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루마 (비디오)

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1. 개요

루마 키(Luma key) 또는 루미넌스 키(Luminance key)는 영상의 밝기 차이를 이용하여 한 영상의 어두운 부분을 투명하게 만들어 다른 영상을 겹쳐 보이게 하는 디지털 합성 기술이다. 영상 편집 및 실시간 방송에서 자막, 특수 효과 등에 활용되며, 알파 채널과 유사한 효과를 낸다. 루마는 감마 압축된 R'G'B' 구성 요소의 가중 합으로 계산되며, 상대 휘도와 혼동될 수 있다. 루마 계산 공식은 표준에 따라 다르며, CCIR 601, ITU-R BT.709 등의 표준에 따라 서로 다른 계수가 사용된다. 루마는 휘도를 정확하게 표현하지 못해 크로마 오류가 발생할 수 있으며, 크로마 서브샘플링 사용 시 휘도 오류가 더욱 두드러질 수 있다.

2. 루미넌스 키의 원리

루미넌스 키의 자막 응용. 자막기와 비슷하게 동작한다.


'''루미넌스 키'''(Luminance key) 또는 '''루마 키'''(Luma key)는 영상의 색 밝기 차이(밝고 어두운 정도)를 이용한 디지털 합성 기술로, 한 영상의 어두운 부분을 없애거나 투명하게 만들어서 다른 쪽 영상이 비치게 할 수 있다. 영상 편집에서뿐 아니라, 영상 믹서를 이용한 실시간 방송에도 이용할 수 있다. 또, 이 루미넌스 키는 타이틀, 영화 크레딧, 자막 등에 이용할 수 있다. 이를테면 A 영상과 B 영상이 있고, A 영상은 일반 동영상, B 영상은 검은색 바탕의 불꽃이 튀기는 화면이 있다고 하자. 이때 A 영상을 B 영상과 합성하게 되면, 불꽃 효과가 A 영상에 들어가게 된다. 이 효과는 알파 채널과 비슷한 양상을 가진다.

== 루마와 상대 휘도 ==

루마(luma)는 색상 비디오에서 감마 압축된 R'G'B' 구성 요소의 가중 합으로, 여기서 ' 기호는 감마 압축을 나타낸다.[3] 이 용어는 비디오 엔지니어링에서 구현된 루마와 색채 과학에서 사용되는 상대 휘도(CIE에서 정의한) 간의 혼동을 방지하기 위해 제안되었다.[3] 상대 휘도는 감마 압축되지 않은 선형 RGB 구성 요소의 가중 합으로 형성된다.[3] 그럼에도 불구하고 루마는 때때로 잘못하여 휘도라고 불리기도 한다.[3][8] SMPTE EG 28은 루마를 나타내는 기호로 Y'를, 상대 휘도를 나타내는 기호로 Y를 권장한다.[4][9]

비디오 엔지니어링에서는 모니터의 밝기를 언급할 때 상대 휘도가 사용되기도 한다. 상대 휘도를 계산하는 데 사용되는 공식은 CIE 색 대응 함수와 관련된 적색, 녹색, 청색의 표준 색도(예: 원래 NTSC 1차 색, SMPTE C 또는 Rec. 709)를 기반으로 계수를 사용한다.[3]

Rec. 709 (sRGB 포함) 1차 색의 경우, 순수 색측정 고려 사항과 상대 휘도의 정의를 기반으로 한 선형 조합은 다음과 같다.[3]

: Y = 0.2126 R + 0.7152 G + 0.0722 B

Rec. 709 사양에서 루마를 계산하는 데 사용되는 공식은 임의로 이러한 동일한 계수를 사용하지만 감마 압축된 구성 요소를 사용한다.[3]

: Y' = 0.2126 R' + 0.7152 G' + 0.0722 B',

여기서 프라임 기호 ′는 감마 압축을 나타낸다.[3]

255, 147, 255255, 170, 170211, 211, 0
192, 192, 255200, 200, 200122, 244, 0
0, 235, 2350, 250, 1250, 255, 0
원래 NTSC(1953) 1차 색상을 사용하여 가장 밝은 기본 색상(녹색)과 같은 상대 휘도를 가진 예시 색상의 RGB 값 (감마 보정) = 2.2



255, 203, 255255, 208, 208227, 227,0
216, 216, 255219, 219, 219124, 248, 0
0, 244, 2440, 252, 1260, 255, 0
BT.709 1차 색상을 사용하여 가장 밝은 기본 색상(녹색)과 같은 상대 휘도를 가진 예시 색상의 RGB 값 (감마 보정) = 2.2



== 루마 계산 공식 ==

여러 표준에 따라 루마 계산 공식이 다르다.

