색공간 (sRGB, 어도비 RGB 등)

색을 느끼고 감지한다는 부분에서 유용한 사실 하나는 사람이 인식하는 색들을 비슷한 순서대로 붙여서 배열해 보면 원을 이룬다는 것이다. 이렇게 원을 이룬 색의 배열을 ‘색상환(color circle)’이라고 한다. 하지만 채도와 명도는 반대로 직선 방향으로 증가 또는 감소하는 형태로 인식하고 표현할 수 있다. 색의 3요소를 이러한 특성에 근거해 하나의 중심축을 기준으로 색을 원형으로 배치하고, 수직 방향으로 명도에 따른 변화를, 중심축으로부터의 수평 거리를 이용해 채도 변화에 따른 차이를 표현하면 원통 형태의 3차원 색 좌표를 만들 수 있다. 이렇게 색을 공간 좌표에 나타낸 것을 ‘색공간(color space)’ 또는 ‘색체계(color system)’이라고 하는데, 최초의 본격적인 색공간은 1905년 앨버트 먼셀(Albert Munsell)이 고안한 ‘먼셀 색체계(Munsell color system)’다. 먼셀 색체계에서 각각의 색은 인식되는 단계에 따라 각 좌표에 배열되어 있는데, 이것은 색공간 어디서나 같은 정도의 시각적 차이를 가지도록 각각의 좌표에 색을 배열했다는 의미이고 이를 가리켜 ‘시각적으로 균등하다’라고 한다. 하지만 나중에 먼셀 색체계는 그 배열이 완벽하게 균등하지는 못하다는 것이 밝혀져 비디오를 비롯한 각종 산업 표준에서는 보다 개선된 CIE 색공간을 주로 사용한다.

1931년 국제조명위원회(CIE, Commission Internationale de I'Eclairage)에서 많은 사람들을 대상으로 색과 관련된 실험을 하고 얻어낸 평균치가 있는데, 이것을 ‘CIE 표준관찰자’라고 한다. CIE 색공간은 이 표준 관찰자의 실험 결과를 바탕으로 만들어졌는데, CIE1931RGB, CIE1931XYZ, CIE1964XYZ, CIE1976L×a×b×와 같이 다양한 형태로 개선되고 변형되며 사용되고 있다. 당연히 CIE 색공간 외에도 여러 종류의 색공간이 있으며 모두 각각의 용도와 환경에 따라 매우 다양한 형태와 특성을 갖고 개발, 사용되고 있다.

가장 기본적인 색공간 RGB

RGB 색체계는 빛의 특성을 이용해 색상을 표현하는 방법으로 적색(red), 녹색(green), 청색(blue)의 삼원색이 각각 최댓값이 되면 흰색이 되는 가산혼합법으로 색을 조합한다. 디지털 영상에서 가장 기본적인 색공간 포맷으로 RGB는 사용되는 삼원색들의 첫 글자를 의미한다. 일반적으로 sRGB와 Adobe RGB가 주로 사용된다.

sRGB(standard RGB)

1996년 HP와 마이크로소프트(Microsoft)에서 제안한 컴퓨터를 위한 RGB 색공간으로 HDTV 시스템에서 사용하는 Rec.709와 동일한 개머트를 갖는 색공간이다. 하지만 감마 설정에서 약간의 차이가 있기 때문에 sRGB로 되어 있는 데이터를 HDTV에서 사용하는 Rec.709로 그대로 가져오면 이미지가 약간 어두워지게 된다. 하지만 최근의 비디오 관련 장비와 편집 소프트웨어에서는 sRGB와 Rec.709 상호 변환이 필요한 경우 자동으로 감마 보정을 해 주기 때문에 사용자가 이 부분에 신경을 써 줄 필요가 거의 없어졌다. 하지만 이 자동 기능이 반대로 문제를 일으키는 경우도 있기 때문에 동영상 작업에서 색공간에 대한 기초적인 지식과 표준 모니터의 중요성이 강조된다.

