화소
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1. 개요
픽셀(pixel)은 그림을 뜻하는 'pix'와 요소를 뜻하는 'el'을 결합한 단어로, 디지털 이미지의 가장 작은 단일 구성 요소를 의미한다. 픽셀은 디지털 이미지, 인쇄물, 디스플레이 장치 등 다양한 형태로 존재하며, 디지털 이미지의 픽셀 수는 해상도를 나타낸다. 픽셀은 색상 표현을 위해 빨강, 녹색, 파랑의 명도 정보를 가지며, 픽셀당 할당되는 비트 수에 따라 표현 가능한 색상 수가 결정된다. 픽셀과 관련된 기술적 특징으로 서브픽셀, 앤티에일리어싱, 픽셀 종횡비 등이 있으며, 메가픽셀은 100만 픽셀을 나타내는 단위로 사용된다.
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2. 용어
단어 '화소'(pixel)는 'pictures'(사진)에서 유래한 'pix'와 'element'(요소)를 뜻하는 'el'을 합쳐 만든 말이다. 'el'이 들어간 비슷한 단어로는 '복셀'(voxel, 부피 화소)[4]과 '텍셀'(texel, 텍스처 화소)[4]이 있다. 'pix'라는 단어는 1932년 버라이어티 잡지 헤드라인에서 영화를 가리키는 'Pictures'의 약어로 처음 등장했다.[5] 1938년부터는 사진 기자들이 정지 사진을 가리킬 때 'pix'를 사용하기 시작했다.[7]
'화소'(picture element)라는 개념 자체는 텔레비전 기술 초창기까지 거슬러 올라간다. 예를 들어 파울 니프코프(Paul Nipkow)가 1888년에 낸 독일 특허에는 'Bildpunkt'(독일어로 화소를 의미하며, 글자 그대로는 '그림 점'이라는 뜻)라는 용어가 등장한다. 여러 어원 연구에 따르면, 'picture element'라는 용어가 공식적으로 처음 인쇄물에 등장한 것은 1927년 ''와이어리스 월드'' 잡지였다.[8] 하지만 이 용어는 이미 1911년경 제출된 여러 미국 특허에서도 사용된 바 있다.[9]
'픽셀'(pixel)이라는 단어는 1965년 JPL의 프레데릭 C. 빌링슬리(Frederic C. Billingsley)가 달과 화성으로 보낸 우주 탐사선이 찍은 이미지의 구성 요소를 설명하면서 처음 사용하고 발표했다.[6] 빌링슬리는 팰로앨토에 있는 제너럴 프리시전(General Precision)의 링크 부서(Link Division) 소속 키스 E. 맥팔랜드(Keith E. McFarland)에게서 이 단어를 배웠다고 한다. 하지만 맥팔랜드는 이 단어가 어디서 왔는지 몰랐으며, 단지 1963년경에 "이미 쓰이고 있던 말"이라고만 했다.[7]
일부 저술가들은 1972년경부터 '픽셀'을 '픽처 셀'(picture cell)로 설명하기도 한다.[10] 그래픽이나 이미지 및 비디오 처리 분야에서는 '픽셀' 대신 'pel'이라는 용어도 자주 쓰인다.[11] 예를 들어, IBM은 초기 개인용 컴퓨터(PC) 관련 기술 문서에서 이 용어를 사용했다.
한편, 철자가 비슷한 픽실레이션(pixilation)은 살아있는 배우를 프레임 단위로 촬영하여 스톱 모션 애니메이션처럼 보이게 하는 영화 기법으로, '픽셀'과는 관련이 없다. 이 용어는 '픽시에게 홀림'을 뜻하는 옛 영어 단어에서 유래했으며, 1950년대 초부터 노먼 맥라렌(Norman McLaren)과 그랜트 먼로(Grant Munro) 등에 의해 애니메이션 기법을 설명하는 데 사용되었다.[12]
3. 기술적 특징
픽셀은 일반적으로 디지털 이미지의 가장 작은 단일 구성 요소로 간주된다. 그러나 이 정의는 사용되는 맥락에 따라 다양하게 해석될 수 있다. 예를 들어, 페이지에 인쇄된 CMYK 방식의 '인쇄된 픽셀', 전자 신호로 전송되는 픽셀, 디지털 값으로 표현되는 픽셀, 디스플레이 장치에 나타나는 픽셀, 또는 디지털 카메라의 광 센서 요소로서의 픽셀 등이 있다. 이 외에도 상황에 따라 펠(pel), 샘플(sample), 바이트(byte), 비트(bit), 점(dot), 스폿(spot) 등 다양한 용어가 픽셀과 유사한 의미로 사용되기도 한다. 또한, 픽셀은 '인치당 2400 픽셀', '라인당 640 픽셀', '10 픽셀 간격'과 같이 측정 단위로도 활용될 수 있다.
