깊이감 향상을 위한 질감, 색온도, 대비비 관련 특성 연구 A study on characteristics related to texture, colour temperature and contrast ratio to improve the depth of stereoscopic images원문보기
디지털 영상 제작 기술의 발전으로 입체 영상 기술의 개발도 활발히 이루어지고 있으며 이에 따라 입체 영상을 탑재하기 위한 첨단 디스플레이의 연구 및 개발도 동일하게 진행되고 있다. 3D 영상 시청 시 발생할 수 있는 다양한 문제점이 제시되고 있는데 시청자는 인위적 방식으로 제공되는 영상의 깊이감을 지각하면서 시각피로를 경험하기에 시각피로와 같은 부정적 휴먼 팩터가 가장 대두되는 이슈 중 하나이며, 3D 영상의 지속적 유지에 영향을 주는 요인이라 할 수 있다. 그러므로 2D 영상에서 제공되는 그래픽 영상 중 깊이감에 영향을 주는 요인을 파악하고 이를 통한 영상 처리 방법을 개발하여 시각 피로감 없는 입체 영상을 재현할 수 있다는 가정 아래 깊이감 관련 실험을 진행하고 이를 분석하였다. 이를 위해 깊이감 관련 요인 중 질감, 색온도, 대비비를 차등적으로 그래픽 영상에 적용하여 깊이감에 가장 큰 요인에 대해 분석하고 아노바 분산분석을 통해 교호작용을 검증하였다. 본 연구에서 진행된 실험결과를 분석하여 깊이감과 관련 있는 요인의 유의미 여부를 정의하고 깊이감 향상을 위한 방안을 제시한다.
디지털 영상 제작 기술의 발전으로 입체 영상 기술의 개발도 활발히 이루어지고 있으며 이에 따라 입체 영상을 탑재하기 위한 첨단 디스플레이의 연구 및 개발도 동일하게 진행되고 있다. 3D 영상 시청 시 발생할 수 있는 다양한 문제점이 제시되고 있는데 시청자는 인위적 방식으로 제공되는 영상의 깊이감을 지각하면서 시각피로를 경험하기에 시각피로와 같은 부정적 휴먼 팩터가 가장 대두되는 이슈 중 하나이며, 3D 영상의 지속적 유지에 영향을 주는 요인이라 할 수 있다. 그러므로 2D 영상에서 제공되는 그래픽 영상 중 깊이감에 영향을 주는 요인을 파악하고 이를 통한 영상 처리 방법을 개발하여 시각 피로감 없는 입체 영상을 재현할 수 있다는 가정 아래 깊이감 관련 실험을 진행하고 이를 분석하였다. 이를 위해 깊이감 관련 요인 중 질감, 색온도, 대비비를 차등적으로 그래픽 영상에 적용하여 깊이감에 가장 큰 요인에 대해 분석하고 아노바 분산분석을 통해 교호작용을 검증하였다. 본 연구에서 진행된 실험결과를 분석하여 깊이감과 관련 있는 요인의 유의미 여부를 정의하고 깊이감 향상을 위한 방안을 제시한다.
With advancements in digital image production technology, the branch of stereoscopic image technology has also been undergoing active development. Accordingly, research and development on cutting-edge display products for mounting stereoscopic images are currently being pursued. There are various pr...
With advancements in digital image production technology, the branch of stereoscopic image technology has also been undergoing active development. Accordingly, research and development on cutting-edge display products for mounting stereoscopic images are currently being pursued. There are various problems that can occur when viewing 3D images. Because viewers feel visual fatigue while perceiving the depth of the images provided via an artificial method, a negative human factor such as visual fatigue has become one of the most prominent concerns, especially as it is a factor that affects the ongoing maintenance of 3D images. Therefore, by identifying the factors affecting the depth of the graphic images provided in 2D images, and subsequently using this information to develop an image processing method, we conducted depth-related experiments and analysed them under the assumption that stereoscopic images could be reproduced without visual fatigue. Thus, we analysed the most significant factors related to depth and verified the interactions by performing depth-related factors-based ANOVA variance analysis by differentially applying the texture, colour temperature, and contrast ratio to graphic images. We determined the significance of the factors related to depth and proposed a method to improve depth based on an analysis of the results of the experiments conducted in this study.
