색 깊이

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1. 개요

색 깊이는 컴퓨터 그래픽에서 각 픽셀에 할당된 색상 정보를 나타내는 비트 수이다. 색 깊이에 따라 표현할 수 있는 색상의 수가 달라지며, 이는 이미지 품질에 직접적인 영향을 미친다.

색 깊이는 크게 인덱스 색상과 다이렉트 색상으로 나뉜다. 인덱스 색상은 픽셀 값이 팔레트의 색상 번호를 나타내는 방식이며, 낮은 색 깊이에서 주로 사용된다. 다이렉트 색상은 픽셀 값이 직접 RGB(적, 녹, 청)의 휘도를 나타내는 방식이며, 색 깊이가 높아질수록 사용된다.

색 깊이는 1비트(흑백)부터 시작하여 2비트, 3비트, 4비트, 5비트, 6비트, 8비트, 12비트, 15/16비트(하이 컬러), 18비트, 24/32비트(트루 컬러), 30/36/48/64비트(딥 컬러)까지 다양하게 존재한다. 각 색 깊이는 특정 수의 색상을 표현하며, 하드웨어 및 소프트웨어의 성능에 따라 지원되는 색 깊이가 달라진다.

최근에는 HDR(High Dynamic Range) 및 광색역(WCG) 기술을 통해 색상 표현 범위를 확장하려는 시도가 이루어지고 있으며, 선형 색 공간 및 부동 소수점 표현을 사용하여 더 정확한 색상 정보를 저장하려는 노력도 진행되고 있다. 또한, RGB 외에 추가적인 기본 색상을 사용하여 색 영역을 넓히는 기술도 개발되고 있다.

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색 깊이
개요
정의	색 깊이(컬러 뎁스, bit depth, bits per pixel, bpp)는 컴퓨터 그래픽스에서 한 화소를 표현하기 위해 사용되는 비트(bit) 수이다.
설명	색 깊이가 높을수록 더 다양한 색상을 표현할 수 있다.
색상 표현	색 깊이는 화상에서 하나의 색을 나타내는 데 사용되는 비트의 수이다. 비트 수가 증가하면 표현할 수 있는 색상의 수가 기하급수적으로 증가한다.
종류
1비트	1비트 모노크롬 - 2가지 색상(일반적으로 흑백)을 표현한다.
2비트	4가지 색상을 표현한다.
4비트	16가지 색상을 표현한다. 초기 IBM PC, EGA, CGA에서 사용되었다.
8비트	256가지 색상을 표현한다. 인덱스 컬러 방식에서 주로 사용된다.
12비트	4,096가지 색상을 표현한다. 일부 흑백 이미지 시스템에서 사용된다.
15/16비트	하이컬러 - 32,768 또는 65,536가지 색상을 표현한다.
24비트	트루 컬러 - 16,777,216가지 색상을 표현한다.
30/36/48비트	딥 컬러 - 10억 개 이상의 색상을 표현한다.
추가 정보
용어	BPP(bits per pixel)는 색 깊이를 나타내는 또 다른 용어이다.
응용 분야	색 깊이는 비디오 게임, 디지털 사진, 컴퓨터 그래픽스 등 다양한 분야에서 사용된다.

2. 인덱스 색상

색 심도가 낮을 경우, 각 픽셀에 저장되는 값은 팔레트(색상표)의 인덱스를 가리킨다. 팔레트의 색상은 하드웨어에 의해 고정되거나 소프트웨어로 변경 가능하다. 초기 그래픽 칩은 VRAM 및 대역폭 절약을 위해 스프라이트나 타일에 대해 서로 다른 팔레트를 사용하기도 했다. 예를 들어, ZX 스펙트럼에서는 그림이 2색 형식으로 저장되지만, 8×8 픽셀 블록마다 두 가지 색상을 다르게 정의할 수 있었다.

VGA 시스템은 18비트(262,144색) 팔레트를^[7]^[8]^[9]^[10] 제공했지만, 컬러 매킨토시는 24비트(1,600만 색상) 팔레트를 제공했다.

실제로 사용된 인덱스 컬러에서의 색 심도는 다음과 같다.