"인치당 도트 수"(dpi)와 "인치당 픽셀 수"(ppi)는 때때로 혼용되지만, 특히 프린터의 경우 뚜렷한 의미 차이가 있다. dpi는 프린터가 잉크 방울과 같은 점을 얼마나 조밀하게 배치하는지를 나타내는 단위이다.[13] 예를 들어, 고품질 사진 이미지는 600 ppi의 해상도를 가질 수 있지만, 이를 1200 dpi 성능의 잉크젯 프린터로 인쇄할 수 있다.[14] 2002년 이후 프린터 제조사들이 제시하는 4800 dpi와 같은 매우 높은 dpi 수치는 실제 달성 가능한 이미지 해상도 측면에서는 큰 의미를 갖기 어려울 수 있다.[15]
이미지를 표현하는 데 사용되는 픽셀 수가 많을수록 결과물은 원본 이미지에 더 가깝게 표현될 수 있다. 이미지의 픽셀 수는 때때로 해상도라고 불리기도 하지만, 해상도는 보다 구체적인 정의를 가진 용어이다. 픽셀 수는 "3 메가픽셀" 디지털 카메라처럼 단일 숫자로 표현되기도 하는데, 이는 약 300만 개의 픽셀을 의미한다. 또는 "640 x 480 디스플레이"와 같이 가로와 세로 픽셀 수를 곱한 형태로 표현되기도 한다. 예를 들어, VGA 디스플레이는 가로 640 픽셀, 세로 480 픽셀로, 총 640 × 480 = 307,200 픽셀(약 0.3 메가픽셀)을 가진다.
웹 페이지에서 흔히 사용되는 JPEG 파일과 같은 디지털화된 이미지를 구성하는 픽셀(또는 색상 샘플)은 컴퓨터 화면에 표시될 때 화면의 물리적인 픽셀과 항상 일대일로 대응하지는 않을 수 있다. 컴퓨터에서 픽셀로 구성된 이미지는 비트맵 이미지 또는 래스터 이미지라고 불린다. '래스터(raster)'라는 용어는 텔레비전 스캔 방식에서 유래했으며, 유사한 하프톤 인쇄 및 저장 기술을 설명하는 데 널리 사용되어 왔다.
3. 1. 서브픽셀
많은 디스플레이 및 이미지 획득 시스템은 동일한 위치에서 서로 다른 색상 채널을 표시하거나 감지하기 어렵다. 따라서 픽셀 그리드는 단일 색상 영역으로 나뉘며, 이 영역들이 모여 전체 색상을 표현하게 된다. LCD, LED, 플라즈마 디스플레이 등에서는 이러한 단일 색상 영역을 개별적으로 제어할 수 있는데, 이를 '''서브픽셀'''(subpixel)이라고 부른다.[18] 서브픽셀은 주로 RGB(빨강, 녹색, 파랑) 세 가지 색상으로 구성된다. 예를 들어, 일반적인 LCD는 각 정사각형 픽셀을 세 개의 수직으로 긴 직사각형 모양의 서브픽셀로 나눈다. 디스플레이 업계에서는 하드웨어적으로 개별 제어가 가능한 서브픽셀을 종종 '픽셀'이라고 부르기도 하여, "픽셀 회로"라는 용어가 사용되기도 한다.
디지털 카메라의 이미지 센서 역시 비슷한 개념을 사용한다. 대부분의 컬러 디지털 카메라는 베이어 필터와 같은 컬러 필터 배열을 사용하여 각 센서 영역이 특정 색상(주로 빨강, 녹색, 파랑 중 하나)만을 감지하도록 한다. 카메라 업계에서도 이러한 개별 센서 영역을 '픽셀'이라고 부른다.
서브픽셀을 활용하는 시스템은 크게 두 가지 방식으로 이미지를 처리할 수 있다.
과거에 사용되던 CRT 디스플레이는 전자빔이 형광체 점들을 때려 색상을 표현하는 방식이었다. 이 형광체 점들은 섀도 마스크라는 격자에 의해 배치되었지만, 화면에 표시되는 픽셀 격자와 정확히 일치시키기 위한 보정 작업이 매우 어려웠기 때문에 CRT에서는 서브픽셀 렌더링 기술이 사용되지 않았다.
3. 2. 앤티에일리어싱
컴퓨터 화면에서는 화소 단위보다 세밀하게 표현할 수 없다. 이 때문에 벡터 방식이 아닌 비트맵 방식의 사진이나 그림을 확대하면 화소가 거칠게 각져서 두드러져 보이게 된다. 또한, 물체의 윤곽선에는 재기(jaggy)라고 불리는 계단 모양의 톱니 현상이 발생한다.
