멀티미디어 공학 8주차 (컬러모델과 영상 포맷)

색채 모델(Color Model / Color Space)

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

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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

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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)

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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

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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.

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

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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

1. 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.
2. 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.

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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.

1. 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.
2. 데이터 저장 방식:
   • 거꾸로 저장(bottom-up): 비트맵 데이터는 이미지의 맨 아래부터 위로 저장됩니다.
     • 예시: 오른쪽 그림에서 이미지가 상하 반전된 것처럼 저장되는 모습을 보여줍니다.
3. 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.

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정리

• 비트맵 이미지는 그레이스케일 또는 인덱스 컬러 방식으로 간단히 표현될 수 있으며, Truecolor 비트맵은 더 정밀한 색상을 제공합니다.
• 비트맵 파일은 하단부터 위로 저장되는 bottom-up 형식을 사용하며, 4바이트 패딩으로 메모리 정렬이 이루어집니다.

문제 1:

BMP 파일에서 Truecolor와 Grayscale 파일의 차이는 무엇인가?

• 답안: Truecolor BMP는 각 픽셀이 24비트(BGR로 8비트씩)로 저장되어 다양한 색상을 표현할 수 있지만, Grayscale BMP는 각 픽셀이 8비트로 저장되어 흑백의 명도만을 표현합니다.

문제 2:

BMP 파일에서 Little Endian 방식이 적용된다는 것은 무엇을 의미하는가?

• 답안: Little Endian 방식에서는 다중 바이트 데이터가 저장될 때, 가장 작은 바이트가 먼저 저장되고 큰 바이트가 나중에 저장됩니다. BMP 파일에서는 이러한 Little Endian 방식이 파일 구조에 적용됩니다.

문제 3:

Truecolor BMP 파일에서 [00 FF 00] 값이 의미하는 색상은 무엇인가?

• 답안: [00 FF 00]은 BGR 순서로 저장된 값이며, 이를 RGB로 해석하면 파랑은 0, 초록은 255, 빨강은 0입니다. 따라서 이 값은 녹색을 나타냅니다.

문제 4:

Grayscale BMP 파일에서 [80] 값이 의미하는 것은 무엇인가?

• 답안: [80]은 128의 값을 가지며, 중간 밝기의 회색을 나타냅니다. Grayscale BMP에서는 값이 클수록 픽셀이 밝아집니다.

문제 5:

BMP 파일의 헤더에는 어떤 정보가 포함되어 있는가?

• 답안: BMP 파일의 헤더에는 파일 크기, 이미지 너비 및 높이, 비트 깊이, 픽셀 배열 시작 위치, 압축 여부와 같은 메타데이터가 포함됩니다.

문제 6:

BMP 파일에서 픽셀 데이터는 어떤 순서로 저장되는가?

• 답안: BMP 파일에서 픽셀 데이터는 BGR(파랑, 초록, 빨강) 순서로 저장됩니다. 또한, 파일은 Little Endian 방식으로 저장되므로 다중 바이트 값은 가장 작은 바이트부터 저장됩니다.

문제 7:

BMP 파일에서 [FF 00 00]은 어떤 색상을 의미하는가?

• 답안: [FF 00 00]은 BGR 순서로 파랑이 255, 초록이 0, 빨강이 0을 의미하며, 이는 파란색을 나타냅니다.

문제 8:

Grayscale BMP에서 밝기를 나타내는 값 범위는 무엇인가?

• 답안: Grayscale BMP에서 밝기를 나타내는 값 범위는 0에서 255입니다. 0은 검정색, 255는 흰색을 나타내며, 그 사이 값은 회색 명도를 나타냅니다.

문제 9:

Truecolor BMP 파일에서 한 픽셀을 표현하는 데 필요한 비트 수는 몇 비트인가?

• 답안: Truecolor BMP 파일에서는 한 픽셀을 표현하는 데 24비트(8비트씩 BGR)를 사용합니다.

문제 10:

BMP 파일에서 색상 정보와 관련된 중요한 필드는 무엇인가?

• 답안: BMP 파일에서 색상 정보와 관련된 중요한 필드는 비트 깊이와 픽셀 배열 시작 위치입니다. 비트 깊이는 각 픽셀의 색상 표현에 몇 비트를 사용하는지를 나타내며, 픽셀 배열 시작 위치는 이미지 데이터가 시작되는 위치를 나타냅니다.

여기까지, 시험범위!

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1. GIF (Graphics Interchange Format):
   • Lempel-Ziv-Welch (LZW) 알고리즘을 기반으로 합니다.
     • 이는 무손실 압축 방식을 사용하여 이미지 품질을 유지하면서 파일 크기를 줄입니다.
2. 8비트(256 색상) 이미지에 적합합니다.
   • 그래픽과 도면(drawing) 같은 간단한 이미지에 적절한 색상 범위를 제공합니다.
3. 인터레이싱(Interlacing) 지원:
   • 4단계로 이미지를 표시하는 프로세스를 사용합니다.
     • 이는 이미지를 빠르게 로딩하여 저해상도로 먼저 보여준 후 점진적으로 고해상도로 채우는 방식입니다.
4. GIF89a의 특징:
   • 간단한 애니메이션 기능을 제공합니다.
   • Graphics Control Extension 블록을 통해 애니메이션의 지연 시간, 투명도 인덱스 등 간단한 제어가 가능합니다.

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정리

• GIF는 간단한 색상 이미지와 애니메이션에 적합한 무손실 압축 이미지 형식입니다.
• 인터레이싱을 통해 사용자가 빠르게 이미지를 볼 수 있으며, GIF89a 버전에서는 애니메이션과 투명도 제어를 지원합니다.

1. GIF File Format (GIF89)

• GIF89:
  • 애니메이션을 위한 확장 블록 정의 도입.
  • **투명도(Transparency)**와 지연 시간(Delay) 설정 가능.
  • 정렬된 색상 테이블(Sorted Color Tables):
    • 가장 중요한 색상이 먼저 등장.

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2. JPEG (Joint Photographic Experts Group)

• ISO/IEC 10918 규격을 준수하며 1993년에 도입됨.
• 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.

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3. PNG (Portable Network Graphics)

• 1996년 W3C, 1997년 IETF에 의해 도입.
• ISO/IEC 15948:2003 표준 준수.
• GIF 기반 확장 형식:
  • 최대 48비트 색상 정보 지원.
  • 감마 보정(Gamma-correction) 및 알파 채널 정보 포함 가능.
  • 7단계 인터레이싱을 통해 점진적으로 픽셀을 표시.

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4. TIFF (Tagged Image File Format)

• 1980년대 Aldus Corporation에서 개발되고 Microsoft에서 지원됨.
• 다양한 이미지 유형을 저장:
  • 1비트, 그레이스케일, 8비트, 24비트 RGB 등.
• JPEG 압축 태그를 추가하여 무손실 형식에서 유손 압축으로 선택 가능.

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5. EXIF (Exchange Image File)

• 디지털 카메라용 이미지 형식.
• 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.

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6. PS and PDF (PostScript and Portable Document Format)

• 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.