CCIR 601(대부분의 디지털 표준화질 포맷)을 따르는 디지털 포맷의 경우, 루마는 다음 공식으로 계산된다.[10]

: Y'_\text{601} = 0.299 R' + 0.587 G' + 0.114 B'

ITU-R 권고안 BT. 709(대부분의 디지털 고화질 포맷)을 따르는 포맷은 다른 공식을 사용한다.[10]

: Y'_\text{709} = 0.2126 R' + 0.7152 G' + 0.0722 B'

최신 HDTV 시스템은 709 계수를 사용하는 반면, 과도기적인 1035i HDTV (MUSE) 포맷은 SMPTE 240M 계수를 사용할 수 있다.[10]

: Y'_\text{240} = 0.212 R' + 0.701 G' + 0.087 B' = Y'_\text{145}

이 계수는 표준이 만들어질 당시 사용되던 SMPTE RP 145 원색("SMPTE C"로도 알려짐)에 해당한다.[5][10]

루마 계수의 변경은 해당 표준 색좌표(색상)인 적색, 녹색, 청색 원색을 반영하는 "이론적으로 정확한" 계수를 제공하기 위한 것이다. 그러나 이 결정에 대해서는 논란의 여지가 있다.[6][11] 루마 계수의 차이로 인해 정확한 색상을 제공하려면 구성 요소 신호를 Rec. 601과 Rec. 709 간에 변환해야 한다. 소비자 장비에서는 이 변환을 수행하는 데 필요한 매트릭스가 생략될 수 있으며(비용 절감을 위해), 이로 인해 색상이 부정확해질 수 있다.[11]

Rec. 709의 루마 계수가 반드시 성능이 좋다고는 할 수 없다. 루마와 상대 휘도의 차이에 의해, 루마는 영상의 휘도를 정확하게 표현하지 못한다. 그 결과, 크로마의 오차가 휘도에 영향을 미치는 경우가 있다. 루마만으로는 휘도를 완전히 나타낼 수 없고, 휘도를 정확하게 표현하려면 정확한 루마와 크로마가 필요하다. 따라서 크로마의 오류는 영상의 휘도에 영향을 미친다. 크로마 서브샘플링이 널리 사용되고 있기 때문에, 일반적으로 해상도/대역폭을 낮추면 크로마의 오차가 발생한다. 이 대역폭의 저하와 고주파의 크로마 성분이 합쳐져 휘도에 눈에 보이는 오류가 발생한다. 고주파의 크로마 성분의 예로는, SMPTE 컬러 바 테스트 패턴의 녹색 바와 마젠타 바 사이의 선이 있다. 휘도의 오차가 이 부분에 발생하는 어두운 밴드로서 관찰된다.[12]

2. 1. 루마와 상대 휘도

루마(luma)는 색상 비디오에서 감마 압축된 R'G'B' 구성 요소의 가중 합으로, 여기서 ' 기호는 감마 압축을 나타낸다.[3] 이 용어는 비디오 엔지니어링에서 구현된 루마와 색채 과학에서 사용되는 상대 휘도(CIE에서 정의한) 간의 혼동을 방지하기 위해 제안되었다.[3] 상대 휘도는 감마 압축되지 않은 선형 RGB 구성 요소의 가중 합으로 형성된다.[3] 그럼에도 불구하고 루마는 때때로 잘못하여 휘도라고 불리기도 한다.[3][8] SMPTE EG 28은 루마를 나타내는 기호로 Y'를, 상대 휘도를 나타내는 기호로 Y를 권장한다.[4][9]

비디오 엔지니어링에서는 모니터의 밝기를 언급할 때 상대 휘도가 사용되기도 한다. 상대 휘도를 계산하는 데 사용되는 공식은 CIE 색 대응 함수와 관련된 적색, 녹색, 청색의 표준 색도(예: 원래 NTSC 1차 색, SMPTE C 또는 Rec. 709)를 기반으로 계수를 사용한다.[3]

