색역

1. 개요

색역은 색 이론에서 기기나 처리 과정으로 표현하거나 재현할 수 있는 색 공간의 일부를 의미한다. 색역은 일반적으로 CIE 1931 색 공간과 같은 색상-채도 평면으로 표현되며, 인간의 시각, 디지털 영상 처리, 인쇄 등 다양한 분야에서 중요한 개념으로 사용된다. 광색역(WCG)은 Rec. 709보다 넓은 색역을 의미하며, DCI-P3, Adobe RGB, Rec. 2020, Rec. 2100 등이 있다.

2. 용어

색역의 영어 낱말 '개멋(gamut)'은 본래 음악 분야에서 가져온 것으로, 원래 작곡 멜로디 가락을 모아놓은 것을 뜻했다. 색 이론에서 장치나 과정에서의 색역은 표현 및 생산이 가능한 색 공간의 일부이다.

'gamut'은 영어로 색역에 해당하는 단어로, 원래는 음악 용어였으며 멜로디를 구성하는 음높이의 집합을 의미했다. 윌리엄 셰익스피어의 '말괄량이 길들이기'에서 이 단어를 사용했으며, 작곡가 토머스 몰리의 영향을 받았을 수도 있다. 1850년대에는 이 용어를 색의 범위나 색상에 사용하게 되었다. 예를 들어, 토머스 드 퀸시는 "반암은 대리석처럼 다양한 색상의 색역이 섞여 있다고 들었다"고 썼다.

3. 색역의 표현 및 한계

색역은 원래 음악 분야에서 사용되던 용어로, 멜로디를 구성하는 음높이의 집합을 의미했다. 1850년대부터 색의 범위나 색상을 나타내는 용어로 사용되기 시작했다. 색 이론에서 색역은 장치나 과정에서 표현하거나 재현할 수 있는 색 공간의 일부를 의미한다.

일반적으로 색역은 CIE 1931 색 공간과 같은 색도 다이어그램으로 표현된다. 굽은 모서리는 단색광 또는 스펙트럼 색을 나타낸다. 이러한 다이어그램을 통해 장치가 표현할 수 있는 색상의 범위와 한계를 시각적으로 확인할 수 있다.

디지털 이미지를 처리할 때는 주로 RGB 모델이 사용된다. 하지만 인쇄 시에는 CMYK 모델로 변환해야 한다. 이 과정에서 RGB 모델에서 CMYK 모델의 색역 밖의 색상은 CMYK 색역 내의 근사값으로 변환된다. 이러한 변환 알고리즘은 여러 가지가 있지만, 대상 장치의 표현 능력 한계로 인해 완벽한 변환은 불가능하며, 정보 손실이 발생한다.



색각과 색채측색법도 참고할 수 있다.

3.1. 색 재현의 한계

20세기 초, 산업계에서 색상을 제어 가능한 방식으로 표현해야 할 필요성이 커지고, 빛 스펙트럼 측정 기술이 발전하면서 색상을 수학적으로 설명하기 위한 연구가 활발하게 진행되었다.

빌헬름 오스트발트는 최적색(optimal colors)이라는 개념을 제시하였다. 에르빈 슈뢰딩거는 1919년 논문 Theorie der Pigmente von größter Leuchtkraft^독일어에서 주어진 총 반사율에서 가장 채도가 높은 색상은 특정 파장에서 반사율이 0%이거나 100%인 표면에서 만들어지며, 반사율 스펙트럼은 0%와 100% 사이에서 최대 두 번 바뀔 수 있다는 것을 보였다.

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따라서 두 가지 유형의 "최적색" 스펙트럼이 가능하다. 오른쪽 이미지처럼 스펙트럼 양 끝에서 1로, 중간에서 0으로 바뀌는 경우와, 양 끝에서 0으로, 중간에서 1로 바뀌는 경우이다. 첫 번째 유형은 CIE xy 색도 다이어그램의 말굽 모양 부분과 유사하며 스펙트럼 색상과 비슷하지만 채도가 낮다. 두 번째 유형은 CIE xy 색도 다이어그램의 직선 부분과 유사한 색상(일반적으로 채도가 낮음)을 생성하여 자홍색과 유사한 색상을 만든다.