애플 RGB(Apple RGB)

애플(Apple)에서 만든 RGB 색공간으로 개머트의 범위는 sRGB와 거의 유사한 개머트를 갖지만 밝기와 색상이 조금 다른데 애플 RGB는 sRGB의 단점을 보완하기 위해 나온 것이 아니라 구형 애플 제품에서 사용한 소니 트리니트론(trinitron) 모니터에 적용하기 위한 색체계로서 개발한 것이기 때문이다. 트리니트론 방식의 모니터가 더 이상 생산되지 않는 현재는 거의 사용되지 않는 규격이다.

어도비 RGB(Adobe RGB)

이름처럼 1998년 어도비(Adobe)에서 공개한 RGB 기반의 색공간으로 sRGB가 녹색 계열의 색을 온전히 구현하지 못하는 문제를 해결하기 위해 보다 더 넓은 개머트를 기반으로 색을 재배열하는 방법을 사용해 sRGB보다 재현할 수 있는 범위를 더 넓혔다.

주로 디지털카메라와 고급형 모니터 같은 장비에서 어도비 RGB와 관련된 설정을 볼 수 있다. 디지털카메라로 촬영한 이미지를 컴퓨터에서 확인할 때의 색상이 카메라에서 확인했을 때와 달리 채도가 낮고, 녹색이 진한 것처럼 이상하게 보인다면 사용한 이미지 뷰어에서 촬영된 이미지 파일의 색공간을 제대로 지원하지 못하기 때문이다. 이 경우 대부분 sRGB만을 지원하는 이미지 뷰어로 어도비 RGB로 촬영된 이미지를 보는 경우가 대부분이다. 해결 방법은 어도비 RGB를 정식으로 지원하는 이미지 뷰어를 사용하거나 해당 이미지를 sRGB 색공간으로 변환한 다음에 이미지 뷰어로 보는 것이다.

비디오에서 가장 많이 사용하는 색공간 YUV, YCbCr/YPbPr

사람의 눈이 민감하게 반응하는 밝기값(luma)과 상대적으로 덜 민감한 색상값(chrominance)을 분리해 신호 처리를 수행하는 색공간으로 색상값 없이 밝기값만을 사용하면 바로 흑백 영상을 얻을 수 있기 때문에 컬러와 흑백 장비가 섞여 있어도 쉽게 호환성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.

또한 밝기값과 색상값의 데이터 밀도를 다르게 사용하는 것도 가능하기 때문에 영상신호의 크기를 효과적으로 절약(압축)하는 것이 가능해진다. 이것이 YUV 색공간의 핵심 원리이자 최대 장점이며 표 1-5와 같은 공식을 통해 RGB 색공간과 상호 변환이 가능하다.

근본적으로 YUV와 같은 원리를 사용하는 YCbCr은 절대값을 갖는 색공간이 아니며 RGB 정보를 변환 및 압축하는 방식의 하나로, 실제로 보이는 이미지의 색은 신호를 디스플레이하기 위해 사용된 원본 RGB 정보에 의존한다. 따라서 YCbCr 로 표현된 값은 RGB값을 sRGB로 가정한 경우가 아니라면 색상을 변환하기 위해 사용할 ICC 프로파일을 첨부한 경우에만 계산이 가능하다. YCbCr과 YPbPr은 근본적으로 같은 것으로 YCbCr은 디지털에서 YPbPr은 아날로그 시스템에서 사용하는 방식이다.

YCbCr/YPbPr 색공간으로 변환된 비디오는 4:2:2, 4:2:0과 같은 숫자의 조합으로 종종 표현되는데, 이는 샘플링 방법에 따른 약식 표기법이다. 이 세 자리 숫자는 밝기값(Luma, Y)과 R-Y, B-Y 2개의 색상값, 즉 크로미넌스 컴포넌트(Cb/Pb, Cr/Pr로 표기하기도 함)의 상대적인 샘플링 비율이다. 이를 이해하기 위해서는 디지털 이미지 픽셀의 시각화부터 시작해야 한다.

