색상 대신 RGB 대신 파장을 사용하는 이유는 무엇입니까?

아시다시피 특정 광선의 색상은 주파수 (또는 파장 ) 에 따라 다릅니다 . 또한 디지털 카메라가 처음으로 캡처 한 정보가 아닌가? 그렇다면 왜 RGB (또는 CMYK , HSV 등) 와 같은 형식을 사용 하여 색상을 디지털 방식으로 표현해야합니까?

이전 답변에 오해가 있다고 생각하므로 여기에 내가 생각하는 것이 사실입니다. 참조 : Noboru Ohta 및 Alan R. Robertson, 색도계 : 기초 및 응용 (2005).

광원에는 단일 주파수가 필요하지 않습니다. 우리가 세상에서 보는 대부분의 반사광은 단일 주파수를 가질 필요는 없습니다. 대신에 에너지 스펙트럼, 즉 주파수의 함수로서 에너지 함량을 갖는다. 스펙트럼은 분광 광도계라고하는 기기로 측정 할 수 있습니다.

19 세기에 발견 된 바와 같이, 인간은 다양한 스펙트럼이 동일한 색을 갖는 것으로 본다. 램프와 필터를 사용하여 두 가지 다른 스펙트럼의 빛을 생성하는 실험이 이루어졌으며 사람들은 같은 색입니까? 이러한 실험을 통해 사람들은 스펙트럼을 보지 못하고 특정 가중치 기능과의 적분 만 확인합니다.

디지털 카메라는 다양한 필터로 덮인 광 다이오드 세트에 대한 응답을 캡처하지만 분광 광도계에서 볼 수있는 더 큰 스펙트럼은 아닙니다. 세 가지 또는 네 가지 유형의 필터가 사용됩니다. 많은 사람들이 카메라 제조업체에 의해 원시 파일이 어느 정도 "요리"되었다고 의심하지만 카메라 결과는 카메라에서 출력 된 원시 파일로 저장됩니다 (카메라 센서는 독점적입니다). 원시 데이터에 행렬 변환을 적용하여 생리적 반응을 근사화 할 수 있습니다.

편의상 생리 학적 반응에 근사값을 사용하는 대신 https://en.wikipedia.org/wiki/Lab_color_space (페이지의 경고 참고)에 설명 된 Lab과 같이 색상의 이름을 지정하기 위해 다른 유형의 3 배 숫자가 사용됩니다 . RGB와 같이 추정 할 수있는 생리 학적 반응의 전체 범위를 표현할 수있는 트리플을 구분할 수없는 RGB는 그렇지 않습니다. 후자는 컴퓨터 화면이 표시 할 수있는 색상을 표현하기 때문에 사용됩니다. Lab과 같은 3 중 또는 원시 데이터에서 변환 한 결과입니다. CMYK는 프린터 용입니다.

이미징 엔지니어의 목표는 항상 외부 세계에 대한 충실한 이미지를 카메라로 캡처하여 관찰자가 실제 사진을 보는 방식으로 그 이미지를 제시하는 것이 었습니다. 이 목표는 결코 달성되지 않았습니다. 실제로 오늘날 최고의 이미지는 연약합니다. 이 목표를 달성하려면 햇볕에 쬐인 비스타의 이미지를 편안하게 보려면 선글라스가 필요합니다.

왜 카메라가 사람의 시각적 반응을 일으킨 전체 복사 에너지 범위를 캡처하지 않는지 묻습니다. 현대식 카메라는 왜 적색, 녹색 및 청색의 주요한 빛 색상이라고 불리는 세 개의 좁은 세그먼트 만 캡처합니까?

답은 우리가 보는 방식, 즉 인간의 시각적 반응에 해당합니다. 수년에 걸쳐 인간이 어떻게 색을 보는지에 관한 많은 이론이 제안되었습니다. 지금까지 우리 모두 색깔을 보는 방법에 대한 모든 측면에 대해 만족스럽게 설명하지 못했습니다. 우리의 눈이 민감한 파장은 400에서 700 밀리 마이크론의 범위를 커버합니다. 지구 대기가이 범위에 투명하다는 것은 우연이 아닙니다.

