멀티미디어 공학 8주차 (컬러모델과 영상 포맷)

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멀티미디어 공학 8주차 (컬러모델과 영상 포맷) - 기말고사 범위 시작

만능 엔터테이너 2024. 10. 14. 15:19

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색채 모델(Color Model / Color Space)

정의 : 색채를 어떻게 정의하느냐 하는 방법
역할 : 채널 수, 채널 심도 등이 결정됨
종류 : CIE, RGB, HSB, CMYK, YUV 등

CIE Color Space

정의 : 어떤 광원에 의해 인식되는 색채 혹은 3개의 파라미터에 의해 정의될 수 있다는 색체 이론에 의하여 정의된 색채 모델

역할 : 다른 색체 모델들의 교정 기준

RGB Color Space

정의 : 모든 색상은 Red/Green/Blue의 빛의 삼원색의 강도에 의해 결정된다는 사실을 기반으로 하는 색 표현 방법

- 역할 : CRT 등 Color Display Device에 가장 널리 쓰이는 색체 모델

CMYK Color Space

정의 : Cyan,Magenta,Yellow와 흑색 성분을 표현하기 위한 K(Black)의 4가지 성분으로 표현하는 색체 모델

원리 : 인쇄된 종이에 원하는 색을 표현하기 위하여, 원하는 색 이외의 성분을 모두 흡수하는 색을 정의하여 색상을 표현

(k 검은색은 실제 실용성 때문에 추가로 사용하는 것)

- 특징 : 프린터에 가장 많이 쓰이는 색체 모델

HSV Color Space

Hue - Red에서 Green을 지나 Blue까지 120도 간격으로 이루어진 원에서의 각을 나타내는 값으로 색채를 대표

빨강: 0°

노랑: 60°

초록: 120°

파랑: 240°

Saturation - Hue로 나타내진 색채의 강도, 원의 중심에서 시작하여 밖으로 갈수록 강해짐, 채도는 색상의 순도 또는 강도를 나타냅니다. 0%는 회색으로, 100%는 가장 강렬한 색상입니다. 채도가 높을수록 색상이 더 생생해집니다.

Value :

순수한 밝기를 나타내는 정도,

순수한 검은색에서 순수한 흰색

으로 이어지는 Gray성분으로 표현

명도는 색의 밝기를 나타냅니다. 0%는 검정색이며, 100%는 해당 색상의 가장 밝은 상태입니다.

YUV Color Space

- 정의 : Luminance(Y)와 Chrominance(UV) 성분으로 표현하는 색채 모델

- 원리 : U와 V는 각각 U는 Y(밝기)와 B(파란색)의 색상 차이, V는 Y(밝기)와 R(빨간색)의 색상 차이

- 특징 : TV에서 사용되는 색채 모델, 흑백 TV에서 Color 정보를 받았을 때, Y 성분만을 이용하여 표현할 수 있도록 구성

채널 수

: 이미지 합성에 쓰일 수 있는 이미지 전체 또는 일부의 투명/반투명한 영역을 정의하는 알파 채널과 각 색채 모델에서 사용되는 구성요소의 수 (알파 채널이 없는 CMYK는 4개의 채널을 가짐)

채널 심도

: 각 채널이 갖는 값을 코딩하기 위하여 하나의 색소가 갖는 bit 수 (bits/Pixel로 정의 / 1bit, 2bit, 4bit, 8bit가 주로 사용 / 채널 심도가 높을수록 다양한 색채 표현 가능)

디지털 이미지의 종류

"하나의 픽셀을 표현하는데 얼마나 많은 bit를 사용하는가"

- 1 bit Monochrome 이미지
- 8 bit Grayscale 이미지
- 8-bit Color 이미지
- 24-bit True Color 이미지

1-bit Monochrome 이미지

- 정의 : 하나의 픽셀을 표현하는 데 1bit만을 사용하는 이미지 (Binary 이미지, 1-bit 흑백 이미지, 1-bit 단색 이미지)