비트 수	색상 수	사용 예시
1비트	2¹=2색 (흑백)	초대 매킨토시, 아타리 ST
2비트	2²=4색	CGA, 초기 넥스트스테이션(흑백), 초기 매킨토시, 아타리 ST
3비트	2³=8색	ZX 스펙트럼, BBC 마이크로 등 초기 가정용 컴퓨터
4비트	2⁴=16색	EGA, VGA, 매킨토시, 아타리 ST, 코모도어 64, Amstrad CPC
5비트	2⁵=32색	초기 아미가
6비트	2⁶=64색	아미가 독자 칩셋 등
8비트	2⁸=256색	초기 유닉스 워크스테이션, SVGA, 매킨토시 등
12비트	2¹²=4096색	실리콘 그래픽스 일부 시스템, 네오지오, 넥스트스테이션, 아미가 HAM 모드

2. 1. 1비트 색상 (흑백)

2가지 색상(흔히 흑백)으로 표현된다. 때로는 1이 검은색을 의미하고 0이 흰색을 의미하기도 했는데, 이는 현대 표준과는 반대였다. 최초의 그래픽 디스플레이 대부분이 이러한 유형이었으며, X 윈도 시스템은 이러한 디스플레이를 위해 개발되었고, 3M 컴퓨터에서도 이를 가정했다. 1980년대 후반에는 최대 300 dpi(현대 레이저 프린터와 동일) 해상도의 전문 디스플레이가 있었지만, 컬러가 더 인기를 얻었다.

초대 매킨토시, 아타리 ST 등에서 사용되었다.

2. 2. 2비트 색상

2비트 컬러(2²=4색)는 4가지 색상을 표현한다. 보통 고정된 팔레트에서 색상을 선택한다. 초기 넥스트스테이션의 흑백, 컬러 매킨토시, 아타리 ST 중간 해상도, CGA(320×200 픽셀)에서 사용되었다.

2. 3. 3비트 색상

3비트 색상은 8가지 색상을 표현한다. ZX 스펙트럼, BBC 마이크로 등 텔레비전 수신기를 표시에 사용하는 초기 가정용 컴퓨터에서 주로 사용되었다.

2. 4. 4비트 색상

16가지 색상은 일반적으로 고정된 팔레트에서 선택된다. CGA(최저 해상도), EGA 및 덜 일반적인 VGA 표준(더 높은 해상도)에서 사용되었다. 매킨토시, 아타리 ST 저해상도, 코모도어 64, 암스트라드 CPC도 4비트 색상을 지원했다.

2. 5. 5비트 색상

5비트 색상(2⁵=32색)은 초기의 오리지널 아미가 칩셋에서 사용되었다.

2. 6. 6비트 색상

6비트 색상(2⁶=64색)은 마스터 시스템, 향상된 그래픽스 어댑터, TRS-80 컬러 컴퓨터 3용 GIME, 페블 타임 스마트워치(64색 전자 종이 디스플레이), 레퍼런스 VGA 회로를 사용하는 패럴랙스 프로펠러에서 사용된다. Amiga의 독자 칩셋 등에서도 사용되었다.

2. 7. 8비트 색상

8비트 색상은 256가지 색상을 표현한다. 초기 컬러 유닉스 워크스테이션, 슈퍼 VGA, 컬러 매킨토시, Atari TT, 아미가 AGA 칩셋 등에서 사용되었다.^[11]

일부 시스템은 직접 색상 시스템을 위해 팔레트에 색상 큐브를 배치하기도 했다. (따라서 모든 프로그램이 동일한 팔레트를 사용함) 이는 인간의 눈이 빨간색이나 녹색보다 파란색 구성 요소에 덜 민감하기 때문에 파란색에는 더 적은 수의 색상 단계를 제공하는 것이다.^[11] 일반적인 색상 큐브 크기는 다음과 같다.

6×6×6 (웹 안전 색상): 회색 램프 또는 프로그래밍 가능한 팔레트 항목에 40개의 색상을 할당.
8×8×4: 빨간색 및 녹색 각 3비트, 파란색 2비트. 곱셈을 사용하지 않고 색상에서 올바른 값을 계산할 수 있다. MSX2 시스템 시리즈 컴퓨터 등에서 사용되었다.
6×7×6 색상 큐브: 프로그래밍 가능한 팔레트 또는 회색에 4개의 색상 할당.
6×8×5 큐브: 프로그래밍 가능한 팔레트 또는 회색에 16개의 색상 할당.

