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Colorimetryy

Human Factors(1)Human Factors(1)

Human Factors 혹은 인간공학(Ergonomics)은 인간과 기계 사이의 생산적이고 건강한 연결Human Factors 혹은 인간공학(Ergonomics)은 인간과 기계 사이의 생산적이고 건강한 연결을 하기 위해 고려됨

인간과 기계사이의 interface는 인간은 완전하고 바뀔 수 없다는 복잡한 도구라는 가정에서접근접근

현대에서의 Human Factor는 공학의 조합(기계, 산업, 전기), 심리학, 물리학, 해부학, 신경생리학, 약학, 심지어는 법의 관점에서도 있다.

LCD와 기타 다른 정보 display들에 적용된 바와 같이 Human Factor의 관점에서 연구를 다음3가지의 영역에서 이루어 질 것이다

Anthropometry (인체측정학)

Sensory (감각기관)

Cognitive(인식의 관점)

DISPLAY DEVICE Lab., Dong-A UNIVERSITY

1

Human Factors(2)Human Factors(2)

DiscussionsDiscussions설계자가 사용자와 시스템간의 interface설계하는데 모든 요소를 고려해야함(Human Factor)

이때의 필요한 3가지가 Anthropometric, Sensory, Cognitive임p y g

특히 display분야로 한정하면 주된 2가지가 있다.

이 2가지는 Sensory Neurophysiology와 Visual Psychophysics임

Sensory Neurophysiology : 인간의 감각기관의 작용에 관한 이해

Visual Psychophysics : 인간과 display사이에 기능적인 연결을 평가하기위한 방법과 data base를 제공


2

The Human Visual SystemThe Human Visual System

Capabilities and LimitationsCapabilities and Limitations가시광선의 파장 대역 : 380 ~ 780 nm (대부분의 사람의 경우)

사람눈이 가장 민감한 파장대역 : 555 nm (녹황색)


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Th P ti ll ‘S i ’ 보는 것의 과정The Perception we call Seeing - 보는 것의 과정

빛(자극) → 눈 → 시신경(Optical Nerve) → 시각피질(Visual Cortex) → 반응

전기적 신호의 형태

눈에서 일어나는 과정에 관련된 것

시각의 중추

눈에서 일어나는 과정에 관련된 것Optics, Photochemistry, Neurobiology, Electrophysiology


4


눈에 상이 맺히는 과정

물체로부터의 빛 → 각막 → 망막

(이때 수정체가 초점을 정밀하게 맞춤)

홍채(Iris)의 역할은 빛의 양을 조절하여 눈부심을 덜어주는 역할


5


1 Conea(각막)1. Conea(각막)

수정체와 같이 눈의 초점을 맞추는 주된 역할을 하고, 각막의 굴절율(Refractive Index)은1 37정도로 공기(=1)보다 큼1.37정도로 공기(=1)보다 큼

각막의 움직임

가까운 거리일 때 : 초점거리를 줄이기 위해서 부풀어 오름

먼 거리일 때 : 초점거리를 늘이기 위해서 납작해짐거리 때 거리 이기 위해서 작해

대부분 사람들의 눈에서는 각막(Conea)은 대략적으로(roughly) 초점거리를 맞추고 수정체(Lens)에서 정밀하게 맞춤(Lens)에서 정밀하게 맞춤


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2 동공(Pupil)과 홍체(Iris)2. 동공(Pupil)과 홍체(Iris)

동공(Pupil)은 홍체(Iris) 격막(diaphram)의 가운데 빛이 통과하는 구멍이고 홍체는 동공의 지름(크기)를 조절하는 역할을 함름(크기)를 조절하는 역할을 함

홍체의 색깔은 검은색, 갈색, 녹색, 파란색을 띄게 되는데 brown색소의 양에 따라 색깔이 달라짐 (앞에서 뒤로 갈수록 색소의 양이 적어짐)

홍체의 동작어두운 곳 홍체주변의 방사상 모양의 근육이 홍체를 중앙으로부터 당겨서 동공이 커짐 최어두운 곳 : 홍체주변의 방사상 모양의 근육이 홍체를 중앙으로부터 당겨서 동공이 커짐. 최대 지름 8mm까지

밝은 곳 : 동공이 홍체의 안쪽 끝 주변 방사상 모양의 근육의 수축으로 줄어든다 이때 광학적밝은 곳 : 동공이 홍체의 안쪽 끝 주변 방사상 모양의 근육의 수축으로 줄어든다. 이때 광학적으로 눈의 가장 좋은 부분인 중앙부분으로 구면 및 색채 이상(aberration)이 없이 또렷한 상이맺힘

