[첨단 헬로티]

빛의 색을 구별할 수 있는 우리 눈의 능력은 역사적으로 화가들의 작품에서 빛을 발했다. 예술가는 가시광선이 복잡한 스펙트럼 현상이며 빨강, 짙은 파랑, 보라, 초록 및 기타 햇빛의 화이트 성분들의 비율에  따라 달라진다는 것을 본능적으로 알고 있다. 게다가 햇빛의 색은 장소마다, 시간마다 변한다. 인공 광원 역시 마찬가지다. 다양한 종류의 인공 광원들마다 색 차이가 크게 나타나며, 전자 제품에서 보다 두드러지고 뚜렷한 영향을 미친다. 

예컨대 오늘날의 스마트폰, 컴퓨터, TV에 사용되는 전자 디스플레이는 수백만 가지 색을 표현할 수 있다. 현재 전자기기 제조회사들은 주변광의 색이 디스플레이에서 인지되는 색에 영향을 미친다는 것을 이해하고, 달라지는 배경의 광원에 기반해 이러한 색을 동적으로 변화시키는 방법을 제공하기 시작했다. 이 글에서는 화이트 밸런스 기법의 효과와 이 기법이 화면에 표시되는 색의 일치성과 정확도에 미치는 영향을 설명한다. 

광원의 변화가 미치는 영향 

광원(주변광)의 스펙트럼 성분은 우리의 눈으로 보는 물체의 색을 인지하는 데 영향을 미친다. 정오의 햇빛은 보이는 물체의 청색이 강조돼 보인다. 한낮의 빛은 태양과 하늘의 독특한 조합으로 구성되기 때문이다. 동일한 물체를 백열전구(상관색온도[CCT] 2700K)의 인공조명 환경에서 보면 황금빛 노란색이 더 많이 보인다. [그림 1]은 다양한 광원의 스펙트럼 성분을 비교한 그래프다.

이러한 효과는 하나의 이미지를 종이에 인쇄해 다른 광원조건에서 보면 쉽게 알 수 있다. 광원에 따라 물체의 색이 달라진다. 그러나 디스플레이는 이러한 방식으로 작동하지 않는다. 스마트폰과 노트북 컴퓨터에 주변광 센서가 보편적으로 통합되기 전까지 디스플레이의 컨트롤러는 화면이 플레이될 때 주변광의 특성을 인식할 수 없었다. 이러한 이유로 디스플레이는 LCD와 최근의 OLED 스크린은 6500K로 고정돼 설정된 백색점(White-point) 색 온도를 사용했다. 6500K는 CIE 산업 표준 기구에서 D65 기준 광원으로 지정한 표준이며[그림 1], 스펙트럴 파워분포에서 청색이 강한 CCT 값은 밝은 대낮의 태양광과 유사하다. 

이것이 의미하는 것은 디스플레이 화면에 렌더링되는 이미지가 보일 때, 대낮의 태양광 조건에서 인쇄된 종이에서 보이는 이미지와 매우 유사하게 나타난다는 사실이다. 디스플레이와 인쇄된 이미지에서는 특히 청색이 강조될 것이다.

그러나 인쇄된 이미지를, 가령 3000K LED와 같은 따뜻한 윔화이트 조명 환경에서 보면 노랑-주황색이 더 많이 나타난다. 이는 광원의 스펙트럼에서 빨강-노란색 부분의 성분을 더 많이 갖고, 청색 성분은 더 적게 갖기 때문이다. 

지금까지 전자기기 제조회사들은 디스플레이의 화이트포인트을 조정하는 향상된 기능 없이 단순히 디스플레이에 사전 설정한 하나의 고정된 D65 화이트포인트만을 제공해 왔다. 그 결과 디스플레이 이미지는 강한 청색이 강조돼 랜더링돼 왔다. 