With advancements in digital image production technology, the branch of stereoscopic image technology has also been undergoing active development. Accordingly, research and development on cutting-edge display products for mounting stereoscopic images are currently being pursued. There are various problems that can occur when viewing 3D images. Because viewers feel visual fatigue while perceiving the depth of the images provided via an artificial method, a negative human factor such as visual fatigue has become one of the most prominent concerns, especially as it is a factor that affects the ongoing maintenance of 3D images. Therefore, by identifying the factors affecting the depth of the graphic images provided in 2D images, and subsequently using this information to develop an image processing method, we conducted depth-related experiments and analysed them under the assumption that stereoscopic images could be reproduced without visual fatigue. Thus, we analysed the most significant factors related to depth and verified the interactions by performing depth-related factors-based ANOVA variance analysis by differentially applying the texture, colour temperature, and contrast ratio to graphic images. We determined the significance of the factors related to depth and proposed a method to improve depth based on an analysis of the results of the experiments conducted in this study.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 2D 디스플레이에서 제공되는 그래픽 영상의 깊이감 증가 요인 관련 연구를 진행하였으며 논문의 구성은 다음과 같다. 제2장에서는 입체 영상과 깊이감에 대해, 제 3장에서는 구체적인 실험 방법을 기술한다.
본 연구는 2D 그래픽 이미지에서 깊이감 관련 요인들을 알아보기 위해 깊이감과 관련 있는 질감, 색온도, 대비비 요인을 깊이감 변수로 설정하여 이와 관련된 실험을 진행하였다. 실험 결과 분석은 1차적으로 교호작용이 고려되지 않은 상태에서 각 변수들 간의 유의미한 정도를 알아보고, 2차적으로는 교호작용이 고려된 상태에서 각 변수들간의 깊이감에 대한 영향력을 알아보았다.
본 연구는 선행 연구를 기반으로 깊이감 지각 요인에 대해 설정하고 각각의 깊이감 지각 요인을 다양한 레벨로 분류하여 2D영상에 적용한 후 깊이감 증가 요인에 대해 알아보고자 한다. 즉, 설정된 깊이감 증가 요인에 따라 시지각이 인지하는 깊이감의 차이가 있는지, 그리고 깊이감을 많이 지각하는 요인 중 어떤 레벨에 따라 차이가 있는지 여부를 알아보고자 한다.
본 연구에서는 3D 영상에서 느낄 수 있는 입체감 재현을 위해 2D 그래픽 영상을 대상으로 하여 깊이감 증가요인에 대해 실험을 진행하고 깊이감 증가 요인에 대해 비교 · 분석하고자 한다.
본 연구는 선행 연구를 기반으로 깊이감 지각 요인에 대해 설정하고 각각의 깊이감 지각 요인을 다양한 레벨로 분류하여 2D영상에 적용한 후 깊이감 증가 요인에 대해 알아보고자 한다. 즉, 설정된 깊이감 증가 요인에 따라 시지각이 인지하는 깊이감의 차이가 있는지, 그리고 깊이감을 많이 지각하는 요인 중 어떤 레벨에 따라 차이가 있는지 여부를 알아보고자 한다. 실험에 사용된 디스플레이 특성은 표준 sRGB 색 재현 영역과 매우 흡사한 색 재현율을 나타냈으며 디스플레이 표준 감마인 2.
제안 방법
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. 실험에 사용된 디스플레이 배경의 밝기 Y는 가장 어두운 상태에서 0.
피험자는 충분한 시간을 두고 깊이감에 대한 리커르트 스케일(Lickert scale) 5점 척도로 각 영상에 대해 깊이감을 평가하였으며 실험 전 암실 환경에 적응할 수 있도록 충분한 순응이 이루어진 후 실험을 진행하였다. 배경의 밝기가 변경될 때도 동일하게 순응이 이루어지도록 하여 밝기 변화에 대한 어떤 바이어스를 갖지 않도록 하였다.
본 연구는 2D 그래픽 이미지에서 깊이감 관련 요인들을 알아보기 위해 깊이감과 관련 있는 질감, 색온도, 대비비 요인을 깊이감 변수로 설정하여 이와 관련된 실험을 진행하였다. 실험 결과 분석은 1차적으로 교호작용이 고려되지 않은 상태에서 각 변수들 간의 유의미한 정도를 알아보고, 2차적으로는 교호작용이 고려된 상태에서 각 변수들간의 깊이감에 대한 영향력을 알아보았다. 최종적으로 사용된 모델은 깊이감에 영향이 있다고 판단된 개별 변수와, 교호작용이 작용하는 변수들 간의 아노바 분석을 통해 실험결과를 분석하였으며 결과는 다음과 같다.