데이비드 맥아담은 슈뢰딩거의 연구를 발전시켜, 1935년에 CIE 1931 색 공간에서 밝기 수준 Y = 10부터 95까지 10단위로 최적색 고체의 경계에 있는 점들의 좌표를 정확하게 계산했다. 이를 통해 그는 허용 가능한 정밀도로 최적색 고체를 그릴 수 있었다. 그의 업적 덕분에 최적색 고체의 경계를 맥아담 한계(MacAdam limit)라고 부른다.

1980년, 마이클 R. 포인터는 4089개 샘플을 사용하여 확산 반사를 가진 실제 표면의 최대 색역(포인터의 색역, Pointer's Gamut)을 발표했다. 경면 반사("광택")가 있는 표면은 이 색역 밖에 있을 수 있다. 이 색역은 ISO 12640-3 부록 B에서 새로운 방법으로 업데이트되었기 때문에 색 재현의 기준으로 여전히 중요하다.

현대 컴퓨터에서는 몇 초 만에 최적색 고체를 정밀하게 계산할 수 있다. 맥아담 한계는 가장 채도가 높은(또는 "최적") 색상이 어디에 있는지 보여주는데, 노란색을 제외하고는 단색에 가까운 색상은 매우 낮은 휘도 수준에서만 얻을 수 있다. 이는 녹색과 빨간색 사이의 스펙트럼 궤적의 긴 직선 부분에서 파장의 혼합이 단색 노란색에 매우 가까운 색상을 만들기 때문이다.

가법 혼색 시스템에서 기본 색상으로 사용되는 광원은 밝아야 하므로, 일반적으로 단색광에 가깝지 않다. 즉, 대부분의 가변 색상 광원의 색역은 순수한 단색광(단일 파장)을 만들기 어렵기 때문에 제한적이다. 단색광을 만드는 가장 훌륭한 기술은 레이저이지만, 비용이 비싸고 많은 시스템에 적용하기 어렵다. 그러나 광전자 공학 기술이 발전하면서 단일 종모드 다이오드 레이저 가격이 저렴해지고 있으며, 라만 분광법, 홀로그래피, 생의학 연구, 형광, 복제, 간섭계, 반도체 검사, 원격 감지, 광학 데이터 저장, 이미지 기록, 스펙트럼 분석, 인쇄, 지점 간 자유 공간 통신, 광섬유 통신 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

가법 혼색 시스템의 색역은 일반적으로 색상-채도 평면에서 대략 볼록 다각형 형태를 띤다. 다각형의 꼭짓점은 시스템이 생성할 수 있는 가장 채도가 높은 색상이다. 반면 감산 혼색 시스템의 색역은 불규칙한 형태를 띤다.

4. 광색역 (WCG)

울트라 HD 포럼은 광색역(Wide Color Gamut, WCG, 고색 재현)을 Rec. 709보다 더 넓은 색역으로 정의한다. 일반적인 광색역 표준은 다음을 포함한다:

* DCI-P3
* 어도비 RGB
* Rec. 2020: HDR10 및 돌비 비전 비디오에 사용됨.
* Rec. 2100: HDR-TV에 대한 ITU-R 권장 사항 (색도가 원색 및 백색점이 Rec. 2020과 동일함)

5. 다양한 시스템의 색역 비교

다양한 시스템은 각기 다른 색역을 가지며, 기술적 특성과 한계에 따라 표현 가능한 색상 범위가 달라진다. 다음은 넓은 색역에서 좁은 색역 순으로 정렬된 대표적인 색상 시스템 목록이다.

