2-22) 성능과 특성 용어와 의미, 색심도와 계조, 감마 보정

 

 

# 이 내용은 ‘2-6) 화소가 만드는 색, 색의 수’와 중복됩니다.

# 다만, 후반부에 ‘감마 보정’에 관한 내용을 추가하였습니다.

 

흑백 디스플레이는 블랙과 화이트 2개, 혹은 둘 사이의 밝기를 변화시켜가며 몇 개의 그레이만을 표현하고, 디자이너가 사용하는 디스플레이는 수십억개의 색을 표현하기도 합니다. 디스플레이가 얼마나 많은 색상을 표현할 수 있는지를 나타내는 수치가 색심도(color depth), 즉 색의 깊이이며, 표현 단위로는 비트(bit)를 사용합니다. 일반적으로 색심도가 낮은 디스플레이는 색과 영상이 자연스럽지 못하고, 색심도가 높은 디스플레이일수록 화면이 다양하고 자연스러운 색과 영상을 표현할 수 있습니다. 색심도의 단위인 비트의 개념부터 보겠습니다.

 

색심도

 

기본적으로 비트는 0과 1로 이루어진 디지털 정보 단위입니다. 일반적으로 0은 꺼짐(off)을, 1은 켜짐(on)을 뜻하죠. 먼저 흑백 TV를 예로 들어보면, 화소를 표현할 때 검은색을 0, 흰색을 1이라고 가정하면 이 디스플레이는 화소마다 흑과 백, 2가지 색의 선택이 가능해지죠. 비트는 2진법 개념이므로 숫자 2의 제곱수를 비트수로 이해하면 됩니다. 즉, ‘2의 1제곱 = 2’이므로 두가지 색상을 표현할 수 있다는 뜻이며, 따라서 흑백 TV는 색심도가 1비트인 디스플레이입니다.

 

색심도, 계조수, 색의 수

 

이번에는 컬러 TV로 설명해보죠. 컬러 TV는 일반적으로 R, G, B, 3가지 원색을 부화소로 두고 이들의 조합을 통해 색을 표현합니다. 그러므로 기본적으로는 R이 켜지면 1, 꺼지면 0으로 놓는 2가지 옵션이 있다면 G와 B 또한 각각 2가지 옵션을 가질 수 있습니다. 이렇게 되면 ‘2의 3제곱 = 8’이 되면서 8가지 색상의 조합을 만들 수 있죠. 부화소의 비트로는 1비트이며, 화소의 비트로는 3비트가 되는 것입니다. 이때 색이 표현되는 방식을 2진법으로 설명해보면 부화소 R=1(켜짐), G=0(꺼짐), B=0(꺼짐)으로 놓으면, 이 픽셀은 빨간색이 됩니다. R=1, G=1, B=1로 놓으면 하얀색이 되고, R=1, G=1, B=0으로 놓으면 R과 G가 섞인 노란색이 됩니다. 모든 부화소를 0으로 놓으면 검은색이 되겠죠. 단순히 원색만 존재할 경우에는 위와 같이 화소당 3비트, 곧 8가지 색으로만 표현하겠지만, 부화소들은 각각의 원색들마다 여러 단계로 ‘짙음’과 ‘연함’을 나눌 수 있습니다. 이를 계조(gradation)라 합니다. ‘계조’란 사전적 의미로 ‘이미지에서 농도가 가장 짙은 부분에서 가장 옅은 농도까지의 농도 이행 단계’인데, 쉽게 설명하면 가장 어두운(짙은) 부분과 가장 밝은(연한) 부분을 동일 간격으로 나누어 표현하는 정도를 의미합니다. 즉, 계조가 클수록 많은 색을 표현할 수 있으므로 색이 더 자연스럽게 표현됩니다. 예를 들어 3개의 부화소들, 즉 각각의 RGB 3원색에 대해 3비트의 색심도를 적용하면, 각각의 계조는 ‘2의 3제곱 = 8’이 되고, 화소가 표현할 수 있는 색의 수는 ‘2의 3제곱 x 2의 3제곱 x ‘의 3제곱 = 2의 9제곱 = 512개’가 됩니다. 같은 계산으로 부화소의 색심도가 8일 경우에는 부화소의 계조는 256이 되고, 화소가 만들 수 있는 색은 16,777,216개가 되죠. 즉, 화소가 만들 수 있는 색의 수는 ‘2의 R 비트수 제곱 x 2의 G 비트수 제곱 x 2의 B 비트수 제곱’으로 계산됩니다. 제품을 예로 들어보면 S사의 ‘HDR10’은 색심도로 부화소 기준 10비트, ‘돌비 비전’은 부화소 기준 12비트의 규격입니다. 이때, ‘HDR10’은 1,073,741,824, 약 10억가지의 색을 표현하고, ‘돌비 비젼’은 68,719,476,735, 약 68억가지 색을 표현할 수 있습니다. 참고로, 현재 대부분의 TV, 모니터, 스마트 폰 등의 디스플레이들은 부화소 8비트, 화소 24비트의 색심도를 가지며, 256계조로 약 1,677만 컬러를 표현합니다.