매우 제한적이지만, R과 G 성분에 각각 3비트(8단계)를 할당하고 B에 2비트(4단계)를 할당하는 직접 색상 방식도 있다. 이 방식을 통해 256색을 표현할 수 있으며, MSX2 등에서 채용되었다.

2. 8. 12비트 색상

12비트 색상은 4,096가지 색상을 표현한다. 일부 실리콘 그래픽스 시스템, 컬러 넥스트스테이션(NeXTstation) 시스템, 아미가 시스템의 HAM 모드에서 이 색상 심도를 지원한다.

3. 다이렉트 색상 (Direct Color)

비트 수가 증가함에 따라 표현할 수 있는 색상 수가 증가한다. 색상 깊이가 커지면 픽셀마다의 데이터를 그대로 RGB(빨강, 녹색, 파랑)의 휘도로 나타내는데, 이를 다이렉트 컬러라고 한다. 픽셀 값에서 직접 색상을 계산할 수 있으면 "직접 색상"이다.

일반적인 컴퓨터용 디스플레이 장치나 비디오 카드는 R/G/B 3개 채널 각각에 8비트(256계조)를 할당하여 전체 24비트 색 공간을 나타낸다. 과거에는 채널마다 6비트(64계조)를 할당하기도 했다.

3. 1. 하이 컬러 (15/16비트)

하이 컬러는 픽셀당 2바이트(16비트)를 사용하여 색을 표현하는 방식이다. 일반적으로 빨강(R), 녹색(G), 파랑(B) 각각에 5비트를 할당하고, 남는 1비트는 사용하지 않거나 다른 용도(마스크 채널, 인덱스 색상 전환 등)로 활용한다. 이를 통해 32,768가지 색상을 표현할 수 있다.

또 다른 방식으로는, 인간의 눈이 녹색에 더 민감하다는 점을 고려하여 녹색(G)에 6비트를 할당하고 나머지 빨강(R)과 파랑(B)에 각각 5비트를 할당하는 경우가 있다. 이 경우 65,536가지 색상을 표현할 수 있지만, 투명도는 지원하지 않는다.^[12]

하이 컬러는 휴대폰과 같은 소형 기기의 컬러 디스플레이에 주로 사용되며, 사진 이미지를 표시하기에 충분한 색상 수를 제공하는 것으로 평가받는다.^[13]

초기 하이 컬러 표준을 사용한 하드웨어로는 샤프의 X68000과 IBM의 XGA가 있다.

한편, R, G, B 각각에 4비트를 할당하고 나머지 4비트를 알파 채널로 활용하여 4,096가지 색상을 표현하는 방식도 있다.

3. 2. 18비트 색상

대부분의 저가형 LCD (TN 패널)는 빠른 색상 전환을 위해 18비트 색상 (64×64×64 = 262,144가지 조합)을 제공하며, 24비트 픽셀당 트루 컬러에 근사하기 위해 디더링 또는 프레임 속도 제어를 사용하거나,^[14] 6비트의 색상 정보를 완전히 버리기도 한다. 고급형 LCD (일반적으로 IPS 패널)는 24비트 이상의 색 심도를 표시할 수 있다.^[38]

3. 3. 트루 컬러 (24/32비트)

24비트는 거의 항상 R, G, B 각각에 8비트(8 bpc)를 사용한다. 2018년 기준으로 24비트 색 심도는 사실상 모든 컴퓨터 및 휴대폰 디스플레이와 대다수의 이미지 파일 형식에서 사용된다. 픽셀당 32비트는 색상에 24비트를 할당하고 나머지 8비트는 알파 합성에 사용되거나 사용되지 않는다.