그림 1: 다양한 표준 CIE 광원의 분광 분포. 형광등(F1)은 녹색과 주황색 파장에서 뾰족한 피크를 갖는다. 이러한 특징은 주광(D50, D65)과 백열전구(A)의 넓은 스펙트럼과 대조된다. (출처: SchwartzD, CCL)

인쇄된 콘텐츠 읽기 vs 디스플레이에서 읽기 

인쇄된 종이에 콘텐츠를 읽을 때 사람은 장시간 눈의 피로를 최소화하면서 읽을 수 있다. 동일한 콘텐츠를 D65 화이트포인트로 고정된 디스플레이에서 볼 경우, 디스플레이에서 상당한 양의 청색광이 발산되기 때문에 디지털 기기로 인한 눈의 피로가 발생하고 숙면에도 좋지 않은 등 부정적 영향을 미친다.  

 

최근 성장이 둔화되고 있는 시장에서 차별화를 추구하는 스마트폰 OEM들은 이제 “종이 같은(Paper-like)” 보기라는 새로운 기능을 디스플레이에 제공할 수 있게 됐다. 이 기능은 디스플레이의 화이트포인트를 좀 더 따뜻한 색 온도로 이동하면서 구현된다. 종이와 같은 시각 효과는 최근 최적의 조명 환경 색 온도를 측정할 수 있는 새로운 고정확도 XYZ 컬러 센서가 개발됨에 따라 가능해졌다. 이 센서는 디스플레이의 화이트포인트를 D65의 차가운 청색에서 좀 더 따뜻한 화이트포인트로 조정하는 데 사용된다. 

청색광의 생리학적 영향

“종이와 같은(Paper-like)” 시각 효과는 디스플레이를 좀 더 따뜻한 화이트포인트로 조정함으로써 잠들기 전 몇 시간 동안 디지털 기기로 인한 눈의 피로를 최소화하고 사용자에게 생리학적 이점을 제공한다. 과학적 연구결과는 광생물학적 특성이 사람의 눈에 미치는 영향과 청색광의 흡수가 깨어 있는 동안 생리 기능을 어떻게 자극하는지 보여준다. 멜라토닌은 숙면을 취하도록 도와주는 호르몬으로 알려져 있는데, 과학적 연구를 통해 청색광이 멜라토닌 생성을 억제하는 것으로 밝혀졌다. 멜라토닌이 부족하면 잠들기 어렵고 신체의 활동일주기에 영향을 받는다.

종이와 같은 시각 효과를 구현하는 ‘XYZ 색’ 과학 

최신 광학 필터 기술 덕분에 우리는 이제 컨수머 애플리케이션에 적합한 가격대에서 사람 눈의 정확도와 일치시킬 수 있는 컬러 필터를 사용할 수 있게 됐다. 현재 전자기기 제조회사들은 XYZ 컬러 필터를 사용함으로써 “종이 같은(Paper-like)” 기술을 대량으로 구현할 수 있다. 이러한 광학 필터는 광학 센서 제품의 다이에 직접 탑재된다. ±10% CCT 정확도를 제공하는 기존 RGB 컬러 센서와 달리 CIE XYZ 컬러 필터는 ±1~5%의 정확도 이점을 제공한다. CCT 정확도는 [그림 2]에서 보는 것과 같이 1931년에 개발된 CIE xy 색도도(Chromaticity diagram)라고 하는 색 영역 표준을 바탕으로 한다.

그림 2. 표준 CIE 색도도 설명 

인공 광원은 보다 따뜻한 색 온도를 갖는 경향이 있다. 예로, 주택용 조명이 가장 따뜻한 색(2700~3100K)을 나타내고, 사무실 조명은 보통 (3100~4500K)이다. 주광의 색 온도는 정오의 6000K에서부터 해뜨기 직전 또는 해가 막 진 후 구름 없는 날 그늘에서 15000K까지 높을 수 있다. 주변 환경과 다른 화이트포인트를 갖는 디스플레이를 보면 개별 색을 인지하는 것에 영향을 미친다. 중간 또는 차가운 화이트포인트를 갖는 컬러 디스플레이를 따뜻한 조명이 비추는 환경에서 보면 차가운 주변 조명 환경에서 볼 때보다 청색이 더 많이 보인다. 디스플레이의 백색점을 주변 조명과 일치하도록 조정하면 이러한 영향을 완전히 없애지는 못하더라도 최소화할 수는 있다.