 

색심도, 제품들의 규격

 

색심도에 따라 계조를 구현하는 방식, 즉, 밝기를 등분하는 방법은 디스플레이마다 다르나 크게는 전압이나 전류 변화로 화소의 밝기를 조절하며, 이로써 구동 방식이 결정되죠. LCD는 전압 구동형으로 전압을 변화시키면서 부화소들의 밝기를 조절하며, OLED는 전류 구동형으로 전류 변화로 밝기를 조절합니다. 이와 같이 부화소들의 밝기가 조절이 되고, 따라서 화소들의 밝기와 색이 독립적으로 조절되면서 디스플레이의 화면에는 다양한 영상들이 표현됩니다.

 

색심도 3비트의 LCD

 

계조와 함께 ‘감마(gamma)’를 짚고 넘어가죠. 감마는 디스플레이에 입력되는 신호의 밝기(gray level), 즉 계조와 화면상에 나타나는 영상의 휘도 간의 상관 관계를 결정하는 수치입니다. 감마값에 따라 같은 화면이라도 표현되는 밝기 톤의 차이가 달라집니다. 감마값이 1인 경우는 계조 입력과 휘도 출력의 밝기가 같지만, 1보다 크면 중, 저계조 영역에서 화면이 더 어둡게 표현이 되고, 반대로 1보다 작으면 밝게 표현이 됩니다. 예를 들어 0부터 255까지 계조수가 증가할수록 밝기도 증가하는데, 감마가 1이라면 계조에 따른 휘도가 직선적, 즉 정비례 관계로 그려집니다. 하지만, 인간의 눈은 어두운 곳에서의 휘도 차이는 잘 구분하지만 밝은 곳에서는 휘도 구분에 둔감하므로 계조수가 높아질수록 밝은 색의 구분이 어려워지죠. 이를 보완하기 위하여 인간의 눈에 최적화된 감마값 보정이 필요하며, NTSC에서는 표준 감마값을 2.2로 규정합니다. 이는 중, 저계조 영역에서는 계조 변화에 따른 휘도의 변화가 작지만 고계조로 갈수록 휘도의 변화, 즉 계조 - 휘도간의 기울기가 커지도록 보정한 것입니다. 즉, 고계조 영역에서 밝기의 구분이 보다 수월해집니다.

 

감마 보정

 

 

 

 

# 참고로 하고 있는 여러 자료들의 제공에 감사를 표하며, 계속 업그레이드 됩니다.

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# 더! 생각해보기

a. '감마', 그리고 '감마 보정'에 관하여 보다 이론적이고 구체적으로 설명해보자

 

 

# 수식과 이론, 퀴즈

 

 

 

 

강의 교안 11) 디스플레이 알아가기 노트 22~25-복사.pdf

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2-22. 성능과 특성 용어와 의미, 색심도와 계조, 감마 보정-복사.pdf

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