실험에 사용된 깊이감 관련 요인으로는 질감, 색온도 그리고 대비비를 실험영상에 적용하였다. 질감은 질감이 적용된 영상과 적용되지 않은 경우가 실험 영상에 적용되었으며 색온도는 Red, Green, Blue, 세 가지색온도를 각각 적용하였고 대비비는 미켈슨 정의(Michelson ratio)를 이용하여 실험 대상인 구 형태의 객체와 배경의 밝기 간의 대비비에 따라 깊이감이 어떻게 인지되는가를 실험하였다.
실험에 사용된 깊이감 관련 요인으로는 질감, 색온도 그리고 대비비를 실험영상에 적용하였다. 질감은 질감이 적용된 영상과 적용되지 않은 경우가 실험 영상에 적용되었으며 색온도는 Red, Green, Blue, 세 가지색온도를 각각 적용하였고 대비비는 미켈슨 정의(Michelson ratio)를 이용하여 실험 대상인 구 형태의 객체와 배경의 밝기 간의 대비비에 따라 깊이감이 어떻게 인지되는가를 실험하였다.
실험 결과 분석은 1차적으로 교호작용이 고려되지 않은 상태에서 각 변수들 간의 유의미한 정도를 알아보고, 2차적으로는 교호작용이 고려된 상태에서 각 변수들간의 깊이감에 대한 영향력을 알아보았다. 최종적으로 사용된 모델은 깊이감에 영향이 있다고 판단된 개별 변수와, 교호작용이 작용하는 변수들 간의 아노바 분석을 통해 실험결과를 분석하였으며 결과는 다음과 같다. 질감과 색온도 그리고 대비비 각각이 깊이감에 유의미한 결과를 나타냈으며 교호작용이 고려된 경우 색온도가 Red이며 대비비가 0.
피험자는 충분한 시간을 두고 깊이감에 대한 리커르트 스케일(Lickert scale) 5점 척도로 각 영상에 대해 깊이감을 평가하였으며 실험 전 암실 환경에 적응할 수 있도록 충분한 순응이 이루어진 후 실험을 진행하였다. 배경의 밝기가 변경될 때도 동일하게 순응이 이루어지도록 하여 밝기 변화에 대한 어떤 바이어스를 갖지 않도록 하였다.
대상 데이터
디스플레이는 X-Rite i1 Pro2를 사용하여 D65 환경으로 교정한 후 실험에 사용 하였다. 실험에 사용된 영상은 그래픽 영상 중 입체감을 나타낼 수 있는 원을 대상으로 하여 진행하였으며 MATLAB 으로 실험환경을 구축하였고 실험 환경은 그림 2 와 같다.
또한 흑색 자극의 밝기에 상관되는 계수를 수정하고 색의 순도 관련 연관 계수를 사용이 용이 하도록 응답 압축(Response compression)함수를 개선하는 등 더욱 단순하고 역변환이 용이하도록 수정된 모델이다. 실험에 사용된 CIECAM02는 컬러 어피어런스 유추가 가능하고 균일한 색공간이며 색차 계산까지도 가능하기에 본 실험에서는 CIECAM02로 모든 색채 값을 변환하여분석에 사용하였다.
디스플레이는 X-Rite i1 Pro2를 사용하여 D65 환경으로 교정한 후 실험에 사용 하였다. 실험에 사용된 영상은 그래픽 영상 중 입체감을 나타낼 수 있는 원을 대상으로 하여 진행하였으며 MATLAB 으로 실험환경을 구축하였고 실험 환경은 그림 2 와 같다.
실험에 참가한 피험자는 30대 5명(남2명, 여 3명), 40대 5명(남2명, 여 3명)으로 구성되었으며 실험에 대한 간략한 설명을 들은 후 모니터와 시선간의 거리를 약 50cm로 고정하였다
데이터처리
교호작용을 고려하여 아노바 분산분석을 실행하였고, 교호 작용의 존재 여부를 재검증하여 각 변수 간의 교호작용이 존재함을 알 수 있었다. 최종적인 실험 결과 분석 시 선택된 모델은 실험에 사용된 각 변수와 교호작용이 작용하는 변수들 간의 분산분석을 통해 실험 결과를 얻을 수 있었으며 이는 표 4 와 같다.
실험에 사용된 변수인 질감 2단계, 색온도 3단계 그리고 미켈슨 대비비 3단계, 총 18가지 실험 영상을 적용하여 각 변수의 특성을 파악하고 각 변수가 깊이감에 어느 정도의 영향력을 갖는지 분석하기 위해 R 통계 프로그램(R x 64 3.4.1 version)을 활용하였다.