- 특징 : 하나의 픽셀에 담긴 정보는 1 또는 0 (정해진 색이 있는지 여부의 정보만 표현이 가능), 1-bit 이미지는 흰색과 검은색만 갖는 단색이미지 또는 특정 색상의 유무에 따른 단색 이미지

8-bit Grayscale 이미지

- 정의 : 하나의 픽셀을 표현하는 데 8bit(1Byte)를 사용하는 이미지 (256레벨 Grayscale 이미지, 256레벨 회색조 이미지, 8-bit 회색조 이미지)

- 특징 : 8bit는 Unsigned Integer로 가정할 때 0인 경우 검은색, 값이 점차 커짐에 따라 밝아져서 255가 되는 경우 흰색, 256레벨 회색조(Grayscale) 이미지라고 불림 [회색조(Grayscale) : 색이 없고 밝기 정보만 보유]

8-bit Color 이미지

정의 : 각 픽셀당 1Byte가 할당되어 표현할 수 있는 색의 종류가 256가지로 제한되는 이미지 (2^(8)의 다른 값들로 표현)
특징 : 사용되는 256개의 색들은 24-bit Color에서 선택됨, Color Lookup Table 또는 Color 팔레트라고 불리는 테이블에 저장, 픽셀의 8bit는 테이블에 저장되어 있는 색의 INDEX 값(0 ~ 255번)을 가지고 있게 됨

Color Lookup Tables (LUTs):

LUT는 8비트 색상 인덱스(0~255 범위)를 24비트 색상 정보로 매핑해 줍니다.
팔레트(palette)라고도 불립니다.

24-Bit True Color 이미지

정의 : 픽셀당 3Byte, 즉 24bit를 할당하여 16,777,216 종류의 다른 값들을 표현하는 이미지 (2^(24))의 다른 값들을 표현)
특징 : 일반적으로 R,G,B 값을 각각 1Byte씩 할당하여 표현 / R,G,B 성분을 각각 256종류로 표현, 24-bit color 이미지라고 불림, 실제 저장 포맷에서는 종종 알파채널 1 Byte가 추가되어 32bit 이미지로 사용되기도 함

24-Bit Color Images (24비트 색상 이미지):
- 각 픽셀은 RGB(Red, Green, Blue) 값을 나타내는 3바이트로 표현됩니다.
  - 빨강, 초록, 파랑 각각 8비트(1바이트)로 구성됩니다.
색상 수:
- 256 × 256 × 256 색상 조합이 가능하며, 이는 16,777,216가지의 색상을 의미합니다.

색소의 Aspect Ratio

이미지 전체의 가로/세로 크기 비율 or 한 색소의 가로/세로 크기 비율

한 색소의 가로/세로 크기 비율

: 이미지와 Display Device의 Pixel Aspect Ratio가 다른 경우, 가로나 세로로 늘어나거나 찌그러진 왜곡된 이미지가 나타나게 됨

코딩 방법 : 디지털 이미지를 저장/전송하기 위한 코딩 방법은 여러가지

정해진 규칙에 의하여 디지털 이미지를 코딩하였을 때, 이미지는 정해진 포맷을 갖게됨

코딩 포맷 : BMP, GIF, TIFF, JPEG 등

BMP 파일 포맷

Device Dependent Bitmap (장치 의존 비트맵):
- 이미지의 출력(예: 크기)은 디스플레이 장치(스크린, 프린터 등)에 따라 달라집니다.
- 즉, 동일한 이미지라도 사용되는 장치에 따라 표시 결과가 달라질 수 있습니다.
Device Independent Bitmap (장치 독립 비트맵):
- 이 형식의 비트맵 이미지는 출력 장치와 무관하게 항상 의도한 대로 표시됩니다.
- BMP 파일은 일반적으로 DIB(Device Independent Bitmap) 형식으로 Windows 환경에서 저장됩니다.