우리가 광원을 응시할 때, 그것이 하나만 제시되지 않는 한 특정 파장을 구별 할 수 없습니다. 백색 광원을 볼 때 특정 색상을 분리하여 식별 할 수 없습니다. 우리의 눈 / 뇌 조합은 주파수의 혼합을 구성하는 것을 분석하지 않고 빛의 색상을 해석합니다. 이를 활용하여 과학자들은 실험에 의해 3 가지 색상 만 다양한 비율로 혼합함으로써 거의 모든 색상을 생성 할 수 있음을 입증했습니다. 다시 말해서, 인간의 눈에 다양한 강도로 빨강, 녹색 및 파랑의 혼합으로 대부분의 스펙트럼 색상을 정확하게는 아니지만 가까운 근사치로 재현 할 수 있습니다. 이것은 컬러 비전의 젊은 이론 (The Young Theory of Color Vision)이라는 제목의 Thomas Young (영국 1773 – 1829)의 작품이었다.

영의 이론을 바탕으로 제임스 클러 크 맥스웰 (James Clerk Maxwell) (영국 1831 – 1879)은 세계 최초의 컬러 사진 사진을 보여 주었다. 1855 년에 그는 3 대의 프로젝터를 사용하고 3 개의 이미지를 단일 스크린에 투사했습니다. 각 프로젝터에는 컬러 필터가 장착되어 있습니다. 3 개의 이미지는 각각 3 개의 밝은 원색, 즉 적색, 녹색 및 청색 중 하나였다. 영사 된 필름 이미지는 3 개의 흑백 필름에서 3 개의 개별 사진을 촬영하여 만들어졌으며, 각각 3 개의 조명 프리미어의 필터 하나를 통해 노출되었습니다.

그 날 1855 년부터 컬러 사진을 만들고 표시하는 수많은 방법이 연구되었습니다. 초기 컬러 동영상은 단 두 가지 색상을 사용하여 연약한 컬러 이미지를 투사했습니다. Polaroid Corp.의 Edwin Land (American 1909 – 1991) 창립자는 두 가지 기본 색상 만 사용하여 컬러 그림을 만드는 실험을했습니다. 이것은 실험실 호기심으로 남아 있습니다. 지금까지 가장 충실한 컬러 이미지는 3 가지 컬러 원색을 사용하여 만들어졌습니다. 그러나 Gabbriel Lippmann (프랑스 1845 – 1921)은 전체 가시 광선 스펙트럼을 포착 한 아름다운 컬러 이미지를 만들었습니다. 그는 거울 백업과 함께 흑백 필름을 사용하는 방법을 고안했습니다. 노출 된 광은 필름을 투과하여 거울을 비추고 필름으로 다시 반사되었다. 따라서, 노광 광의 2 개의 통과를 통해 노출이 이루어졌다. 이미지는 노광 광의 파장과 동일한 간격으로 배열 된은으로 구성된다. 볼 때, 필름은 노광 광의 파장과 일치하는 광만을 통과시켰다. 안료의 염료가 포함되지 않은 풀 컬러 사진을 볼 수 있습니다. 독특하고 아름다운 Lippmann 프로세스는 여전히 비현실적입니다. 우리의 필름과 디지털 카메라는 Maxwell에서 사용 된 방법으로 대체됩니다. 아마도 인간의 시각과 색 이론을 연구한다면 과학을 발전시키고 진정으로 충실한 최초의 이미지를 얻는 사람이 될 것입니다. 우리의 필름과 디지털 카메라는 Maxwell에서 사용 된 방법으로 대체됩니다. 아마도 인간의 시각과 색 이론을 연구한다면 과학을 발전시키고 진정으로 충실한 최초의 이미지를 얻는 사람이 될 것입니다. 우리의 필름과 디지털 카메라는 Maxwell에서 사용 된 방법으로 대체됩니다. 아마도 인간의 시각과 색 이론을 연구한다면 과학을 발전시키고 진정으로 충실한 최초의 이미지를 얻는 사람이 될 것입니다.

당신은 말했다

이것은 디지털 카메라가 처음에 캡처 한 정보입니다.