이때의 대부분의 사람들의 동공의 크기는 3mm임이때의 대부분의 사람들의 동공의 크기는 3mm임


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3 수정체 ( Lens ) 13. 수정체 ( Lens ) - 1복잡한 다층구조로 되어있으며 망막(Retina)에 맺히는 물체의 초점거리를 조정한다. ( 각막(Conea)과 상호작용하여 망막에 역전된 상을 형성)

두께를 모양근(Ciliary muscle)으로 조정하여 근거리, 원거리의 상의 초점을 맞춤

순응(Accommodation) : 망막에 초점이 맞추게 하는 수정체의 초점거리를

맞추게 하는 과정

사람의 눈은 색깔이 교정되지 않아서(not color corrected) 수정체 뒤의

다른 거리에서는 다른 색감을 만드는 파장에 초점을 맞춤

(색교정이 되지 않은 수정체에서 Chromostereopsis에서는 같은 거리에 놓여있는 원색(pure color)은 다른 거리에 있는 것처럼 보인다고 함)

대부분의 사람들의 경우 빨간색은 가깝게 파란색은 멀게 보인다고 함


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3 수정체 ( Lens ) - 23. 수정체 ( Lens ) 2한번에 볼 수 있는 색깔의 범위도 색의 purity한 정도에 따라 영향을 받음

(왜냐하면 원색은 원색이지 않은 색보다 더 많은 초점조절이 필요하기 때문)

밤에 보면 파란색 계열(짧은 파장대역)의 색을 보면 다른 색깔계열은 또렷해 보임에도 불구하고 흐릿해보임. 왜냐하면 짧은 파장대역의 색은 초점이

망막의 앞에 맺혀 초점이 잡히지 않은 것으로 보이기 때문임망막의 앞에 맺혀 초점이 잡히지 않은 것으로 보이기 때문임

수정체는 모든 파장들을 동등하게 투과시키지 않음. (파란색계열을 다른 계열보다 거의 2배를흡수) 게다가 망막의 중앙부의 색소(pigment)는 노란색을 보낼 때 파란색을 흡수함흡수) 게다가 망막의 중앙부의 색소(pigment)는 노란색을 보낼 때 파란색을 흡수함

위의 결과에서 상대적으로 장파장계열의 색이 단파장계열의 색보다 민감하게 느끼는 것을 알위의 결과에서 상대적으로 장파장계열의 색이 단파장계열의 색보다 민감하게 느끼는 것을 알수 있음

난시 : 각막과 수정체의 구면 모양으로 인해 상이 왜곡되어 보이는 것


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4 눈동자의 유리액 ( Vitreous Humor )4. 눈동자의 유리액 ( Vitreous Humor )눈의 안쪽을 채우고 있는 다소 점성이 있는 액체 (굴절율 1.33)

망막과 수정체 사이의 거리를 항상 거의 똑같도록 유지함

5. 망막 ( Retina ) -1외부의 상이 눈안의 표면에 맺히는 곳

1억2천6백만개의 rod(광감각세포)가 있고, 600만개의 cone(역시 광감각세포)가 있는데 각각다른 광반응을 가지고 있어서 사람의 눈은 복합 시각시스템이라 할 수 있음다른 광반응을 가지고 있어서 사람의 눈은 복합 시각시스템이라 할 수 있음

위의 광감각세포들은 망막에 분포된 형태와 빛에 대한 민감도가 다르고 신경경로에 다르게연결 되어 있음

시각시스템의 능력과 한계에 따라 display를 최적화할려면, 망막 내의 rod와 cone의 기능을이해하는 것이 매우 중요함이해하는 것이 매우 중요함


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5 망막 ( Retina ) -25. 망막 ( Retina ) 2옆의 그림은 망막에 있는 rod와 cone의 분포임

광감각세포는 망막내의 약 100만개의 복잡한구조의 신경세포들을 통해 눈을 떠나 광신경을통함

맹점(Blind spot) : 망막과 광신경이 연결되어 있는부분. 이 부분에는 광감각세포가 없어서 시각을 느끼지 못함


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5 망막 ( Retina ) -25. 망막 ( Retina ) 2사람의 망막은 250um의 두께를 가졌고 면적은 최대 1100mm2 임

그러나 망막은 망막의 영역에서 민감한 정도가 균일하지는 않음

색채를 느낄 수 있는 부분은 눈의 광축(eye’s optics)으로부터 40도 이내임

40도 이내에서는 광축에 가까워 질수록 색깔과 세부적인 것이 잘 보임40도 이내에서는 광축에 가까워 질수록 색깔과 세부적인 것이 잘 보임

광축에는 중심와(fovea)가 있는데 가장 또렷한 상을 가지는데 작은 톱니모양으로 움푹 패인 모양을 하고 있으며 광감각세포인 cone이 거의 대부분임