정리

BMP 파일은 두 가지 형태로 구분됩니다:
1. 장치 의존 비트맵: 출력 장치의 특성에 영향을 받는 이미지.
2. 장치 독립 비트맵: 출력 장치에 상관없이 일관된 결과를 제공하는 이미지.

비트맵 유형:
- Grayscale Bitmap / 8비트 컬러 비트맵: 각 픽셀에 대해 색상 팔레트의 인덱스 번호가 저장됩니다.
- Truecolor Bitmap: 각 픽셀의 실제 색상 값이 (B, G, R) 순서로 저장됩니다.
  - 일반적인 RGB 순서와는 다르게 파랑(B), 초록(G), 빨강(R) 순서로 배열됩니다.
데이터 저장 방식:
- 거꾸로 저장(bottom-up): 비트맵 데이터는 이미지의 맨 아래부터 위로 저장됩니다.
  - 예시: 오른쪽 그림에서 이미지가 상하 반전된 것처럼 저장되는 모습을 보여줍니다.
비트맵 데이터 정렬:
- 4바이트 단위(B,G,R과 추가적인 패딩 또는 알파채널(투명도)를 지칭)로 정렬(aligned)됩니다.
  - 오른쪽 하단 그림에서는 비트맵 데이터가 3열에서 4열 단위로 정렬되는 과정을 설명합니다. 이는 메모리 정렬 및 패딩 처리와 관련이 있습니다.

{ GIF 파일 형식 }

GIF (Graphics Interchange Format) :
- LZW 알고리즘을 기반 ,8비트(256색) 컬러 이미지를 지원 (그래픽 및 도면에 적합)
- 4단계 디스플레이 과정을 통해 인터레이싱(점진적 로딩) 지원

[ 인터레이싱(interlacing)은 이미지를 전송하거나 디스플레이할 때 전체 이미지를 한 번에 표시하지 않고, 여러 개의 패스로 나누어 순차적으로 표시하는 방식입니다. ]

GIF89a 버전은 Graphics Control Extension 블록을 통해 간단한 애니메이션을 지원 (지연 시간, 투명 색상 인덱스 등에 대한 간단한 제어 가능)
이미지는 반복이 되고 이미지의 반복되는 위치에 각기 다른 이미지를 투영하여 이미지가 움직이도록 하는 효과를 생성함(GIF)

REPEATED 영역 3가지 : Image descriptor, Local color map, Raster Area (GIF87a 버전)

만약, Glocal Color Map이 없으로 디폴트 맵에서 색상을 가져옴

😎문제: GIF 파일의 컬러 맵은 각 색상의 RGB 값을 바이트 단위로 저장합니다. 각 색상은 3바이트(R, G, B)로 표현됩니다. 만약 GIF 파일의 pixel 깊이가 3이라고 할 때, 컬러 맵의 길이는 몇 바이트가 될까요?

풀이

pixel 깊이가 3이므로, 컬러 맵의 길이는 2^(pixel+1)=2^(3+1)=16개의 색상을 포함합니다.
각 색상은 3바이트로 표현되므로, 총 바이트 수는 16×3=48 바이트입니다.

정답: 48 바이트

각 Pass 단계를 진행하면서 단계별 띄어지는 비트 수 (original GIT 87a 형식)

이미지는 GIF 파일 포맷에서 사용하는 4-패스 인터레이스 디스플레이 방식을 설명합니다.
이 방식은 GIF 이미지가 점진적으로 표시되도록 하여 로딩 시 전체 이미지를 순차적으로 보게 해주는 방법입니다.