2²⁴는 16,777,216가지 색상 변화를 제공한다. 인간의 눈은 최대 천만 가지 색상을 구별할 수 있으며,^[15] 디스플레이의 색상 영역은 인간 시각의 범위보다 작으므로 이는 인지할 수 있는 것보다 더 많은 세부 사항으로 해당 범위를 커버해야 한다. 그러나 디스플레이는 인간 인식 공간에 색상을 균등하게 분산시키지 않으므로 인간은 일부 인접한 색상 간의 변화를 색상 밴딩으로 볼 수 있다. 그레이스케일은 세 채널 모두를 동일한 값으로 설정하여 256가지 색상만 생성한다.

DVD-Video 및 블루레이 디스크 표준은 4:2:0 크로마 서브샘플링을 사용하여 YCbCr에서 색상당 8비트의 비트 심도를 지원한다.^[16]^[17] YCbCr은 무손실로 RGB로 변환할 수 있다.

macOS는 24비트 색상을 "수백만 가지 색상"이라고 부른다.

트루 컬러는 약 1677만(=2²⁴)가지의 색을 표현할 수 있다. 24비트 트루 컬러는 RGB 각각을 8비트로 나타낸다. 따라서 각 색상 요소는 256 계조의 휘도로 표시되며, 전체적으로 16,777,216색을 표현할 수 있다.

3 종류의 그레이스케일 이미지 A, B, C에 서로 다른 순서로 R, G, B를 할당하여 합성한 컬러 이미지

32비트 트루 컬러라고 불리는 것은 4,294,967,296(=2³²)색을 표현할 수 있는 것은 아니다. 실제로는 24비트 트루 컬러이며, 나머지 8비트는 아무것도 저장되지 않거나, 알파 채널에 사용된다. 현재의 컴퓨터는 일반적으로 24비트 단위보다 32비트 단위로 데이터를 처리하는 것이 능숙하기 때문에, 32비트로 픽셀 데이터를 유지하도록 하고 있다.

3. 4. 딥 컬러 (30/36/48/64비트)

'''딥 컬러'''(Deep color)는 10억 개 이상의 색상을 표현할 수 있는 색 깊이이다.^[19] 2³⁰은 1,073,741,824이며, 일반적으로 빨강, 녹색, 파랑(RGB) 각각에 10비트씩 할당하는 방식(10 bpc)이다.

HDMI 1.3 규격은 30비트, 36비트, 48비트의 색 깊이를 정의한다.^[21] 2006년 이후 제조된 엔비디아 쿼드로 그래픽 카드는 30비트 딥 컬러를 지원하며,^[22] 스튜디오 드라이버와 함께 사용되는 Pascal 또는 이후의 GeForce 및 Titan 카드도 지원한다.^[23] Radeon HD 5900 시리즈 (예: HD 5970)와^[24]^[25] ATI FireGL V7350 그래픽 카드는 40비트 및 64비트 픽셀(알파 채널이 있는 30비트 및 48비트 색 심도)을 지원한다.^[26]

DisplayPort는 버전 1.3부터 VESA 디스플레이 스트림 압축을 통해 24 bpp보다 큰 색 심도를 지원한다.^[27]

WinHEC 2008에서 마이크로소프트는 윈도우 7에서 30비트 및 48비트 색 깊이를 지원할 것이라고 발표했다.^[28]^[29]

고효율 비디오 코딩(HEVC, H.265)은 메인 10 프로파일을 정의하여 샘플당 8비트 또는 10비트를 허용한다.^[3]^[4]^[5]^[30]^[31]

2020년 현재, OnePlus 8 Pro, Oppo Find X2 및 Find X2 Pro, 소니 엑스페리아 1 II, 샤오미 Mi 10 Ultra, 모토로라 엣지+, ROG Phone 3, 샤프 Aquos Zero 2와 같은 일부 스마트폰이 30비트 색 깊이를 사용하기 시작했다.