교호작용을 고려하여 아노바 분산분석을 실행하였고, 교호 작용의 존재 여부를 재검증하여 각 변수 간의 교호작용이 존재함을 알 수 있었다. 최종적인 실험 결과 분석 시 선택된 모델은 실험에 사용된 각 변수와 교호작용이 작용하는 변수들 간의 분산분석을 통해 실험 결과를 얻을 수 있었으며 이는 표 4 와 같다. 각 개별 변수에서는 색온도가 Red인 경우 깊이감이 크다는 결과를 얻을 수 있었으며 대비비가 0.
표 2는 각 변수의 개별적 특성을 알아 보기 위해 아노바 분산 분석으로 검증하였고 각각의 변수가 유의미한 결과 값을 나타냈다. CT는 색온도를 의미하며, Texture는 질감, Contrast는 미켈슨 대비비를 이용한 대비비를 의미한다.
성능/효과
최종적인 실험 결과 분석 시 선택된 모델은 실험에 사용된 각 변수와 교호작용이 작용하는 변수들 간의 분산분석을 통해 실험 결과를 얻을 수 있었으며 이는 표 4 와 같다. 각 개별 변수에서는 색온도가 Red인 경우 깊이감이 크다는 결과를 얻을 수 있었으며 대비비가 0.49와 0.75에 해당하는 경우도 마찬가지로 깊이감이 크다는 결과를 나타냈다. 질감의 경우 깊이감에 대해 유의미한 결과를 나타냈지만 다른 변수에 비해 영향력이 적다고 판단할 수 있다.
각 변수의 교호작용을 통해 나타낸 결과는 그림 4와 같다. 각 변수가 깊이감에 대한 영향력이 유의미한 것으로 판단되며 각 변수 간의 교호작용도 존재한다는 것을 알 수 있었다.
질감의 경우 깊이감에 대해 유의미한 결과를 나타냈지만 다른 변수에 비해 영향력이 적다고 판단할 수 있다. 교호작용이 고려된 경우, 색온도가 Red이며 대비비가 0.75에 해당하는 경우 깊이감에 대한 유의미한 결과를 얻을 수 있었다. 색온도가 Red이며 질감이 있는 경우도 깊이감에 영향력이 있다는 유의미한 결과는 나타냈으나 색온도가 Red이며 대비비가 0.
그림 3에서 보이는 바와 같이, 색온도의 경우 Red 계열, 대비비는 0.75인 경우 그리고 질감이 없는 경우 깊이감이 크다는 실험 결과를 얻을 수 있었다. 질감과 색온도의 경우 질감이 없고 색온도는 Red 계열인 경우가 깊이감이 가장 크게 나타냈으며, 질감과 대비비에서는 질감이 없고 대비비가 가장 큰 0.
실험에 사용된 구 형태의 평균 밝기는 Object_J, 배경의 밝기는 Background_J, 구형태의 평균 밝기와 배경의 밝기에 따른 미켈슨 대비비는 Michelson Contrast로 표기되었다.
즉, 설정된 깊이감 증가 요인에 따라 시지각이 인지하는 깊이감의 차이가 있는지, 그리고 깊이감을 많이 지각하는 요인 중 어떤 레벨에 따라 차이가 있는지 여부를 알아보고자 한다. 실험에 사용된 디스플레이 특성은 표준 sRGB 색 재현 영역과 매우 흡사한 색 재현율을 나타냈으며 디스플레이 표준 감마인 2.2와 일치하였다.
표 3에서 제시된 바와 같이 교호작용 검증 결과, 색온도와 질감 그리고 색온도와 대비비 간의 교호작용이 존재함을 알 수 있었다. 질감과 대비비, 그리고 색온도, 질감, 대비비간의 간의 교호작용은 유의미 하지 않다는 결과를 얻을 수 있었다
최종적으로 사용된 모델은 깊이감에 영향이 있다고 판단된 개별 변수와, 교호작용이 작용하는 변수들 간의 아노바 분석을 통해 실험결과를 분석하였으며 결과는 다음과 같다. 질감과 색온도 그리고 대비비 각각이 깊이감에 유의미한 결과를 나타냈으며 교호작용이 고려된 경우 색온도가 Red이며 대비비가 0.75에 해당하는 경우 깊이감에 대한 유의미한 결과를 얻을 수 있었다. 색온도가 Red 인 경우 깊이감에 큰 영향력이 있다는 결과를 얻을 수 있었으며 이는 진출색과 연관지을 수 있다고 판단된다.