Rec. 709 (sRGB 포함) 1차 색의 경우, 순수 색측정 고려 사항과 상대 휘도의 정의를 기반으로 한 선형 조합은 다음과 같다.[3]

: Y = 0.2126 R + 0.7152 G + 0.0722 B

Rec. 709 사양에서 루마를 계산하는 데 사용되는 공식은 임의로 이러한 동일한 계수를 사용하지만 감마 압축된 구성 요소를 사용한다.[3]

: Y' = 0.2126 R' + 0.7152 G' + 0.0722 B',

여기서 프라임 기호 ′는 감마 압축을 나타낸다.[3]

255, 147, 255255, 170, 170211, 211, 0
192, 192, 255200, 200, 200122, 244, 0
0, 235, 2350, 250, 1250, 255, 0
원래 NTSC(1953) 1차 색상을 사용하여 가장 밝은 기본 색상(녹색)과 같은 상대 휘도를 가진 예시 색상의 RGB 값 (감마 보정) = 2.2



255, 203, 255255, 208, 208227, 227,0
216, 216, 255219, 219, 219124, 248, 0
0, 244, 2440, 252, 1260, 255, 0
BT.709 1차 색상을 사용하여 가장 밝은 기본 색상(녹색)과 같은 상대 휘도를 가진 예시 색상의 RGB 값 (감마 보정) = 2.2


2. 2. 루마 계산 공식

여러 표준에 따라 루마 계산 공식이 다르다.

CCIR 601(대부분의 디지털 표준화질 포맷)을 따르는 디지털 포맷의 경우, 루마는 다음 공식으로 계산된다.[10]

: Y'_\text{601} = 0.299 R' + 0.587 G' + 0.114 B'

ITU-R 권고안 BT. 709(대부분의 디지털 고화질 포맷)을 따르는 포맷은 다른 공식을 사용한다.[10]

: Y'_\text{709} = 0.2126 R' + 0.7152 G' + 0.0722 B'

최신 HDTV 시스템은 709 계수를 사용하는 반면, 과도기적인 1035i HDTV (MUSE) 포맷은 SMPTE 240M 계수를 사용할 수 있다.[10]

: Y'_\text{240} = 0.212 R' + 0.701 G' + 0.087 B' = Y'_\text{145}

이 계수는 표준이 만들어질 당시 사용되던 SMPTE RP 145 원색("SMPTE C"로도 알려짐)에 해당한다.[5][10]

루마 계수의 변경은 해당 표준 색좌표(색상)인 적색, 녹색, 청색 원색을 반영하는 "이론적으로 정확한" 계수를 제공하기 위한 것이다. 그러나 이 결정에 대해서는 논란의 여지가 있다.[6][11] 루마 계수의 차이로 인해 정확한 색상을 제공하려면 구성 요소 신호를 Rec. 601과 Rec. 709 간에 변환해야 한다. 소비자 장비에서는 이 변환을 수행하는 데 필요한 매트릭스가 생략될 수 있으며(비용 절감을 위해), 이로 인해 색상이 부정확해질 수 있다.[11]

Rec. 709의 루마 계수가 반드시 성능이 좋다고는 할 수 없다. 루마와 상대 휘도의 차이에 의해, 루마는 영상의 휘도를 정확하게 표현하지 못한다. 그 결과, 크로마의 오차가 휘도에 영향을 미치는 경우가 있다. 루마만으로는 휘도를 완전히 나타낼 수 없고, 휘도를 정확하게 표현하려면 정확한 루마와 크로마가 필요하다. 따라서 크로마의 오류는 영상의 휘도에 영향을 미친다. 크로마 서브샘플링이 널리 사용되고 있기 때문에, 일반적으로 해상도/대역폭을 낮추면 크로마의 오차가 발생한다. 이 대역폭의 저하와 고주파의 크로마 성분이 합쳐져 휘도에 눈에 보이는 오류가 발생한다. 고주파의 크로마 성분의 예로는, SMPTE 컬러 바 테스트 패턴의 녹색 바와 마젠타 바 사이의 선이 있다. 휘도의 오차가 이 부분에 발생하는 어두운 밴드로서 관찰된다.[12]