4. 확장

일부 시스템에서는 해상도를 높이는 대신 0–1 범위를 벗어나는 숫자에 해당 비트를 사용하기 시작했다. 1보다 큰 숫자는 디스플레이가 표시할 수 있는 것보다 밝은 색상, 즉 HDR 영상(HDRI)에 사용되었다. 음수는 모든 가능한 색상을 포괄하도록 색 영역을 넓히고 음수 필터 계수를 사용하여 필터링 작업의 결과를 저장하는 데 사용될 수 있다. 픽사 이미지 컴퓨터는 2비트 정수 부분과 10비트 소수 부분을 사용하여 [-1.5, 2.5) 범위의 숫자를 저장하는 데 12비트를 사용했다. 시네온 영상 시스템은 95를 검은색, 685를 흰색으로 조정된 비디오 하드웨어를 갖춘 10비트 전문가용 비디오 디스플레이를 사용했다.^[33]

디프 컬러는 10억 개 이상의 색상을 표현할 수 있는 것을 의미한다.^[41] 디프 컬러 시스템에서는 xvYCC, sRGB, YCbCr이라는 색 공간을 사용할 수 있다.^[42] R/G/B 각각에 10비트를 할당하는 (전체 30비트) 비디오 카드가 1990년대 후반 시장에 등장했다. 예를 들어, Macintosh용 Radius ThunderPower라는 카드가 있었으며, 30비트 컬러 이미지 편집을 지원하기 위한 QuickDraw 및 Adobe Photoshop 플러그인을 포함했다.^[43] 실리콘 그래픽스 등에서 하이엔드 그래픽 워크스테이션용으로 채널별로 12비트 또는 16비트를 할당하는 것(36비트 컬러, 48비트 컬러)이 출시되었다.

이미지의 다이내믹 레인지를 확장하는 방법으로 HDR 합성(HDRI) 등은 부동 소수점으로 휘도를 나타낸다. 이를 통해, 휘도 변화가 심한 이미지도 하나의 색 공간으로 표현할 수 있다. ILM은 OpenEXR이라는 새로운 오픈 표준 이미지 파일 형식을 제안했으며, 이는 16비트 부동 소수점을 사용하는 것이다.

더 많은 비트는 빛을 선형 값으로 저장하도록 장려했으며, 여기서 숫자는 방출되는 빛의 양에 직접적으로 해당한다. 선형 레벨은 컴퓨터 그래픽 계산을 훨씬 쉽게 만든다. 그러나 선형 색상은 흰색 근처에는 불균형적으로 더 많은 샘플을, 검은색 근처에는 더 적은 샘플을 생성하므로 16비트 선형의 품질은 약 12비트 sRGB와 같다.

부동소수점 숫자는 샘플을 반대수적으로 간격을 두어 선형 빛 레벨을 나타낼 수 있다. 부동소수점 표현은 또한 엄청나게 더 큰 동적 범위와 음수 값을 허용한다. 1999년, Industrial Light & Magic은 채널당 16비트 반정밀도 부동소수점 숫자를 지원하는 오픈 표준 이미지 파일 형식 OpenEXR을 출시했다.

거의 모든 텔레비전 및 컴퓨터 디스플레이는 빨강, 녹색, 파랑의 세 가지 기본 색상을 혼합하여 이미지를 형성한다. 그러나 텍사스 인스트루먼트의 ''BrilliantColor''와 같은 기술은 청록색, 자홍색, 노란색 등의 추가 기본 색상을 사용하여 표시 가능한 색상의 범위를 확장한다.^[34] 샤프 아쿠오스 TV는 쿼트론 기술을 도입하여 노란색 서브 픽셀을 추가함으로써 일반적인 RGB 픽셀 구성 요소를 보강한다.

4. 1. HDR 및 광색역 (WCG)

일부 시스템은 해상도를 높이는 대신 0–1 범위를 벗어나는 숫자에 해당 비트를 사용하기 시작했다. 1보다 큰 숫자는 디스플레이가 표시할 수 있는 것보다 밝은 색상, 즉 HDR 영상(HDRI)에 사용되었다. 음수는 모든 가능한 색상을 포괄하도록 색 영역을 넓히고 음수 필터 계수를 사용하여 필터링 작업의 결과를 저장하는 데 사용될 수 있다. 픽사 이미지 컴퓨터는 2비트 정수 부분과 10비트 소수 부분을 사용하여 [-1.5, 2.5) 범위의 숫자를 저장하는 데 12비트를 사용했다. 시네온 영상 시스템은 95를 검은색, 685를 흰색으로 조정된 비디오 하드웨어를 갖춘 10비트 전문가용 비디오 디스플레이를 사용했다.^[33] 증폭된 신호는 CRT의 수명을 단축시키는 경향이 있었다.