75인 경우 그리고 질감이 없는 경우 깊이감이 크다는 실험 결과를 얻을 수 있었다. 질감과 색온도의 경우 질감이 없고 색온도는 Red 계열인 경우가 깊이감이 가장 크게 나타냈으며, 질감과 대비비에서는 질감이 없고 대비비가 가장 큰 0.75인 경우, 그리고 대비비와 색온도에서는 대비비가 가장 큰 0.75와 색온도가 Red 계열인 경우 깊이감이 가장 크다는 것을 알 수 있었다.
표 3에서 제시된 바와 같이 교호작용 검증 결과, 색온도와 질감 그리고 색온도와 대비비 간의 교호작용이 존재함을 알 수 있었다. 질감과 대비비, 그리고 색온도, 질감, 대비비간의 간의 교호작용은 유의미 하지 않다는 결과를 얻을 수 있었다
후속연구
색온도가 Red 인 경우 깊이감에 큰 영향력이 있다는 결과를 얻을 수 있었으며 이는 진출색과 연관지을 수 있다고 판단된다. 본 연구를 통해 도출된 실험 결과를 바탕으로 향후 진행할 연구 과제로는 다양한 관점에서 깊이감 관련 요인들에 대해 확장된 연구를 진행하고 2D 그래픽 이미지에서 최적의 깊이감이 창출 될 수 있도록 논리적 모델 구축 관련 연구를 진행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
3D 영상에서 좌우 영상의 시차에 따른 깊이감 지각은 어떻게 되는가?
3D 영상에서 좌우 영상의 시차에 따라 다르게 나타나는 깊이감 지각은 시차가 지나치게 큰 경우 수렴 · 조절 불일치로 인해 피로도가 증가하거나 이중상이 관측되는 반면, 시차가 지나치게 작은 경우 2D와 다를 바 없이 입체감이 사라져 3D 영상에서 궁극적으로 추구하는 몰입감과 현장감 같은 효과를 기대하기 어렵다.[6]
3차원 입체지각은 무엇인가?
외부세계를 지각하는데 70%이상을 의존하고 있는 시각을 통한 지각경험은 3차원 입체 영상기술의 발전으로 입체감 재현과 동시에 다양한 연구 분야와 접목을 통해 발전하고 있다.[2] 3차원 입체지각은 양안시차의 지각요인 원리를 경험적 지각요인과 결합하여 실재감을 재현하는 기술로, 인간이 지닌 시각의 생리적 특징을 메커니즘으로 한 것이다.[3,4] 특히 2D 디스플레이와 달리, 깊이감 정보를 가지고 있는 3D 디스플레이의 경우 인간의 시각에 의한 지각의 영향력은 매우 크다고 할 수 있다.
CIECAM02는 CIECAM97s 모델에 비해 어떤 점들이 개선 되었는가?
컬러 관리 응용분야의 표준화 부분을 담당하는 CIE Technical Committee 8-01은 CIECAM97s의 단점을 보완한 CIECAM02를 제안하였는데 CIECAM97s 모델을 좀 더 단순화 하였으며 색순응 변환을 선형화 하도록 하였다. 또한 흑색 자극의 밝기에 상관되는 계수를 수정하고 색의 순도 관련 연관 계수를 사용이 용이 하도록 응답 압축(Response compression)함수를 개선하는 등 더욱 단순하고 역변환이 용이하도록 수정된 모델이다. 실험에 사용된 CIECAM02는 컬러 어피어런스 유추가 가능하고 균일한 색공간이며 색차 계산까지도 가능하기에 본 실험에서는 CIECAM02로 모든 색채 값을 변환하여분석에 사용하였다.
참고문헌 (6)
Fairchild M. D., "Color Appearance Models", Second Edition, Reading, Second Edition, John Wiley & Sons, 2005.
Hunt R. W. G., "The Reproduction of Colour", England, Fifth Edition, Fountain Press, 1995.
Hurvich L. M., "Colour Vision", Sinauer Associate, Sundland, Mass, 1981.
Wyszecki G, Stiles WS., "Color Science: Concepts and Methods, Quantitative Data and Formulae", 2nd edition, 2000.
JY Hong, HY Lee, DS Park, and CY Kim., "Techniques to Enhance the Sense of Depth using Visual Perception Characteristics", Color and Imaging Conference, pp. 98-101, 2011.
JY Hong, HY Lee, DS Park, and CY Kim., "The Realistic Texture Reconstruction on Display", CGIV 2008 Final Program and Proceedings, pp. 239-244, 2008.
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