CIE 색도도는 전자기 에너지 스펙트럼에서 사람이 인지하는 380nm~780nm 사이의 가시광선 파장을 나타낸 것이다. [그림 3]은 사람의 눈에 있는 단파장, 중간파장, 장파장 원추 세포의 정규화한 스펙트럼 감도를 보여준다.

그림 3. 단파장, 중간파장, 장파장 원추 세포의 정규화한 스펙트럼 감도

이러한 응답은 망막에 있는 단파장, 중간파장, 장파장 원추 세포의 신경 반응을 나타낸 것으로, 가시광선 스펙트럼의 빨강, 초록, 파랑 부분 파장에서 각각 피크 감도를 갖는다. 원추 세포의 파장 감도는 다소 넓은 범위에 걸쳐 서로 겹쳐진다. 각 곡선은 단순화를 위해 그래픽에서 정규화됐다. 망막에 있는 세 가지 유형의 원추 세포의 상대적 응답은 색채 지각을 설명하는 데 충분하며, 수많은 색 정합 함수로 색을 특성화할 수 있다. 색 정합 함수는 모두 원추 세포 응답 함수와 서로에 대한 선형 변환이다.

[그림 4]는 중간(M) 파장 응답이 어떻게 포토픽 뷰로 정의되고, 조도(단위: 룩스(Lux))를 정의하는 데 사용되는지 보여준다. 녹색 파장은 사람이 보는 것과 가장 가까운데, 사람은 녹색에 더 민감하고, 빨강과 파랑에 덜 민감하다.

그림 4. 녹색 채널의 포토픽 응답은 사람이 보는 것과 가장 가깝다(CIE 포토픽 광도 함수)

룩스(Lux)는 표면 위 모든 방향으로부터 표면의 한 점을 비추는 가시광선의 양을 나타내는 척도이며, 밝기의 측정 단위이다. [그림 5]에는 XYZ 삼자극치(Tristimulus)로 사람 눈의 응답이 정의된 것을 볼 수 있으며, 이를 CIE1931 2° 표준 관측자라고 한다. 이 값은 색상을 지각할 수 있도록 가시광선 스펙트럼 파장과 생리학적으로 인지되는 색상을 연결해 주는 기능을 한다. 

색은 밝기(또는 휘도, 룩스로 측정)와 색도(xy 색도 파라미터로 측정)로 나눌 수 있다. [그림 2]의 색도도는 사람의 눈이 주어진 스펙트럼에서 빛을 어떻게 경험할지 지정하는 도구다. 물체를 볼 때 관찰되는 색도는 사용자 주변의 빛에 따라 달라지기 때문에 색도도는 물체의 색을 지정하지 않는다.

그림 5. CIE1931 2° 표준 관측자 색 정합 함수 또는 XYZ 삼자극치 사람 눈의 응답 

인간의 시각 체계 

인간의 시각 체계는 매우 복잡하며, 뇌의 시각을 처리하는 엔진인 시각 피질과 밀접하게 연관되어 있다. 인간의 뇌는 조명 조건이 달라져도 물체의 색을 식별할 수 있다. 우리가 색을 보는 방식은 고정돼 있지 않으며, 오히려 상대적으로 인지한다. 광원의 종류가 달라지면, 사람은 보이는 색에 대한 “인지"를 바꾼다. 대상의 표면, 광원의 종류와 인간의 눈 사이에 동적 관계가 형성돼 있기 때문이다.

우리의 시각 체계는 스펙트럼 성분에 반응해 장파장, 중간파장, 단파장 원추 세포의 상대적 응답을 조정한다. 사람의 눈은 색 순응 메커니즘을 갖고 있어 다른 주변광 조건을 이해한다. 이러한 원리로 우리는 흰색 물체와 회색 물체를 서로 다른 주변광 조건에서 똑같이 흰색과 회색으로 볼 수 있다. 이러한 색 순응 원리를 위한 광 이득 조정은 [그림 6]에서 볼 수 있다.

