영상처리 CMYK 칼라모델, HSI 칼라모델

CMY와 CMYK 칼라 모델들

6.1절에서 언급된 대로, 청록, 자, 황은 빛의 등화색 또는 안료의 삼원색입니다. 예를 들어, 청록색 안료로 코팅된 표면이 백색광으로 조명될 때, 그 표면으로부터 적색광이 반사되지 않습니다. 즉, 청록은 같은 양의 적, 녹, 청색 광으로 구성된 백색광에서 적색광을 빼고 반사합니다.

칼라 프린터와 복사기 같이 종이에 유색 안료를 뿜는 대부분의 장치들은 CMY 데이타 입력을 필요로 하거나, 내부적으로 RGB-10-CMY 전환을 수행합니다. 이 전환은 간단한 연산을 이용해서 수행됩니다. 여기서 다시 모든 칼라 값들이 [0, 1] 범위로 정규화되었다고 가정합니다. 식 (6.2-1)은 순수한 청록으로 코팅된 표면으로부터 반사되는 빛이 적색을 포함하지 않음을 보여줍니다(즉, 식에서 C= 1- R). 마찬가지로, 순수한 자은 녹색을 반사하지 않으며, 순수한 황색은 청색을 반사하지 않습니다. 식(6.21)은 또한 개별 CMY 값을 1에서 뺌으로써, RGB 값들이 CMY 값 집합으로부터 쉽게 얻어질 수 있음을 보여줍니다. 앞에서 언급되었듯이, 영상 처리에서 이 칼라 모델은 하드카피 출력 생성과 관련하여 사용되므로, CMY에서 RGB로의 역 연산은 일반적으로 실제 중요치 않다.

그림 6.4에 따르면, 안료 삼원색인 청록, 자, 황을 혼합하면 흑색이 나와야 합니다. 그러나 실제로는 인쇄를 위해 이 세 색상을 혼합하면 탁한 흑색이 나타납니다. 따라서 진짜 흑색(인쇄 시 지배적인 색상)을 만들기 위해 네 번째 색상인 흑색이 추가되며, 이로 인해 CMYK 색상 모델이 등장합니다. 출판사들이 "4색판"을 말할 때는 CMY 색상 모델의 세 색상에 흑색을 더한 것을 의미합니다.

HSI 칼라 모델

우리가 보아온 것처럼, RGB와 CMY 칼라 모델에서 서로 간에 칼라를 생성하고 바꾸는 것은 간단한 작업입니다. 앞에서 언급되었듯이, 이 칼라 시스템들은 하드웨어 구현에 적합합니다. 더욱이, RGB 시스템은 인간의 눈이 적, 녹, 청의 삼원 색에 아주 민감하다는 사실과 잘 일치합니다. 유감스럽게도, RGB, CMY, 그리고 다른 유사한 칼라 모델들은 인간이 해석하기에 실용적인 용어로 칼라를 묘사하는 데 별로 적합하지 않습니다. 예를 들면, 인간은 자동차의 칼라를 말할 때 그 칼라를 구성하는 삼원색의 백분율로 대답하지 않습니다. 더군다나, 우리는 칼라 영상을, 그 한 영상을 형성하기 위해 결합된 세 개의 삼원색 영상으로 구성되어 있는 것으로 생각하지도 않습니다.

인간은 칼라 객체를 볼 때, 색상, 채도, 명도에 따라 그 칼라를 묘사합니다. 6.1 절의 논의에 따르면, 색상은 순수한 칼라(순수 노랑, 오렌지, 빨강 등)를 묘사하는 칼라 속성이며, 채도는 순수 칼라가 백색광에 의해 희석된 정도를 나타내는 척도입니다. 명도는 실질적으로 측정할 수 없는 주관적인 묘사자입니다. 명도는 밝기의 무색 개념을 나타내며, 색감을 묘사할 때의 주요 요소 중 하나입니다. 우리는 밝기(그레이 레벨)가 단색 영상의 가장 유용한 묘사자임을 알고 있습니다.
이 수량은 명확하게 측정 가능하며 쉽게 해석할 수 있습니다. 우리가 소개하는 모델은 HS(색상, 채도, 밝기) 칼라 모델로, 칼라 영상에서 밝기 성분을 색상과 채도 정보로부터 분리합니다. 이로 인해 HSI 칼라 모델은 인간에게 맞고 직관적으로 이해 가능한 칼라 문사에 기반한 영상 처리 알고리즘을 개발하기 위한 이상적인 도구입니다. RGB는 영상 칼라 생성에 이상적이지만, 칼라 묘사에는 부족하다는 것을 요약할 수 있습니다. 다음은 칼라 묘사를 위한 효과적인 방법을 제공합니다.

