즉 이동성을 가지며 더불어 위치기반의 특성을 가질 수 있기 때문에 실시간으로 디지털 데이터를 상호 교환할 수 있는 능력을 지니고 있는 것에서 기인하며 이러한 기술적 융합은 멀티미디어 환경을 모바일 기기로 확장 할 수 있는 계기가 된 것이라고 할 수 있다.
	CIECAM02는 무엇인가?	실험 분석을 위해 사용된 CIECAM02는 색채 인지에 영향을 주는 외부 요소까지 고려한 색 표현 기준이며 시각적 색채 인지를 수치화 할 수 있는 지표로써 국제 조명 위원회에서 제시하고 있는 시감 특성이 반영된 가장 진보된 표준 색 공간이라 할 수 있다. CIECAM02의 밝기 (Lightness, J), 채도(Chroma, C), 그리고 색상(Hue, H)을 계산하기 위해 yb는 20, Surround 조건은 Average로 설정하였다.
	인간의 색채 정보에 대한 인지 관련 실험을 통해 어떤 결과를 얻을 수 있었는가?	이는 색채를 인지하는데 있어서 색채 자극의 크기에 따라 인지되는 색채의 정도가 다름을 나타낼 수 있는 대표적인 사례라고 할 수 있다. 즉, 색채를 인지하는데 있어서 물리적으로 같은 색채임 에도 불구하고 색채 자극의 크기나 다양한 환경 조건에 따라 다르게 인지되는 경우를 의미하며 이는 일반적으로 색채를 인지하는 추상체와 빛에 민감한 간상체가 망막에 일정한 밀도로 분포되어 있지 않음으로써 발생 할 수 있다.

참고문헌 (10)

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Kutas G., Bodorogi G. P., & Shanda J., "Color Size Effect", In 10th Congress of the International Color Association, 2004.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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