색보정 (1) - 감마, 감마 인코딩

1. 감마 인코딩(Gamma Encoding)이란 무엇인가?

 

(감마 인코딩(Gamma Encoding)=카메라 감마 인코딩)

글 마지막 부분에서 정리.

 

LUT이란 무엇인가?

 

Look Up Table의 약자이다. 영상을 촬영할 때 적용한 감마와 색역 값(변형된 데이터)를 표준(값)으로 복원해 주는 수단(수학적 계산표)이다. - LUT은 프리셋이 아니다. 

 

사람이 사물을 인식하는 방식

 

사람이 인식할 수 있는 것은 태양빛이 있기 때문이다. 태양의 반사광이 우리 눈으로 들어오기 때문에 사물을 인식할 수 있다. 사람은 명암(음영)의 차이(즉 밝은 부분과 어두운 부분의 차이 )에 의해 사물의 형태를 인식한다. 그러므로 인간은 색 없이 밝기의 차이만으로도 사물의 형태를 인식할 수 있다.

 

카메라는 사물을 어떻게 인식할까

인코딩이란 무엇인가

디코딩이란 무엇인가

 

 

카메라도 명암(음영)의 차이(즉 밝은 부분과 어두운 부분의 차이 )에 의해 사물의 형태를 인식한다. 카메라는 밝기와 어두움의 치이를 아날로그로 받아들여서 디지털로 저장한다. 즉 카메라가 저장하는 것은 밝기와 어두움의 차이이다. 

 

카메라가 밝기와 어두움의 차이를 아날로그로 받아들여서 디지털로 바꿔주는 과정을 인코딩이라 한다.

 

 

모니터는 카메라가 촬영한 파일을 어떻게 분석하고 해석해서 출력할까?

 

 

카메라가 촬영한 밝기의 차이, 즉 디지털 신호를 해석하는 과정을 디코딩이라 한다. 즉 카메라가 감마 값과 색역 값을 사용하여 촬영한 변형된 신호를 해석하고 사람의 눈이 볼 수 있도록 재생하는 것을 디코딩이라 한다.

 

감마와 색역은 무엇일까

왜 감마와 색역이 필요한 것일까?

 

빛이 카메라 센서로 들어올 때, 모든 밝기와 색상을 인코딩 과정 없이 실시간으로 저장하려면, 컴퓨터는 센서 성능과 연산속도와 저장용량에서 슈퍼컴퓨터가 되어야 한다.

 

카메라의 제한된 바디 안에 어떻게 최적의 화질을 저장할 수 있을까? 최적의 인코딩을 하기 위하여 감마가 필요하다. 즉 감마와 색역은 최소한의 비용과 기술력으로  최대한의 화질과 색깔을 구현하기 위한 것이다.

 

사람과 카메라는 사물을 인식하는 방법이 다르다.

사람과 카메라 모두 사물을 인식할 때 밝기와 어두움의 차이로 사물을 인식하는 것은 동일하지만 사람은 밝기와 어두움(즉, 명암)에 대하여 선형적인 반응이 아닌 비선형적으로 반응한다.

 

아래 그림은 가장 어두운 부분부터 밝은 부분까지 균일하게 색을 넣어 둔 것인데, 사람의 눈에는 균일하게 보이지 않는다. 사람은 밝은 부분이 더 많은 것으로 느낀다.(사실은 반반인데)

 

 

명암 그라데이션

 

 

그러므로 카메라도 비선형적으로 빛을 저장하도록 하는 것이다. 즉 카메라가 인코딩할 때, 인간의 시각이 인지할 수 없는 정보는 빼고 저장하는 것이다. (사람이 밝기의 차이로 사물을 인식하므로 인코딩 시, 밝기의 차이를 변형해서 데이터를 저장)

 

그래서, 어두운 부분을 더 많이 저장하고(늘리고) 밝은 부분은 줄여서 저장하기로 한다. 어두운 부분을 더 잘게 분할하여 더 많은 단계로 저장하고, 밝은 분은 크게 분할하여 단계를 줄여 저장한다. 

 

감마 인코딩(카메라 감마 인코딩)이란 선형으로 된 밝기의 차이를 비선형으로 변환해서 같은 밝기의 신호를 갖고도 월등히 고품질의 이미지를 만들어내는 방법이다.

 

감마는 밝기에 관련된 것이 아니라 인코딩에 관련된 것이다. 선형의 숫자를 일정한 규칙으로 비선형 숫자로 바꾸는 방법이다. 감마는 밝기가 아니라, 어떤 지수(값)이다.

 

감마 값을 바꾸면 비선형 그래프로 바뀐다. 감마가 1일 때는 선형인 그래프가 되고, 감마가 1보다 작을 때(예: 1/2일 때)는 위로 비선형인 그래프가 되고 감마가 1보다 클 때(예: 2일 때)는 아래로 비선형인 그래프가 된다.

 

REC.709

 

표준 감마값은 0.45로 정하게 되었다. 왜냐하면 당시 최적화된 감마값이 0.45 이었기 때문이다. 그리고 이 표준 감마값(0.45의 이름을) REC.709라는 이름으로 정하게 되었다.

 

REC는  :  recommendation의 rec이고,

recommendation의 뜻 : 추천; 천거; 권장; 권고; 충고.

 

국제 전기통신연합 전파통신부문 방송서비스(TV) 권고사항 709번.

(HDTV를 만들 때 어떠한 방식을 쓰라고 위 조직에서 권고한 사항)

즉 REC.709의 뜻은= 국제 전기통신연합 전파통신부문 방송서비스 권고사항 709번이다. 

 

(참고) REC.601와 REC.2020은 다음과 같다.

 

REC.601 = SD 720 x 480(4:3) 

REC.709 = HD 1920 x 1080(16:9) 

REC.2020 = 4K/UHD 3840 x 2160(16:9) 

 

표준 감마

 

 

표준 감마로 인코딩한다는 것의 의미는 밝기의 차이를  REC.709 GAMMA(GAMMA 0.45)로 인코딩해서 저장하고, REC.709(GAMMA 2.2 )로 디코딩해서 재생한다는 것이다.

 

REC.709 GAMMA로 디코딩한다는 것의 의미

 

 

인코딩할 때 비선형으로 저장한 것을 다시 반대로(선형으로) 디코딩한다. 함숫값은 2.2이다.

왜냐하면, 0.45=1/2.2이기 때문이다.

(요즘 대부분의 PC나 운영체제(윈도, 맥, 영상 편집 프로그램)이 GAMMA 2.2 프로파일을 내장하고 있다.)

 

 

표준 감마와 표준 색역

색보정 (2) 표준 감마(REC.709 GAMMA), 표준 색역(REC.709 GAMUT )

 

로그 감마 인코딩과 LUT

 

색보정 (3) 로그 감마 인코딩과 LUT