예제 6.1에서의 논의와 같이, RGB 칼라 영상은 세 개의 단색 밝기 영상으로 간주될 수 있으므로, RGB 영상으로부터 밝기를 추출할 수 있어야 한다는 것에 놀라지 말아야 합니다. 이는 그림 6.7의 칼라 큐브를 가지고 있고, 그림 6.12(a)에 보인 것과 같이 흑색 (0, 0, 0) 꼭지점은 바닥에 닿게 하고 백색 꼭지점 (1,1,1)은 그 수직 위에 있게 세우면 다소 명확해집니다. 그림 6.7과 관련해서 언급되었듯이, 밝기(그레이 스케일)는 두 꼭지점을 연결하는 선을 따라 존재합니다. 그림 6.12에 보인 배치에서 흑색과 백색 꼭지점들을 연결하는 선 (밝기 축)이 수직입니다. 따라서 그림 6.12의 임의의 칼라 점에 대한 밝기 성분을 결정하기를 원한다면, 단순히 밝기 축에 수직이고 그 칼라 점을 지나는 평면을 통과시키면 될 것입니다. 이 평면과 밝기 축과의 교차는 [0, 1] 범위의 밝기 값을 갖는 점을 제공할 것입니다. 또한 칼라의 채도(순수성)가 밝기 축으로부터의 거리의 함수로서 증가한다는 것도 쉽게 알 수 있습니다. 실제로, 밝기 축 상의 모든 점들이 회색이라는 사실이 증거가 되듯, 밝기축상 점의 채도는 0이다.

RGB 점으로부터 색상을 측정하는 방법을 알아보기 위해, 흑, 백, 청록 세 점에 의해 정의되는 평면을 보여주는 그림 6.12(b)를 분석합니다. 이 평면에는 밝기 축도 포함되어 있으며, 밝기 축과 큐브의 경계에 의해 정의되는 평면 조각에 포함된 모든 점들은 같은 색상을 가집니다. 또한, 세 칼라에 의해 생성되는 모든 색상은 그 칼라들에 의해 정의되는 삼각형 안에 놓이므로, 이 삼각형 안의 점들은 같은 색상을 가집니다. 만약 이 점들 중 둘이 흑색과 백색이고 세 번째는 어떤 칼라 점이라면, 삼각형 상의 모든 점은 같은 색상을 가지게 됩니다.

음영 처리된 평면을 수직 밝기 축을 중심으로 회전시키면, 다른 색상을 얻을 수 있습니다. 이 개념으로부터, HISI 공간을 형성하는 데 필요한 색상, 채도, 밝기 값들이 RGB 칼라 큐브로부터 얻어질 수 있다는 결론에 이르게 됩니다. 즉, 앞에서 논의된 이론을 기하학적 공식으로 묘사하여, 어떤 RGB 점이든 HSI 칼라 모델의 대응 점으로 전환할 수 있습니다.

그림 6.12의 큐브 배치와 그 대응 HSI 칼라 공간과 관련하여 명심해야 할 중요한 사항은, HSI 공간이 수직 밝기 축과 이 축에 수직인 평면들에 놓인 칼라 점들의 위치에 의해 나타내어진다는 것입니다. 이 평면들이 밝기 축을 따라 아래 위로 이동함에 따라, 각 평면과 큐브의 표면 간의 교차에 의해 정의되는 경계들이 삼각형 또는 육각형 모양을 가지게 됩니다. 이는 그림 6.13(a)에서 보듯이 큐브를 그 그레이스케일 축을 따라서 내려다 봄으로써 쉽게 시각화될 수 있습니다. 이 평면에 서 삼원색이 1200씩 분리되어 있음을 알 수 있습니다. 등화색들은 삼원색들로부터 600씩 떨어져 있으며, 이는 등화색들 간의 각도도 120°임을 의미합니다.
그림 6.13(b)는 동일한 육각형 모양과 임의의 색 점(점 표시)을 보여줍니다. 이 점의 색깔은 어떤 기준점으로부터의 각도에 따라 결정됩니다. 일반적으로(항상은 아니지만), 적색 축으로부터 00도는 0색을 나타내며, 거기서부터 색깔은 반시계 방향으로 증가합니다. 채도(수직축으로부터의 거리)는 원점으로부터 해당 점까지의 벡터의 길이입니다. 원점은 색상 평면과 수직한 밝기 축의 교차점에 의해 정의됨을 주목해야 합니다.