맞지 않습니다. 대부분의 디지털 카메라의 센서 자체는 사람이 적외선 및 자외선 스펙트럼에서 볼 수있는 것 이상의 넓은 주파수의 빛에 반응합니다. 센서는 광범위한 광을 포착하기 때문에 광 파장의 끔찍한 판별 기 입니다. 즉, 대략적으로 말하면 디지털 센서는 흑백으로 보입니다 .

대부분의 카메라 sensors¹ 들어, 색을 캡처하기 위해, 컬러 필터가 센서 앞에 배치 불리는 컬러 필터 어레이 (CFA). CFA는 각 센서 픽셀 (때때로 sensel 이라고 함 )을 주로 빨강, 녹색 또는 파랑 광선 센서 로 바꿉니다 . 원시 센서 데이터를 흑백 이미지로 보려면 절반 톤의 흑백 신문 이미지와 같이 약간 흐리게 표시됩니다. 고배율로 확대하면 이미지의 개별 픽셀이 바둑판 모양으로 나타납니다.

원시 이미지 데이터의 개별 제곱을 빨강, 녹색 또는 파랑으로 적절하게 해석 하면 컬러 반톤 신문 기사와 유사한 이미지의 컬러 디더링 버전이 표시됩니다.

^{바이엘 컬러 필터 배열, 사용자 Cburnett , Wikimedia Commons. CC BY-SA 3.0}

이미지 데이터를 카메라에 저장하거나 컴퓨터에서 사후 처리 할 때 디 모자 이싱 이라는 프로세스를 통해 컬러 데이터 배열이 계산 방식으로 결합되어 풀 해상도 RGB 컬러 이미지를 만듭니다. 디 모자 이싱 프로세스에서 각 픽셀의 RGB 값은 픽셀 값뿐만 아니라 주변 픽셀의 데이터도 고려하는 알고리즘으로 계산됩니다.

• 참조 : RAW 파일 저장 3 개 픽셀 당 색상, 또는 하나를?

그렇다면 왜 RGB 형식을 사용하여 색상을 디지털 방식으로 표현해야합니까?

인간이 색을 인식하는 방식이기 때문에 우리는 삼색 색 모델을 사용합니다. Wikipedia의 Trichromacy 기사 에서

삼색 색 이론은 토마스 영이 색각이 세 가지 다른 광수 용기 세포의 결과라고 제안한 18 세기에 시작되었습니다. Hermann von Helmholtz는 나중에 색상 매칭 실험을 사용하여 Young의 아이디어를 확장했습니다 .

따라서 우리는 우리가 보는 것과 다소 유사한 방식으로 우리가 볼 수있는 것을 포착하는 카메라를 제작 합니다 . 예를 들어, 우리가 보는 것을 포착하고 재생하는 것을 목표로하는 일반적인 사진의 경우, 적외선 및 자외선 파장도 캡처하는 것이 의미가 없습니다.

• 참조 : 모든 색상을 RGB로 설명 할 수 있습니까?

1. 모든 센서가 CFA를 사용하는 것은 아닙니다. 포베의 X3의 시그마 DSLR의 미러 및 카메라에서 사용되는 센서는, 상이한 파장의 광을 다른 깊이로 실리콘을 통과한다는 사실에 의존한다. X3 센서의 각 픽셀은 빨강, 녹색 및 파랑 감지 포토 다이오드의 스택입니다. 각 픽셀은 실제로 RGB 센서이므로 Foveon 센서에는 디 모자 이싱이 필요하지 않습니다.

   라이카 M Monochrom는 센서에 CFA이없는 고가의 흑백 전용 카메라입니다. 들어오는 빛을 필터링하지 않기 때문에 카메라는 빛에 더 민감합니다 (Leica에 따르면 100 % 또는 1 정지, 더 민감합니다).

카메라와 디스플레이가 RGB로 작동하는 이유 는 망막이 그렇게 작동 하기 때문 입니다.

우리의 눈은 이러한 구성 요소 (RGB)로 색상을 인코딩하기 때문에 순수한 파장뿐만 아니라 (각 색채 구성 요소에 대한 망막 반응의 결정적인 조합을 형성합니다) 인코딩하는 것이 매우 편리한 시스템입니다 (확실히 유일한 것은 아닙니다) 혼합 색상도 있습니다.

