영상처리 컬러 모델

칼라 모델

칼라 모델은 칼라를 규격화하기 위해 표준적인 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이러한 모델은 좌표 체계와 해당 체계 내의 부분 공간에 대한 명세로 각 칼라를 표현한다.

현재 대부분의 칼라 모델은 하드웨어 지향적이거나 응용 지향적이다. 하드웨어 지향 모델로는 칼라 모니터와 RGB(적, 녹, 청) 모델을 사용하는 칼라 비디오 카메라가 있다. 또한, 칼라 조작을 위한 응용 지향 모델로는 만화 영화용 칼라 그래픽스의 창작에 사용되는 CMYK(청록, 자, 향, 흑) 모델과 인간의 칼라 인식과 가까운 HSI(색상, 채도, 밝기) 모델이 있다. HSI 모델은 영상의 칼라 정보와 그레이스케일 정보를 분리할 수 있는 장점을 가지고 있으며, 이로 인해 이 책에서 다루는 그레이-스케일 기법들 중 대부분은 HSI 모델에 적용할 수 있다.

칼라 과학은 다양한 분야에 적용되기 때문에 수많은 칼라 모델이 존재한다. 이 중 일부 모델은 흥미로울 뿐만 아니라 유익하기 때문에 자세히 설명하고 싶지만, 이 장에서는 영상 처리를 위한 주요 모델에만 초점을 맞추고 있다. 이 장을 읽고 나면 다른 칼라 모델들을 이해하는 데 어려움이 없을 것이다.

RGB 칼라 모델

RGB 모델에서, 각 칼라는 적, 녹, 청의 원색 스펙트럼 성분들에 나타납니다. 이 모델은 데카르트 좌표 체계에 기반합니다. 관심 대상 칼라 부공간은 정 육면체(큐브)이며, 여기서 RGB 삼원색 값들은 세 모퉁이에 위치합니다. 등화색인 청 록, 자, 황은 다른 세 모퉁이에 위치하고, 흑색은 원점에 있으며, 백색은 원점에서 가장 먼 모퉁이에 위치합니다. 이 모델에서, 그레이 스케일(균등한 RGB 값들의 점들)은 흑색과 백색을 연결하는 선을 따라서 흑색으로부터 백색까지 뻗쳐 있습니다. 이 모델의 다른 칼라들은 이 정육면체 표면 또는 내부에 있는 점들이며, 원점에서 시작되는 벡터에 의해 정의됩니다. 편의상, 정육면체가 단위 큐브가 되도록 모든 칼라 값들이 정규화되어 있다고 가정합니다. 즉, 모든 R, G, B 값들이 [0, 1] 범위에 있는 것으로 가정됩니다.

RGB 칼라 모델에서 영상은 각 삼원색에 대해 하나씩 세 개의 성분 영상으로 구성됩니다. 이 세 영상은 RGB 모니터에 입력되면 스크린 상에서 결합되어 합성 칼라 영상을 만듭니다. 각 화소를 표현하기 위해 사용되는 비트 수는 화소 깊이(pixel depth)라고 불리며, 각 R, G, B 영상이 8비트 영상인 경우, RGB 칼라 화소는 24비트 풀 칼라 영상으로 구성됩니다. 이는 24비트 RGB 칼라 영상을 나타내는 데 사용됩니다. 24비트 RGB 영상에 있는 총 칼라 수는 16,777,216개입니다. 큐브는 16,777,216개의 칼라로 구성된 입방체입니다. 이 칼라들을 보여주는 편리한 방법은 칼라 평면을 만드는 것입니다. 이것은 세 칼라 중 하나를 고정시키고 나머지 두 칼라를 변화시킴으로써 가능합니다. 예를 들어, 큐브의 중심을 지나고 GB-평면과 평행인 단면은 C, B = 0,1,2,.., 255일 때의 (127, G, B) 평면입니다.

여기서 우리는 수학적으로 편리한 [0, 1] 범위로 정규화된 값들보다는 실제 화소 값들을 사용했는데, 그 이유는 후자의 값들이 칼라를 생성하기 위해서 컴퓨터에서 실제로 사용되는 값이기 때문이다. 그림 6.9(a)는 단순히 세 개의 개별 성분 영상을 칼라 모니터에 입력함으로써 단면의 영상이 표시될 수 있음을 보여준다.

성분 영상에서 0은 흑색, 2SS는 백색을 나타낸다(이들이 그레이-스케일 영상임을 유념한다). 끝으로, 그림 6.9(b)가 똑같은 방식으로 생성된 그림 6.8의 큐브의 감춰진 세 면을 보여준다.

그림 6.9의 과정의 역순으로 칼라 영상을 획득하는 것은 흥미로운 사실이다. 칼라 영상은 세 개의 필터를 사용하여 개별적으로, 녹색, 청색에 민감하게 획득될 수 있다. 이 필터들 중 하나가 장착된 단색 카메라로 칼라 장면을 볼 때, 결과는 해당 필터의 응답에 비례하는 밝기의 단색 영상이다. 이 과정을 각 필터로 반복하면 칼라 장면의 RGB 성분 영상인 세 개의 단색 영상이 생성된다(실제로는 RGB 칼라 영상 센서들이 이 과정을 통합하고 있다). 분명히, 이 세 RGB 성분 영상을 그림 6.9(a)에 표시된 형태로 표시하면 원래 칼라 장면의 RGB 칼라를 재현할 수 있다. 고성능 디스플레이 카드와 모니터는 24 비트 RGB 영상의 칼라를 적절히 표시하지만, 현재 많이 사용되는 시스템은 256 칼라에 국한되어 있다. 또한, 수백 개 이상의 칼라를 사용하는 것은 무의미한 응용도 많이 있다. 이에 대한 좋은 예는 칼라 영상 처리 기법들이 제공한다. 현재 사용되는 다양한 시스템에 대해, 사용자의 하드웨어 성능과 관계없이 안전한 RGB 칼라 집합을 확보하는 것이 중요하다. 이 안전한 RGB 칼라 집합을 안전한 웹 칼라 또는 안전한 브라우저 칼라라고 불린다.
256가 최소 칼라 수로 가정되는 모든 시스템에서 원하는 결과가 충실하게 재현될 수 있을 때, 일반적으로 인정된 표준 표기법으로 이 칼라들을 가리키는 것이 편리합니다. 이 중 40개의 칼라는 운영체제에 따라 다르게 처리되므로, 대부분의 시스템에서 공통적으로 사용되는 칼라는 216개뿐입니다. 이 216개의 칼라는 인터넷 응용에서 안전 칼라의 사실상 표준이 되었으며, 대부분의 사람들이 보게 될 칼라가 동일하게 나타나야 할 때 반드시 사용됩니다.
216개의 안전 칼라는 각각 세 개의 RGB 값으로 구성되며, 이 값은 0, 51, 102, 153, 204, 255 중 하나일 수 있습니다. 이러한 값들의 RGB 트리플릿은 총 216개의 가능한 값들을 제공하며, 이 값들은 보통 16진수 체계로 표시됩니다. 16진수 0부터 9까지와 A부터 F까지는 각각 십진수 0부터 15에 해당하며, (0)16은 (0000)%이고, (F)16은 (1111)입니다. 예를 들어, (FF)16은 (255)10과 같으며, 두 개의 16진수를 합치면 8비트 바이트가 형성됩니다.