그림 6. 색 순응

그림 7. TCS3430의 XYZ 분광 분포 

분광 분포(SPD) 응답을 갖는 XYZ 컬러 센서는 [그림 7]에서 볼 수 있다. XYZ 분광 응답은 사람의 눈에 기초하므로 사람이 색을 인지하는 방식에 대한 보다 정확한 정보를 제공한다. RGB 값을 XYZ로 변환하는 방법이 있지만, RGB 분광 응답 함수는 정확한 색 정합 함수가 아니기 때문에 변환값이 사람의 눈이 색을 인지하는 방식과 일치하지 않는다. XYZ 센서의 데이터는 사람 눈의 색 응답과 거의 일치해 사람이 인지하는 방식과 유사하게 색 차이를 검출할 수 있다. 입사광의 CIE XYZ 삼자극치 측정값을 출력하는 정확도 높은 XYZ 컬러 센서를 사용하면 주변광 조건을 측정할 때 최상의 결과를 얻을 수 있다. [그림 8]은 CIE 색도도 내의 플랑키안 궤적(Planckian locus)을 보여준다.

[그림 8]에서 가운데 실선 곡선을 플랑키안 궤적이라 부른다. 궤적 위의 각 점은 대응하는 CCT 값을 갖는 흑체(black body) 색 온도에 해당한다. 디스플레이의 화이트포인트를 주변 색 온도로 조정한다는 것은 디스플레이가 실제로 주변광의 색 온도를 안다는 것을 가정한 것이다. 형광등과 LED 광원 모두 이 플랑키안 궤적에 항상 딱 맞아떨어지는 것은 아니므로 플랑키안 궤적의 대응하는 색 온도의 디폴트 값을 지정하는 대신 백색점을 주변광의 실제 색도 좌표 값으로 구동하는 것이 더 바람직하다.

 

그림 8. CIE1931 색 영역 색도도 – 플랑키안 궤적을 보여준다.

‘종이 같은’ 시각 효과의 사례

[그림 9]는 이러한 적응형 디스플레이 기술이 어떻게 작동하는지 보여준다. 아래의 조명 박스에는 두 대의 스마트폰이 두 개의 동일한 그림 속에 임베딩 됐다. “종이 같은(Paper-like)” 기술은 광원을 변화시켜 시연된다. 그러한 광원의 변화는 반사되는 색에 대한 우리의 인지를 변화시킨다. [그림 9]에서 오른쪽 디스플레이는 XYZ 컬러 센서가 없으며 계속해서 D65 빛을 방출한다. 왼쪽 디스플레이는 TCS3430 컬러 센서를 탑재해 주변광 조건의 모든 변화를 정확히 측정하고, 디스플레이 알고리즘[그림 10]을 사용해 디스플레이에 인쇄물과 같은 가독성을 구현한다.

디스플레이는 8bit RGB 승수값을 가지므로, y축의 값은 0~256 권장(28=256) 범위를 가지며, x축의 값은 XYZ 컬러 센서로부터 색 온도를 측정한 값을 나타낸다. [그림 10]에서 6500K 측정된 색 온도의 경우, 권장되는 RGB 주 디스플레이 드라이버 값은 빨강 256, 초록 256 , 파랑 256 가지로 설정돼야 한다. 디스플레이는 D65 백색점으로 구동된다. 예컨대 2700K 백열 조명으로부터 더 낮은 색 온도가 측정되는 경우에는 빨강 256, 초록 195, 파랑 130 값이 표시돼야 한다.

그림 9. 종이 같은 기술(Paper-like) 시연은 더 따뜻한 조명 환경에서 청색광이 어떻게 두드러져 나타나는지 보여준다. 