이론적 인 근거는 "어떤 색 조합이라도 세 가지 구성 요소의 조합으로 뇌에 전달 될 수 있다면, (RGB 디스플레이를 통해) 격리 된 순수한 구성 요소의 주어진 조합 만 제시함으로써 시각적 시스템을 속일 수 있고 시스템은 마치 마치 실제처럼 디코딩합니다.

우리가 삼색 성이므로 대부분의 색 시스템은 본질적으로 색의 본질적인 물리적 특성 때문이 아니라 그 대신에 우리의 시각 시스템이 작동합니다.

간단히 대답하려는 시도 :

• 가시 광선 스펙트럼 내에서도 존재하는 모든 다른 파장의 파장에 대한 주파수, 주파수 별 완전한 고장을 저장하기에 충분한 정보를 실제로 캡처 할 수는 없습니다. RGB를 사용하면 세 개의 숫자 만 사용하여 픽셀의 색상을 설명 할 수 있습니다. 전체 주파수 스펙트럼의 빛을 포착하려면 모든 단일 픽셀에 3 개의 숫자가 아니라 데이터 그래프가 필요합니다. 데이터 전송 및 저장은 방대합니다.

• 우리 눈에는 필요하지 않습니다. 우리의 눈은 단지 3 개의 단일 파장을 보는 것이 아니라, 각각의 "적색", "녹색"및 "청색"수용체가 부분적으로 겹치는 범위의 빛을 포착합니다.

  

  중첩은 뇌가 신호의 상대 강도를 원색들 사이에서 다양한 색상으로 해석 할 수있게하므로, 우리의 비전 시스템은 이미 3 원색의 상대 신호 강도만으로 실제 파장을 근사화하는 데 상당히 능숙합니다. RGB 색상 모델은 이와 동일한 수준의 정보를 적절히 재현합니다.

두 가지 상호 작용 이유가 있습니다.

이유 (1)은 눈이 (보통) 주어진 지점에서 여러 파장의 빛을 받아들이 기 때문입니다. 예를 들어, 백색광은 사실상 [다양한] 다양한 파장의 혼합물입니다. "백색"파장이 없습니다. 마찬가지로, 자홍색 (현재 "핑크"라고 함) ( "핫 핑크"를 통해)은 빨강과 파랑이 혼합되어 있지만 녹색이 없어 (흰색으로 표시됨). 마찬가지로, 녹색으로 보이는 것은 석회와 시안 성분이있을 수 있습니다.

따라서 이유 (2)는 RGB가 사람의 눈이 작동하는 방식이며, 빨간색, 녹색 및 파란색 센서가 있기 때문입니다.

따라서, (1)과 (2)를 결합하여 : 인간의 뇌가 원래의 신호를 해석하는 것과 같은 방식으로 빛의 신호를 해석하게하려면, 그것들의 용어로 인코딩되어야합니다.

예를 들어, (반대로) 원본이 (사람이 인식하는 것) 백색광이지만 보라색과 빨간색 센서 (두 개만)를 사용하여 인코딩 된 경우 복제물이 사람의 눈에 자홍색으로 나타납니다. 비슷하게, 그러나 더 미묘하게 또는 세밀하게… 전 범위의 색상이 혼합 된 백색광. 이것이 보라색, 노랑, 적색 센서를 사용하여 인코딩 된 경우…이 재현은 사람의 눈에 순수한 백색이 아닌 것처럼 보일 것입니다. 황색을 띤 황백색으로 (손으로). 반대로, 그것은 같은 센서 (즉, 보라색, 노랑, 빨강)를 가진 가상의 외계인 (실제로는 실제 동물에게는)에게는 순수한 흰색으로 보일 것입니다.

마찬가지로, 만약 원본이 흰색이라면 (즉, 모든 범위의 색상이 혼합 된), 이것을인지하는 인간의 눈은 이것을 빨강, 초록, 파랑으로 만 인코딩 할 것입니다. 파란색 (동일한 비율로)은 인간의 인식에 순수한 흰색으로 보일 것입니다. 즉, 두 경우 모두 정보가 손실되지만 손실이 일치하기 때문에 최종 결과는 완벽하게 나타납니다. 불행하게도, 이들은 해당 할 것이다 정확하게 카메라의 센서 [RGB]은 감도가있는 경우에만 곡선 경우, 예를 들어 - 인간의 눈에 센서 [RGB]과 완전히 동일하게 [각 센서가 색상 범위에 의해 활성화되는 것을주의]를 , 라임 색상은 두 경우에 걸쳐 각각의 적색, 녹색 및 청색 센서를 정확히 동일한 양으로 활성화했습니다.