3. 루미넌스 키의 활용



'''루미넌스 키'''(Luminance key) 또는 '''루마 키'''(Luma key)는 영상의 색 밝기 차이(밝고 어두운 정도)를 이용한 디지털 합성 기술로, 한 영상의 어두운 부분을 없애거나 투명하게 만들어서 다른 쪽 영상이 비치게 할 수 있다. 영상 편집에서뿐 아니라, 영상 믹서를 이용한 실시간 방송에도 이용할 수 있다. 타이틀, 영화 크레딧, 자막 등에 이용될 수 있다. 검은색 바탕의 불꽃이 튀기는 화면과 일반 동영상을 합성하여 불꽃 효과를 일반 동영상에 넣는 것이 그 예시이다. 이 효과는 알파 채널과 비슷한 양상을 가진다.

3. 1. 대한민국에서의 활용

4. 루마와 휘도 오류

루마는 이미지의 휘도를 정확하게 나타내지 못하기 때문에 크로마 오류가 휘도에 영향을 줄 수 있다.[7][12] 휘도만으로는 휘도를 완벽하게 나타낼 수 없으며, 정확한 휘도를 얻으려면 정확한 휘도와 크로마가 모두 필요하다. 따라서 크로마의 오류는 이미지의 휘도로 "번져"나온다.[7]

크로마 서브샘플링 사용 시, 해상도/대역폭 저하와 고주파 크로마 성분이 결합되어 휘도 오류가 발생할 수 있다.[7][12] SMPTE 컬러 바 테스트 패턴에서 녹색과 마젠타 바 사이의 어두운 띠는 휘도 오류의 예시이다.[7][12]

컬러 서브샘플링이 없는 원본 이미지. 200% 확대.


컬러 서브샘플링 후 이미지 - 녹색과 마젠타 사이에 어두운 띠로 휘도 오류가 보임.


'''CCIR 601'''에 준거한 디지털 형식(즉, 대부분의 디지털 표준화질 영상)에서는, 루마는 다음 식으로 얻어진다:

: Y'_\text{601} = 0.299 R' + 0.587 G' + 0.114 B'

ITU-R 권고 '''BT. 709'''에 준거한 형식에서는 다른 수식을 사용한다:

: Y'_\text{709} = 0.2126 R' + 0.7152 G' + 0.0722 B'

최신 HDTV 시스템은 709의 계수를 사용하지만, 전환기의 1035i HDTV 형식에서는 SMPTE 240M의 계수를 사용하는 경우가 있다:

: Y'_\text{240} = 0.212 R' + 0.701 G' + 0.087 B' = Y'_\text{145}

이러한 계수는 표준 제정 당시 사용되었던 SMPTE RP 145(「SMPTE C」라고도 불림)의 원색에 대응한다.[10]

루마 계수의 변경은 빨강, 녹색, 파랑의 각 원색에 대응하는 표준적인 색도(「색」)를 반영한 「이론적으로 정확한」 계수를 제공하기 위한 것이다. 그러나 이 판단에는 찬반 양론이 있다.[11]

참조

[1] 웹사이트 About YUV Video - Win32 apps https://learn.micros[...] 2021-01-07
[2] 서적 Different color spaces - or how levels go wrong https://www.telestre[...] Telestream
[3] 서적 Digital video and HDTV algorithms and interfaces https://poynton.ca/P[...] Morgan Kaufmann
[4] 간행물 Annotated Glossary of Essential Terms for Electronic Production SMPTE
[5] 서적 Digital Video and HD: Algorithms and Interfaces https://books.google[...] Morgan Kaufmann 2003
[6] 웹사이트 Luminance, luma, and the migration to DTV https://poynton.ca/p[...] 1998
[7] 웹사이트 Constant Luminance https://poynton.ca/n[...] 2004
[8] 문서 YUV and luminance considered harmful: a plea for precise terminology in video http://www.poynton.c[...]
[9] 간행물 Annotated Glossary of Essential Terms for Electronic Production SMPTE
[10] 서적 Digital Video and HDTV: Algorithms and Interfaces https://books.google[...] Morgan–Kaufmann
[11] 웹사이트 Luminance, luma, and the migration to DTV http://poynton.com/p[...]
[12] 웹사이트 Constant Luminance http://poynton.com/n[...]



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