색채 과학

인간은 파장이 380nm에서 780nm 사이에 해당하는 가시광선 영역의 빛을 감지하여 다양한 색으로 지각한다. 그러나 빛 자체가 색을 가진 것은 아니다. 색은 망막의 감광 세포가 빛을 흡수하여 출력한 신호를 뇌에서 해석한 결과이기 때문이다. 망막에는 막대 세포와 원뿔 세포의 2가지 감광 세포가 서로 다른 파장대의 빛을 흡수한다. 밝기 구분에만 관여하는 막대 세포는 500nm 부근의 빛을 주로 흡수하여 신호로 내보낸다. 밝기와 색상 구분에 관여하는 원뿔 세포는 다시 세 가지로 구분되는데, L-원뿔 세포는 564nm 부근, M-원뿔 세포는 534nm 부근, S-원뿔 세포는 420nm 부근의 빛을 주로 흡수하여 각자 흡수한 빛의 양을 신호로 내보낸다. 이 신호들은 다시 밝기 차원, 빨강-초록 차원, 노랑-파랑 차원의 세 가지 채널의 정보로 재조합되며, 뇌에서는 세 채널의 정보를 종합하여 색을 인지한다.

빨강-초록 채널은 빨강과 초록의 양극단 중, 노랑-파랑 채널은 노랑과 파랑의 양극단 중 색이 어느 쪽으로 치우쳤는지를 나타내는 채널로, 우리는 하나의 채널에 속한 두 색을 동시에 경험할 수 없다. 즉 우리는 붉은 기운의 초록이나 푸른 기운의 노랑을 경험할 수 없다. 그러나 두 채널은 상호 독립적이기 때문에 두 채널의 합성을 통해 우리는 주황(빨강+노랑), 청록(초록+파랑)과 같은 혼색을 지각할 수 있다. 또한 이는 스펙트럼 상에서 가장 멀리 떨어진 780nm와 380nm의 두 가시광선에서 공통적으로 빨간 기운을 느끼는 이유를 설명해준다.

국제 조명 위원회(CIE)는 기계적인 색 측정을 위해 색 일치 실험을 수행했다. 이 실험은 가시광선 영역의 단색광들을 10nm마다 기준색으로 설정한 후, 표준 관측자들로 하여금 서로 다른 파장의 세 가지 단색광 광원(700nm, 546.1nm, 435.8nm)의 강도를 조절하여 기준색과 동일하게 보이는 조합을 찾아내도록 했다. 위원회는 이 실험 결과를 변환하여 사람 눈을 대신할 수 있는 세 센서의 특성을 표준 관측자 함수로 나타냈다(그림 1). 이 함수는 파장 를 가진 단색광에 대한 세 센서의 민감도를 뜻하는 로 이루어졌는데, 각 민감도 함수는 파장 를 가진 단위 세기의 단색광에 대한 각 센서의 출력값을 의미한다. 여러 세기의 다양한 단색광의 혼합으로 이루어진 빛에 대한 기계적인 색 측정은 그에 대한 세 센서의 출력값 X, Y, Z를 측정함으로써 이루어지는데, 이 X, Y, Z를 삼색 자극값이라고 한다. 우리가 인지하는 모든 색은 3차원 공간의 점 (X, Y, Z)로 표현될 수 있으며, 이 3차원 공간을 CIE XYZ 색 공간이라고 한다.

CIE XYZ 색 공간은 객관적인 색의 좌표를 제공하지만, 직관적인 사용을 위해 보통은 CIE Yxy 색 공간으로 변환되어 사용된다. CIE Yxy 색 공간에서 색은 밝기 Y(1차원)와 색도 xy(2차원)의 두 가지 요소로 분해된다. 삼색 자극값 중 Y는 색의 밝기를 나타내는 값으로 그대로 사용되는데, 이는 밝기에 대한 우리의 민감도가 표준 관측자 함수 중 와 매우 유사하다는 점을 반영한 것이다. xy는 밝기를 제외한 색채만의 정보인 색도를 나타내는데, 그 좌표 (x, y)는 삼색 자극값의 상대적 비율로서 아래처럼 결정된다(단, z=1-x-y이므로 z는 생략).

x=X/(X+Y+Z), y=Y/(X+Y+Z) [z=Z/(X+Y+Z)]

점 (x, y)들에 의해 만들어지는 2차원 평면상의 그림을 CIE 색도도라고 부른다(그림 2). CIE 색도도에서 무채색은 x=y=z인 N(⅓,⅓)에 위치하고, 순수한 단색광의 색은 색도도의 말굽 모양 경계선에 위치한다. 이 곡선을 단색광 궤적이라고 하고, 단색광 궤적의 양끝을 연결하는 하단의 경계선은 순자주 궤적이라고 한다. 색도도에서 임의의 색 A는 그 색의 주파장과 순도로 분해될 수 있다. 주파장은 무채색점 N로부터 A를 향해 그은 선을 연장하여 단색광 궤적과 만나는 점 D의 파장을 말한다. 만약 B처럼 그 선이 단색광 궤적과 만나지 않는다면 이때는 선을 반대 방향으로 연장하여 단색광 궤적과 만나는 점 C를 찾으면 되는데, 그 C의 파장을 해당 색의 보색 주파장이라고 한다. 그리고 순도는 무채색점 N에서 해당 색 A를 향해 그은 선을 색도도의 경계선까지 연장한 선분에서 NA가 차지하는 비율을 뜻한다.