tl; dr : 주파수를 정확하게 분석하는 것보다 스펙트럼의 세 가지 넓은 부분에서 빛을 감지하는 것이 훨씬 쉽습니다. 또한 탐지기가 단순할수록 더 작아 질 수 있습니다. 그리고 세 번째 이유 : RGB 색 공간은 인간의 눈의 조작 원리를 모방합니다.

Max Planck이 입증했듯이 모든 핫 바디는 다양한 주파수의 방사선을 방출합니다. 그는 자살하고 에너지가 광자라고 불리는 파열로 방사된다는 것을 증명했다. 그날부터 물리학은 결코 같지 않았습니다. 단 하나의 주파수의 방사선 만 방출하고 여러 개의 고립 된 주파수의 방출 (네온 바 등)을 방출하는 이상적인 레이저 / 마저는 예외입니다.

주파수에 대한 강도 분포를 스펙트럼이라고합니다. 유사하게, 검출기는 또한 스펙트럼을 가지며,이 경우에는 표준화 된 강도의 방사선에 대한 검출기의 응답 분포이다.

이미 언급했듯이, 백색 광선은 백색입니다. 왜냐하면 우리의 눈은 원적외선에서 자외선에 이르는 햇빛을 백색으로보기 위해 진화 보정되어 있기 때문입니다. 예를 들어 잎은 녹색으로 표시되는 부분을 제외한 모든 주파수를 흡수하기 때문에 녹색입니다.

물론, 스펙트럼을 수집하고 정보를 추출 할 수있는 검출기가 있습니다. 이들은 화학 조성 또는 미세 구조가 스펙트럼으로부터 평가되는 광학 방출 분광법 및 x- 선 회절 및 형광 기술에 사용된다. 사진의 경우 그것은 과잉입니다. "화학적"구성을 평가하려고하지만 이미지가 가짜 색상으로 "번역"되는 천체 사진을 제외하고. 이 검출기는 정확하고 크거나 작지만 정확하지 않으므로이를 분석하려면 훨씬 더 많은 계산 능력이 필요합니다.

사람의 눈이나 다른 눈은 그렇지 않습니다. 대상의 화학적 조성 또는 결합 상태는 보이지 않습니다. 눈에는 네 가지 "검출기"가 있습니다.

• 무색 : 가장 민감하며 모든 가시 주파수에서 작동합니다. 그들 없이는 밤에는 아무것도 볼 수 없습니다.
• 빨강 : 저주파 영역에서 가장 민감합니다. 그렇기 때문에 뜨거운 것이 먼저 빨간색으로 빛납니다.
• 녹색 : 고주파 영역에서 가장 민감합니다. 그렇기 때문에 더워지면 더운 물건이 빨간색에서 노란색으로 바뀝니다.
• 청색 : 고주파 영역에서 가장 민감합니다. 그래서 더 많이 가열하면 가열 된 물체가 흰색으로 빛납니다. 점점 더 많이 데울 수 있으면 연한 파란색으로 빛나기 시작합니다.

무지개 나 CD 또는 DVD를 보면 색이 빨간색에서 보라색으로 바뀌는 것을 볼 수 있습니다. 무지개의 주어진 부분에 대한 광선은 주로 하나의 perticullar 주파수입니다. 적외선은 눈에 보이지 않으며 망막의 세포를 자극하지 않습니다. 주파수가 증가하면 빔은 빨간색 "셀"만 자극하고 빨간색으로 보이는 색을 자극하기 시작합니다. 주파수가 증가하면 빔이 "적색 셀"을 자극하고 "그린"이 약간 색이 주황색으로 나타납니다. 노란색 광선은 "녹색"을 조금 더 자극합니다 ...

카메라, CCD 또는 CMOS의 센서는 모든 주파수의 광선에 의해 여기되어 우리의 눈이 사람의 눈을 모방하는 색으로 볼 수있는 사진을 찍습니다. 예를 들어 Bayes 필터를 사용합니다. 그것은 망막의 세포 유형에 의도적으로 유사한 투과 스펙트럼을 갖는 3 개의 컬러 필터로 구성됩니다.