디지털 SDTV 비디오는 보통 주사선당 수평해상도가 720(또는 704)픽셀이다. 컬러 이미지를 샘플링할 때, 각각의 픽셀은 루마값(Y)과 한 쌍의 색상값(Cr, Cb)을 필요로 한다. 그러나 실제 영상의 모든 픽셀이 특히 동영상에서는 이 세 개의 값이 전부 필요로 하지는 않은데, 앞에서 설명한 것처럼 인간의 시감각 체계 특성으로 인해 사람의 눈은 색상값보다 Y로 표기되는 밝기값인 루마(luma)에 훨씬 민감하게 반응하기 때문이다. 따라서 신뢰할 만한 수준의 영상을 구현하기 위해 밝기값 즉, Y 성분은 각각의 픽셀에 모두 필요하지만 색상값인 Cr, Cb 세트는 각각의 픽셀에 모두 존재할 필요까지는 없고 절반으로도 충분하다. 이렇게 나오는 영상은 4:2:2 형태의 데이터를 갖는다.

하지만 사실 사람의 뇌는 매우 관용적이어서 여기서 Cr, Cb의 디테일을 한 번 더 절반으로 줄여도 이미지의 인식에 크게 영향을 받지는 않는데, 이렇게 해서 나오는 영상이 DV-NTSC에서 사용하는 4:1:1이다. HD로 넘어와서는 4:1:1과 유사하지만 조금은 다른 4:2:0이 보다 많이 사용되고 있는데 이것은 4개의 Y, 2개의 Cr, 0개의 Cb라는 의미가 아니다. 비록 Y보다는 낮지만 모든 주사선에서 Cr와 Cb를 모두 샘플링하는 다른 규격과 달리 4:2:0은 주사선마다 각각 Cr과 Cb를 Y의 절반만큼 번갈아가면서 샘플링한다는 의미인 것이다.

따라서 같은 소스에서 변환하고 다른 조건들은 모두 동일한 경우 4:2:0으로 변환한 영상과 4:1:1로 변환한 영상들은 같은 크로미넌스 밀도를 갖는 것은 물론 용량도 거의 같다. 4:2:0은 4:1:1과 거의 동일한 데이터량에 청색 표현 능력이 조금 더 떨어지는 단점이 있음에도 불구하고 최근 4:1:1보다 더 적극적으로 사용되는 이유는 보다 고급 규격인 4:4:4, 4:2:2과의 데이터 변환이 쉽기 때문이다.

정리하면 4:4:4와 같이 모든 숫자가 4일 때 각 픽셀에 모든 밝기 및 색상 신호가 빠짐없이 존재하는 것으로 고품질 이미지의 구현이 가능해 극장용 고화질 영상 또는 고급 합성용 소스로 사용하기에 적합하다. 사실 YCbCr 4:4:4는 이론으로 존재하고 구현도 가능지만 실제로는 거의 사용되지 않고 대신 RGB 4:4:4가 주로 사용된다. 이는 RGB가 YCbCr보다 우수하다는 의미가 아니라 RGB-YCbCr 상호 변환과정에서 손실되는 데이터가 존재해 미세한 화질 저하가 발생지만 데이터의 절약이라는 장점은 얻을 수 없기 때문이다. 따라서 4:4:4 크로마 샘플링에서는 원본 소스인 RGB를 YCbCr로 변환할 필요가 없는 것이다.

4:2:2:4 또는 4:4:4:4와 같이 네 번째 자리수가 있을 경우 마지막 네 번째 숫자는 영상에 알파채널(alpha channel), 즉 투명도(transparency) 데이터가 포함되어 있다는 뜻으로 이러한 형태의 영상 데이터는 합성 작업에 유용하게 사용된다. 이 수치는 항상 첫 번째 숫자 즉, Y 신호와 같은 수치를 사용한다. 즉, 4:1:1:4 또는 4:2:0:4는 존재할 수 있지만, 4:2:2:2는 존재할 수 없다.