* [[레이저 프로젝터]]: 현재 상용화된 디스플레이 장치 중 가장 넓은 색역을 제공한다. 세 개의 레이저를 사용하여 순수한 단색에 가까운 원색을 생성하기 때문이다. 음극선관(CRT)처럼 전체 화면을 한 번에 점 단위로 스캔하거나, 디지털 광학 처리(DLP) 프로젝터처럼 한 줄씩 스캔하는 방식으로 작동한다.
* [[디지털 광학 처리]](DLP): 텍사스 인스트루먼트의 상표 기술이다. DLP 칩에는 수백만 개의 미세 거울이 배열되어 있으며, 각 거울은 광원을 향하거나 멀어지는 방향으로 기울어져 밝거나 어두운 픽셀을 생성한다.
* [[사진 필름]]: 일반적인 텔레비전, 컴퓨터, 홈 비디오 시스템보다 더 넓은 색역을 재현할 수 있다고 알려져 있다.
* [[발광 다이오드]](LED) 디스플레이와 [[유기 EL 디스플레이]](OLED): 삼원색 각각의 독립된 광원을 사용하므로, 일반적으로 널리 보급된 표시 장치 중 최고 수준의 넓은 색역과 높은 색 순도를 자랑한다.
* [[음극선관]](CRT): 삼각형 모양의 색역을 가지며, 가시 색 공간의 상당 부분을 포함한다. 빨간색, 녹색, 파란색 빛을 내는 형광체의 특성에 따라 색역이 제한된다.
* [[액정 표시 장치]](LCD): 백라이트에서 나오는 빛을 필터링하여 색을 표현하므로, 백라이트의 종류에 따라 색역이 달라진다. 일반적인 LCD는 냉음극 형광 램프(CCFL)를 사용하지만, 특정 LED나 넓은 색역 CCFL 백라이트를 사용하면 CRT보다 넓은 색역을 표현할 수 있다. IPS 방식은 TN 방식보다 넓은 시야각을 제공하여 다양한 각도에서 색상 변화가 적다.
* [[텔레비전]]: 일반적으로 CRT, LCD, LED, 플라즈마 디스플레이를 사용하지만, 방송 신호의 제한으로 인해 디스플레이의 색상 표현 능력을 최대한 활용하지 못한다. 일반적인 TV는 Rec. 601 표준을 따르며, 고선명 텔레비전(HDTV)은 Rec. 709 표준을 사용하여 색역이 약간 개선되었지만, 컴퓨터 디스플레이보다는 좁다.
* [[페인트]] 혼합: 예술 및 상업 분야에서 사용되며, 다양한 색소를 사용하여 CRT나 인쇄보다 넓은 색상 팔레트를 제공한다. 하지만 CRT에서 표현하기 어려운 일부 고채도 색상(특히 보라색)을 표현할 수 있지만, 전반적인 색역은 더 작다.
* [[인쇄]]: 일반적으로 CMYK 색 공간(시안, 마젠타, 노랑, 검정)을 사용하며, 검정 잉크를 사용하지 않는 경우는 드물다. CMYK 색 공간은 표현 가능한 색역이 제한적이므로, 주황색, 녹색, 밝은 시안, 밝은 마젠타 등의 잉크를 추가하여 색역을 확장하기도 한다. (자세한 내용은 #확장 색역 인쇄 참고)
* [[흑백]] 디스플레이: 색 공간에서 1차원 곡선 형태의 색역을 갖는다.

5.1. 확장 색역 인쇄

시안, 마젠타, 노랑, 검정 잉크를 사용하여 얻을 수 있는 인쇄 색역은 기업 로고의 색상을 인쇄할 때와 같이 때때로 제한 사항이 있다. 따라서 일부 컬러 인쇄 방법은 더 큰 색역을 얻기 위해 추가 잉크 색상을 사용한다. 예를 들어, 녹색, 주황색 및 보라색 잉크를 사용하여 해당 색상 근처의 색상의 달성 가능한 채도를 높인다. 이러한 방법은 헵타톤 컬러 인쇄, 확장 색역 인쇄 및 7색 인쇄 등으로 다양하게 불린다.

CMYK 색상의 표현 범위가 매우 좁은 문제를 해결하기 위해 다양한 인쇄 기술이 개발되어 왔다. 녹색, 주황색을 추가한 헥사크롬 방식, 녹색, 주황색, 보라색을 포함하는 3색을 추가한 OGV 인쇄, CMYK 잉크 자체의 재현 영역을 확대한 칼레이도 등이 있다.