CIE 색도도는 다음과 같은 장점을 가진다. 두 광원을 혼합한 결과는 언제나 그 두 점을 잇는 선분상에 존재하며, 세 광원을 혼합한 결과는 언제나 그 세 점으로 이루어진 삼각형 내부에 존재한다. 또한 두 광원 또는 세 광원을 적절한 세기로 혼합하면 해당 선분 또는 삼각형 내부의 모든 색을 만들어낼 수 있다. 그러나 CIE 색도도는 점 사이의 거리가 우리 눈으로 식별되는 색의 차이를 반영하지 못한다는 단점이 있다. 예컨대, CIE 색도도 내에서 초록 계열에 속한 두 점의 색상 차이가 파랑 계열에 속한 두 점의 색상 차이와 같은 정도로 느껴지려면, 전자의 거리가 후자의 거리보다 멀어야 한다.

퀴즈

A. 윗글의 내용과 일치하지 않는 것은?

① 인간은 노란 기운의 초록을 경험할 수 없다.

② CIE 색도도의 모든 점들은 동일한 밝기의 색을 나타낸다.

③ CIE Yxy 색 공간에는 인간이 인지하는 모든 색이 표현된다.

④ 동일한 세기의 빛이라면, 인간은 500nm의 빛이 450nm의 빛보다 밝다고 느낀다.

⑤ 인간은 가시광선 중 가장 짧은 파장의 빛을 빨강과 초록 중빨강에 치우친 색으로 지각한다.

B. 윗글을 바탕으로 <보기>의 CIE L*a*b* 색 공간에 대해 추론한 것으로 가장 적절한 것은?

<보기> CIE L^*a^*b^*은 CIE Yxy를 비선형적인 방식으로 뒤틀어 만들어낸 색 공간이다. L^*a^*b^* 색 공간에서 하나의 색은 3차원 공간의 한 점 (L^*, a^*, b^*)으로 표현된다. L^*a^*b^* 색 공간은 밝기를 나타내는 L^* 차원(0~100)과 빨강-초록 중 어느 쪽으로 치우쳤는지를 나타내는 a^* 차원(양수는 빨강, 음수는 초록)과 노랑-파랑 중 어느 쪽으로 치우쳤는지를 나타내는 b^* 차원(양수는 노랑, 음수는 파랑)으로 구성되어 있다. CIE L^*a^*b^* 색 공간에서 무채색은 a^*b^* 평면에서 (0,0)에 위치하며, CIE L^*a^*b^* 색 공간 내에서, 두 색이 구별되는 정도, 즉 색차는 두 색을 나타내는 점 사이의 거리로 측정될 수 있는데, 이 거리는 실제 인간이 느끼는 색의 차이와 거의 같다.

① L^*은 삼색 자극값의 합(X+Y+Z)이 클수록 커지겠군.

② a^*b^* 평면의 점 (0, 0)은 CIE 색도도에서 점 (0.5,0.5)로 옮겨지겠군.

③ 주황색은 a^*>0, b^*>0인 좌표를 가지고, 청록색은 a^*<0, b^*>0인 좌표를 가지겠군.

④ CIE L^*a^*b^* 색 공간의 두 점과 대응되는 두 광원을 혼합한 색은 언제나 두 점을 잇는 선분상에 있겠군.

⑤ a^*b^* 평면의 네 점 A(-80,0), B(-60,0), C(0,-80), D(0,-60)를 CIE 색도도로 옮기면, AB의 길이가 CD의 길이보다 길겠군.

C. <그림 2>에 대해 이해한 것으로 가장 적절한 것은?

① B의 주파장은 500nm이다.

② 무채색의 순도는 1이고, 단색광의 순도는 0이다.

③ 색도도의 경계선에 있는 모든 점은 단색광의 색을 나타낸다.

④ B와 C에 대응되는 두 광원을 어떠한 세기로 혼합해도 무채색을 만들 수 없다.

⑤ 색도도에는 색 일치 실험에서 사용된 세 광원의 혼합으로 만들 수 없는 색이 존재한다.

D. 윗글을 바탕으로 <보기>를 이해한 것으로 적절하지 않은 것은?

<보기> 물체에서 출발하여 색 측정 장치에 들어온 빛의 스펙트럼 구성은 아래와 같이 측정되었다.

파장(nm)	...	420	...	510	...	610	...	660	...
세기	0	10	0	10	0	20	0	10	0

단, 표준 관측자 함수는 아래와 같다.

기준색(nm)	$\bar{x}$	$\bar{y}$	$\bar{z}$
420	0.1	0.0	0.7
...	...	...	...
510	0.0	0.5	0.2
...	...	...	...
610	1.0	0.6	0.0
...	...	...	...
660	0.2	0.1	0.0

① 삼색 자극값의 합(X+Y+Z)은 50으로 측정된다.

② 물체의 색의 순도는 1보다 작은 것으로 측정된다.

③ CIE 색도도에서 물체의 색은 무채색보다 아래쪽에 표시된다.

④ 물체의 색에 대한 주파장은 550nm보다 큰 것으로 측정된다.

⑤ 700nm, 520nm, 400nm의 단색광을 적절히 혼합하면 물체의 색과 동일한 색을 만들어낼 수 있다.

퀴즈

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