NTSC의 색공간 YIQ

YIQ는 YCbCr와 유사한 방식으로 Y는 YCbCr의 경우와 마찬가지로 사람의 눈이 가장 민감하게 반응하는 밝기값을 의미하고, I는 동위상(inphase), Q는 구적(quadrature)을 의미해 2개의 부 반송파 변조를 나타낸다. SD 규격인 NTSC TV에서 사용하는 색공간이다.

YIQ를 RGB로 변환하는 식은 다음과 같다.

Y = 0.30 R+0.59 G+0.11 B
I = 0.60 R+9.28 G+0.32 B
Q = 0.21 R-0.52 G+0.31 B

인쇄 매체의 핵심 색공간 CMY, CMYK

CMY는 3개의 기준 색을 혼합해 나머지 다른 색을 만든다는 점에서 RGB 기반의 색체계와 유사한 개념이지만 사용하는 색이 각각 청록(Cyan), 자홍(Magenta), 노랑(Yellow)이라는 것과 색을 섞으면 보다 어두워지는 감산 혼합법이라는 점에서 차이가 있다. 영상 기기보다는 프린터처럼 잉크 또는 토너를 사용하는 인쇄 매체를 위한 색공간으로 주로 사용된다. 감산 혼합법으로 표현할 수 없는 흰색은 배경이 되는 매체(대부분 종이)의 색을 그대로 노출시켜 사용한다.

CMY는 기본적으로 세 가지 색을 사용하는 색체계다. 하지만 C, M, Y의 세 가지 색으로는 완전한 검은색을 표현하는 데 한계가 있기 때문에 실제로는 검정(K: blacK)이 추가된 CMYK를 더 많이 사용한다.

닮은꼴이면서 서로 다른 HSI=HSV=HSB, HSL

HSI, HSV, HSB, HSL 모두 인간의 시각 특징을 고려해 만들어진 색공간으로 영상 처리를 주목적으로 한다. 공통적으로 사용되는 H와 S 중에서 H는 적색을 기준으로 한 색상 각도인 Hue를 의미하고 S는 색상 농도, 즉 채도(saturation)를 의미한다. I와 V, B, L은 모두 밝기 정보를 나타내는 것으로 각각 인텐시티(Intensity), 밸류(Value), 밝기(Brightness), 명도(Lightness)를 의미한다. HSI, HSV, HSB는 최대 밝기 즉, 순백색과 같은 평면에 최대 색 농도인 순색을 배치한 색공간이지만, HSL은 밝기 50%의 위치에 최대 색농도의 순색을 배치한 색공간이라는 점에서 차이가 있다.

색공간이 아니지만 색공간으로 취급받는 Rec. 709, Rec. 2020

ITU-R Recommendation BT.709는 ‘국제전기통신연합(International Telecommunication Union)’에서 권장하는 HDTV를 위한 해상도, 재생률, 색공간에 대한 규정을 말하며 줄여서 Rec. 709 또는 BT.709로 표기한다. Rec. 709 색공간은 개머트가 sRGB와 동일하지만 조금 다른 감마특성을 사용하고 있다. 다시 말해 Rec. 709가 색공간만을 의미하는 것은 아니지만 색과 관련된 부분에서 Rec. 709를 언급하면 Rec. 709 색공간을 의미한다고 할 수 있다.

ITU-R Recommendation BT.2020은 줄여서 Rec. 2020 또는 BT.2020으로 표기하기도 하며 HDTV를 위한 Rec. 709처럼 UHTV를 위한 권고안으로 Rec. 709에 비해 2배 이상 확장된 개머트를 사용한다.