디프 컬러는 10억 개 이상의 색상으로 이루어진 색역을 표현할 수 있는 것을 의미한다.^[41] 디프 컬러 시스템에서는 xvYCC, sRGB, YCbCr이라는 색 공간을 사용할 수 있다.^[42]

30/36/48/64비트가 있다. R/G/B 각각에 10비트를 할당하는 (전체 30비트) 비디오 카드가 1990년대 후반 시장에 등장했다. 예를 들어, Macintosh용 Radius ThunderPower라는 카드가 있었으며, 30비트 컬러 이미지 편집을 지원하기 위한 QuickDraw 및 Adobe Photoshop 플러그인을 포함했다.^[43]

실리콘 그래픽스 등에서 하이엔드 그래픽 워크스테이션용으로 채널별로 12비트 또는 16비트를 할당하는 것(36비트 컬러, 48비트 컬러)이 출시되었다. 48비트 컬러의 경우, 픽셀에는 64비트를 할당하고, 16비트를 알파 채널로 사용한다.

이미지의 다이내믹 레인지를 확장하는 방법으로 HDR 합성(HDRI) 등은 부동 소수점으로 휘도를 나타낸다. 이를 통해, 휘도 변화가 심한 이미지도 하나의 색 공간으로 표현할 수 있다. R/G/B 각각에 32비트를 사용하는 경우가 많다. ILM은 OpenEXR이라는 새로운 오픈 표준 이미지 파일 형식을 제안했으며, 이는 16비트 부동 소수점을 사용하는 것이다.

4. 2. 선형 색 공간 및 부동 소수점

더 많은 비트는 빛을 선형 값으로 저장하도록 장려했으며, 여기서 숫자는 방출되는 빛의 양에 직접적으로 해당한다. 선형 레벨은 컴퓨터 그래픽 계산을 훨씬 쉽게 만든다. 그러나 선형 색상은 흰색 근처에는 불균형적으로 더 많은 샘플을, 검은색 근처에는 더 적은 샘플을 생성하므로 16비트 선형의 품질은 약 12비트 sRGB와 같다.

부동소수점 숫자는 샘플을 반대수적으로 간격을 두어 선형 빛 레벨을 나타낼 수 있다. 부동소수점 표현은 또한 엄청나게 더 큰 동적 범위와 음수 값을 허용한다. 대부분의 시스템은 처음에 채널당 32비트 단정밀도를 지원했는데, 이는 대부분의 응용 프로그램에 필요한 정확도를 훨씬 초과했다. 1999년, Industrial Light & Magic은 채널당 16비트 반정밀도 부동소수점 숫자를 지원하는 오픈 표준 이미지 파일 형식 OpenEXR을 출시했다. 1.0 근처의 값에서 반정밀도 부동소수점 값은 11비트 정수 값의 정밀도만 가지므로, 일부 그래픽 전문가는 확장된 동적 범위가 필요하지 않은 상황에서 반정밀도를 거부한다.

4. 3. 3원색 초과

거의 모든 텔레비전 및 컴퓨터 디스플레이는 빨강, 녹색, 파랑의 세 가지 기본 색상을 혼합하여 이미지를 형성한다. 그러나 텍사스 인스트루먼트의 ''BrilliantColor''와 같은 기술은 청록색, 자홍색, 노란색 등의 추가 기본 색상을 사용하여 표시 가능한 색상의 범위를 확장한다.^[34] 미쓰비시와 삼성 등은 일부 TV에서 ''BrilliantColor''를 사용하고 있다.

샤프 아쿠오스 TV는 쿼트론 기술을 도입하여 노란색 서브 픽셀을 추가함으로써 일반적인 RGB 픽셀 구성 요소를 보강한다. 그러나 확장된 색 영역을 지원하거나 사용하는 형식과 미디어는 현재 매우 드물다.

인간은 대부분 삼색형 색각을 가지므로 네 번째 기본 색상을 추가하는 것이 큰 이점을 제공하지 않을 수 있다. 하지만 인간은 RGB 디스플레이로 표현할 수 있는 것보다 더 넓은 색 영역(특히 청록색 음영)을 볼 수 있다.

참조

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