- Pass 1: 0, 8, 16, 24, ... 와 같이 8의 배수로 증가하는 행을 채웁니다.
  - 예시: 행 0 (1a), 행 8 (1b), 행 16, 행 24 등
- Pass 2: 4, 12, 20, 28, ... 와 같이 4에서 시작하여 8의 배수로 증가하는 행을 채웁니다.
  - 예시: 행 4 (2a), 행 12 (2b), 행 20, 행 28 등
- Pass 3: 2, 6, 10, 14, 18, ... 와 같이 2에서 시작하여 4씩 증가하는 행을 채웁니다.
  - 예시: 행 2 (3a), 행 6 (3b), 행 10 (3c), 행 14 (3d) 등
- Pass 4: 1, 3, 5, 7, 9, ... 와 같이 1부터 시작하여 홀수로 증가하는 모든 남은 행을 채웁니다.
  - 예시: 행 1 (4a), 행 3 (4b), 행 5 (4c), 행 7 (4d) 등
Result: 최종 결과로 모든 행이 채워진 상태입니다. 각 행이 모든 패스를 거친 후 순서대로 채워져 최종 이미지를 형성합니다.

{ GIF File Format }

GIF89 : [애니메이션, 그래픽]

애니메이션을 위한 확장 블록 정의 도입
투명도(Transparency)(87a에서 추가됨)와 지연 시간(Delay) 설정 가능
정렬된 색상 테이블(Sorted Color Tables): 가장 중요한 색상이 먼저 전송됨 (Color Table이 전부 오지 않을 경우를 대비하여 우선순위대로 이미지를 분류하여 순서대로 전송함)

{ Other File Formats }

1. JPEG (Joint Photographic Experts Group) : [순수 이미지]

인간 시각 인식 시스템에 기반하여 이미지 압축 수행 :
- 이미지 블록을 주파수 도메인에서 표현
- 주파수 계수와 가중치를 평가
- 저주파 성분은 양자화(Quantization) 단계에서 더 큰 비중을 부여받음

2. PNG (Portable Network Graphics) :

GIF 기반 확장 형식
최대 48비트 색상 정보 지원 (RGB +alpha, 1비트 당 12비트 지원)
감마 보정(Gamma-correction) 및 알파 채널 정보 포함 가능
7단계 인터레이싱을 통해 점진적으로 픽셀을 표시
8x8 블록을 7회 반복하며, 2차원 방식으로 픽셀을 순차적으로 디스플레이하여 점진적으로 이미지를 표시

3. TIFF (Tagged Image File Format) :

다양한 이미지 유형을 저장: 1비트, 그레이스케일, 8비트, 24비트 RGB 등
원래는 무손실 형식으로 시작했지만, JPEG 태그를 추가하여 JPEG 압축을 선택할 수 있음

4. EXIF (Exchange Image File) :

디지털 카메라용 이미지 형식 ( 순수 이미지 + 메타 데이터 )
JEITA(Japan Electronics and Information Technology Industries Association)에서 개발
JPEG 형식을 기반으로 압축 수행
촬영 조건에 관한 다양한 태그 포함
오디오 데이터도 포함 가능

5. PS and PDF (PostScript and Portable Document Format) : [프린터 사용 포맷]

PostScript :
- 조판 및 프린터용 언어
- 벡터 기반 그래픽 언어
- 텍스트, 벡터 그래픽, 비트맵 이미지 포함 가능
- EPS(Encapsulated PostScript)로 다른 문서에 포함 가능
- 압축을 제공하지 않으며 ASCII 형식으로 저장됨
PDF (Portable Document Format) :
- LZW 압축 채택, 이미지 압축에 JPEG 사용

정리

GIF: 애니메이션과 투명도를 지원하는 간단한 이미지 형식
JPEG: 인간 시각을 기반으로 한 정교한 압축 방식 사용
PNG: 투명도와 색 보정을 지원하며, GIF를 확장한 형식
TIFF: 다양한 이미지 유형과 압축 방식을 지원하는 유연한 형식
EXIF: 디지털 카메라용, 촬영 정보와 오디오 포함
PS/PDF: 문서 및 그래픽 조판용, PDF는 JPEG로 이미지 압축 지원