그림 10. 색 온도로 측정된 환경에 권장되는 RGB 승수값 

6500K 조명 전구를 비출 경우, 왼쪽 디스플레이는 주변광을 측정하고 알고리즘에서 권장하는 RGB 값 256, 256, 256을 적용해 디스플레이를 오른쪽 디스플레이의 정확히 동일한 화이트포인트로 구동한다. 그 결과 두 디스플레이는 똑같이 보인다. 인쇄된 사진보드의 색 성분은 두 디스플레이에서 모두 매끄럽게 디스플레이 콘텐츠로 들어간다. 

6500K 조명을 끄고 이보다 따뜻한 3000K 형광등을 켜면, 주변광이 더 따뜻해짐에 따라 왼쪽 디스플레이는 새로운 3000K 주변광과 일치시키기 위해 자동으로 더 따뜻한 화이트포인트로 조정된다. 인쇄된 이미지는 청색광 성분이 감소되므로 노랑-주황색이 더 많이 보인다. 인쇄된 그림에서 인지되는 색은 살짝 달라진다. 컬러 센서가 없는 디스플레이는 계속 청색이 많이 포함된 D65 화이트포인트인 화면이고, 이것은 따뜻한 3000K 환경에서 상당히 두드지게 보인다. 이 경우 오른쪽 디스플레이에서 파란색이 얼마나 더 짙게 보일지 분명하다. 반면 왼쪽 디스플레이는 자동으로 3000K 조명 환경에 적합하도록 화이트포인트를 조정해 디스플레이에 인쇄물과(Print-Like) 같은 가독성을 생성한다.

3000K 형광등을 끄고 더 따뜻한 2700K 백열전구를 켜면 청색광 성분이 더 감소돼 노랑-주황색의 따뜻함이 증가하고 주변광이 더 따뜻해진다. 또한 왼쪽 디스플레이와 인쇄된 그림 콘텐츠에서 우리가 인지하는 색은 좀더 달라진다. 왼쪽 디스플레이는 자동으로 화이트포인트를(White-point) 2700K 주변광 환경에 적합한 화이트포인트로 조정한다. 오른쪽 화이트포인트 D65인 디스플레이는 똑같이 풍부한 청색광 성분을 방출한다.

요약

스마트폰, 컴퓨터, TV OEM은 전통적으로 디스플레이에 고정된 화이트포인트를 제공하거나 사전 설정된 하나의 화이트포인트를 위한 수동 또는 시간 조정 방식을 제공해 왔지만, 이는 변화하는 조명 조건에 대응할 수 없으므로 효과는 제한적일 수밖에 없다. 다행히 광학 필터 기술이 향상됨에 따라, 육안 수준의 정확도를 대량 생산되는 컨수머 전자기기 시장에 적합한 가격대로 제공하면서 주변광 조건을 자동으로 측정하고 디스플레이에 종이 같은 기술을 구현할 수 있는 적합한 방법을 적용할 수 있게 됐다.

주변광 조건의 변화는 반사되는 조명 환경은 물론, 전자장치의 디스플레이에서 콘텐츠를 볼 때 눈에 보이는 색에 대한 우리의 인지에 많은 영향을 미친다. 화이트포인트 D65로 고정된 디스플레이는 과학적으로 인체에 생리학적 영향을 미친다는 사실이 밝혀졌다. 달라지는 주변광 조건에 따라 자동으로 디스플레이 화이트포인트를 최적화된 설정으로 조정할 경우, 디지털 기기로 인한 눈의 피로를 최소화하고 밤에 숙면을 취할 수 있게 도와주는 등 주목할 만한 생리학적 이점이 있다는 것이 입증되고 있다.

글: 데이브 문(Dave Moon) ams AG

저자 소개

데이브 문(Dave Moon)은 ams AG의 첨단 광학 솔루션 그룹의 수석 제품 마케팅 매니저이다. 25년 넘게 반도체 업계에 몸담아 오면서 TI, 아기어시스템즈, 루슨트마이크로일렉트로닉스, AT&T 벨 연구소에서 다양한 애플리케이션, 시스템, 제품 정의 직책을 거쳤다. 델라웨어 대학에서 전기공학 학사, 존스홉킨스 대학에서 전기공학 석사 학위를 받았다.