이러한 현상을 줄이기 위해 화소의 경계면 색상을 주변의 색과 비슷하게 혼합하여 매끄럽게 보이도록 처리하는 기술을 앤티에일리어싱(anti-aliasing)이라고 한다. 앤티에일리어싱은 물체 윤곽의 재기 현상을 줄여주지만, 윤곽선이 다소 흐려지는 단점이 있을 수 있다. 이 때문에 비트맵 글꼴 등 선명함이 중요한 경우에는 앤티에일리어싱 처리를 하지 않기도 한다. 앤티에일리어싱 처리에는 알파 채널 정보가 활용되기도 한다.
3. 3. 픽셀 종횡비
이미지의 가로 세로비가 화면의 세로와 가로 비율을 의미하는 것처럼(화면 비율 참조), 화소의 가로 세로비는 한 화소의 세로와 가로 비율을 의미한다. 이를 픽셀 종횡비라고 한다.
컴퓨터 디스플레이의 픽셀은 이미지를 2차원 평면으로 다루기 때문에 일반적으로 정사각형 모양이다. 정사각형 픽셀은 화면에 이미지를 표시할 때 별도의 보정 계산이 필요 없다는 장점이 있다.
반면, 텔레비전(NTSC 규격 등)처럼 픽셀의 종횡비가 1:1(정사각형)이 아닌 경우도 있다.[29] 이런 경우에는 화면에 이미지를 올바르게 표시하기 위해 항상 보정 과정을 거친다.
4. 색상 표현
대부분의 컬러 이미지에서 하나의 픽셀은 삼원색인 빨강, 녹색, 파랑 각각의 독립적인 명도 정보를 가진다.[30] 픽셀에 할당되는 정보량, 즉 픽셀당 비트 수(bpp, bits per pixel)에 따라 표현할 수 있는 색상의 수가 결정된다. 픽셀당 비트 수가 늘어날수록 표현 가능한 색상 수가 두 배씩 증가한다.
- 1 bpp: 21 = 2색 (흑백)
- 2 bpp: 22 = 4색
- 3 bpp: 23 = 8색
- 4 bpp: 24 = 16색
- 8 bpp: 28 = 256색
- 16 bpp: 216 = 65,536색 ("하이컬러")
- 24 bpp: 224 = 16,777,216색 ("트루컬러")
일반적으로 픽셀당 15비트 이상의 색 깊이에서는 각 빨강, 녹색, 파랑 구성 요소에 할당된 비트 수를 합하여 표현한다. 하이컬러(Highcolor)는 보통 16 bpp를 의미하며, 일반적으로 빨강과 파랑에 각각 5비트, 녹색에 6비트를 할당한다. 이는 사람의 눈이 다른 두 원색보다 녹색의 미세한 차이에 더 민감하게 반응하기 때문이다. 투명도 표현이 필요한 경우, 16비트를 빨강, 녹색, 파랑에 각각 5비트씩 할당하고 남은 1비트를 투명도 정보에 사용하기도 한다.
트루컬러(Truecolor)는 24 bpp를 의미하며, 각 원색 채널당 8비트(256단계)를 할당하여 총 224 = 16,777,216가지 색상을 표현할 수 있다. 이는 일반적으로 사람의 눈이 구별할 수 있는 색상(약 750만 ~ 1000만 색상)을 충분히 표현할 수 있는 수준이다.
32비트 색 깊이도 사용되는데, 이는 트루컬러의 24비트에 추가로 8비트의 알파 채널 정보를 할당하여 투명도를 표현하는 방식이다. 알파 채널은 이미지를 다른 이미지와 합성할 때 유용하게 사용된다. 디스플레이 장치에서는 알파 채널 정보가 직접 표시되지 않지만, 데이터 처리의 효율성(예: 메모리 주소 정렬) 때문에 24비트 색상 정보를 32비트 단위로 처리하는 경우도 있다.
전문적인 그래픽 디자인이나 상업 인쇄 분야에서는 더 높은 색상 정밀도를 위해 48비트(채널당 16비트, 65,536단계) 색 깊이를 사용하기도 한다.
5. 해상도
해상도는 이미지를 구성하는 화소(픽셀)가 얼마나 조밀하게 배열되어 있는지를 나타내는 척도이다. 이는 이미지나 디스플레이 장치의 선명도와 세밀함을 결정하는 중요한 요소로, 다양한 분야에서 사용된다. 대표적으로 컴퓨터 모니터나 텔레비전 화면의 성능을 나타내는 디스플레이 해상도가 있으며, 천문학 분야에서는 망원경의 성능을 나타내는 데에도 해상도 개념이 활용된다.