태양이 비추는 노란 종이에서 반사 된 빛은 "빨간색"을 완전히 (100 %), "녹색"을 완전히 (100 %), 약간 "파란색"(5 %)을 빠져 나옵니다. 그것의 사진을 찍으면, 비슷한 소리로, 카메라에 의해 자극이 모입니다. 화면에서 이미지를 볼 때, 화면은 당신에게 아주 짧은 시간 동안 100 개의 빨간색 광자, 100 개의 녹색 광자 및 5 개의 파란색 광자를 보냅니다. 망막의 흥분 수준은 직접 관찰로 인한 흥분과 유사하며 노란색 종이 사진을 찍을 것입니다.

색상을 재현하려면 해결해야 할 또 다른 문제가 있습니다. RGB 색상 공간을 사용하면 픽셀 당 세 가지 유형의 광원 만 필요합니다. 우리는 3 개의 컬러 필터 (LCD가 이와 같이 작동)를 가질 수 있고, 3 가지 유형의 LED (LED 및 OLED 패널이 사용), 3 가지 유형의 루미 노포 (CRT를 사용)를 가질 수 있습니다. 색상을 완전히 재현하려면 픽셀 당 무한한 양의 필터 / 소스가 필요합니다. 정보 색상을 주파수로 단순화하려면 도움이되지 않습니다.

온도에 따라 색상을 재현 할 수도 있습니다. 나는 당신이 빨강-노랑-노랑-흰색을 재현 할 수 있고 각 픽셀을 약 3000K의 온도로 가열해야한다고 가정합니다.

그리고 모든 이론적 인 상황에서 당신의 눈은 여전히 ​​실제 색상을 RGB 신호로 변환하여 뇌로 전달합니다.

해결해야 할 또 다른 문제는 데이터를 저장하는 방법입니다. 기존의 18MPx RGB 이미지는 각각 8 비트 크기의 3 개의 매트릭스 5184x3456 셀로 구성됩니다. 이는 이미지 당 51MiB의 압축되지 않은 파일을 의미합니다. 8 비트 해상도와 같이 모든 픽셀에 대해 전체 스펙트럼을 저장하려면 5184x3456x256 übermatrix가되어 4 GiB 압축되지 않은 파일이 생성됩니다. 이는 430–770 THz 범위에서 256 개의 서로 다른 주파수의 강도를 저장한다는 것을 의미합니다. 즉, 채널당 1,3 THz 간격의 분해능을 의미합니다.

내가 말할 수 있다면 노력할 가치가 전혀 없습니다 ...

짧은 대답 : 파장은 단일 값이고 우리가 인식 할 수있는 전체 색상 범위는 단일 값으로 표현할 수 없으므로 직사각형 솔리드의 치수보다 더 많은 것은 단일 측정으로 표현할 수 있습니다.

유추를 계속하려면 고체의 부피를 인용 할 수 있지만 같은 부피를 가진 많은 다른 고체가 있습니다.

RGB, CMY, HLS 등은 모두 세 가지 "치수"를 사용하므로 이제는 사람이 보는 것처럼 색상을 적절히 설명해야합니다.

파장은 HLS 시스템에서 색조와 동일하지만 밝기 나 채도를 알 수는 없습니다.

Re "또한, 디지털 카메라가 처음으로 캡처 한 정보가 ([파장]) 그렇지 않습니까?" 아니, 그렇지 않습니다.

다른 사람들이 지적했듯이 디지털 카메라는 빨강, 초록, 파랑의 상대적인 강도를 포착합니다. (그리고 일부는 중요한 빨강-녹색 지역에서 더 나은 식별을 위해 적어도 하나의 추가 색상을 사용했습니다.) 들어오는 빛의 주파수를 직접 측정하는 것은 훨씬 더 어려울 것입니다. 우리는 그것을 할 수있는 저렴한 센서를 가지고 있지 않습니다. 물론 수백만 개의 그리드로 만들 수있는 센서는 아닙니다. 그리고 카메라가 밝기와 채도를 측정 할 수있는 방법이 여전히 필요합니다.