망막의 뒷편에는 black pigment가 있는데 이는 광감각세포 옆으로 빗겨가는 빛을 흡수하여 빛이 빗겨나가는 것과 반사되는 것을 줄여주고 rod와 cone은 빛을 흡수하는 색소를 함유한 많은얇은 층을 가지고 있으며, visual pigment에 의해 흡수된 photon은 신경구로부터 온 신호가 최대가 되게하면서 망막의 신경계를 통해 일련의 사건을 발생시키는 광감각세포로부터 신호를 발대가 되게하면서 망막의 신경계를 통해 일련의 사건을 발생시키는 광감각세포로부터 신호를 발생시킴

그러나 시각적인 자극 발생시망막에서 일어나는 신호발생과정, 전송과 코딩은 아직 잘 밝혀지지 않았다지 않았다.


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옆의 그림은 d와 의 모양과 신경세포와옆의 그림은 rod와 cone의 모양과 신경세포와연결된 모양을 나타낸 것임


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5 1 간상체 ( Rods ) – Night Vision - (1)5.1 간상체 ( Rods ) – Night Vision (1)

rod는 cone보다 훨씬더 밝기에 민감함. 특히 짧은파장 영역에서 그러하고

긴 파장영역에서는 cone과 비슷한 민감한 정도를 가짐

(최고의 민감도는 505nm(녹황색)에서 가지며, 장파장계열(빨간색)에서는 조금 떨어지고 더긴 파장에서는 민감도가 작아진다)


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5 1 간상체 ( Rods ) – Night Vision - (2)5.1 간상체 ( Rods ) – Night Vision (2)

Rod자체로는 gray레벨과 명암만을 구별할 뿐임

R d은 뇌로의 단독li 을 가질지 않음 그러나 다발(b h)로Rod은 뇌로의 단독line을 가질지 않음 그러나 다발(bunch)로뭉쳐져서 연결되는데 이런 배열은 rod가 그들의 output을 합치게 하는 것을 가능하게 하여 큰 민감도를 가지게 하고, 낮은 강도의 자극에서도 감지할 수 있게끔 한다도의 자극에서도 감지할 수 있게끔 한다.

( )Rod는 로돕신(Rodopsin)이라 불리는 빛에 민감한 색소로 빛을흡수한다.


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5 2 원추체 ( Cone ) – Day Vision5.2 원추체 ( Cone ) – Day Vision

Cone 의 threshold curve의 위의 영역을 ‘Photopic vision’이라 하고 이것은 cone이 가지는민감도에 따른 파장과 강도의 관계를 나타낸 것임민감도에 따른 파장과 강도의 관계를 나타낸 것임

Cone의 종류는 3가지가 있음

R(Red) G(Green) B(Blue) 각각에 민감한 cone- R(Red), G(Green), B(Blue) 각각에 민감한 cone

Red Cone은 yellow-orange(580nm)계열이 최대 흡수파장대이고

Green Cone은 Green(540nm)계열이 최대 흡수파장대이고

Blue Cone은 blue-violet(440nm)계열이 최대 흡수파장대임Blue Cone은 blue violet(440nm)계열이 최대 흡수파장대임

원추체(cone)는 약 600만개정도가 망막에 분포되어 있으며 Fover부근에서 가장 많이 분포되어 있다 (맹점부근은 제외)어 있다. (맹점부근은 제외)


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옆의 그림은 각 Cone이 가장 민감하게 반응하는 파장대를 나타낸 것임

Blue cone은 red와 green cone에 비해 상대적Blue cone은 red와 green cone에 비해 상대적으로 작음

R : G : B = 40 : 20 : 1R : G : B = 40 : 20 : 1

Blue cone의 상대적으로 수가 적은 이유는 R과 G는 파장이 비슷하고(580nm 540nm) 이에과 G는 파장이 비슷하고(580nm,540nm) 이에비해 B는 440nm이기 때문임


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옆의 그림은 f 로 부터 거리가 멀어짐에 따라옆의 그림은 fovea로 부터 거리가 멀어짐에 따라spatial resolution 혹은 예민함(acuity)이 감소함을 보여줌

이것은 광감각세포로써 cone으로 부터 rod로 점진적인이동 때문임

그러므로 정보가 보다 자세하게 고치려면그러므로 정보가 보다 자세하게 고치려면

그 정보는 fovea영역의 cone에 상이 맺혀야하며 관찰자는 정보의 원천을 반드시 직접보아야 한다.

매우 낮은 강도에서의 정보는 시각의 주변부에서 더 잘매우 낮은 강도에서의 정보는 시각의 주변부에서 더 잘보이며(20° off axis) 옆을 봄으로써 보임


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5 3 Rod and Cons –Twilight Vision5.3 Rod and Cons Twilight Vision

Rod와 cone은 둘다 여명(Twilight)에서는 능동적으로 활동함

Twilight라함은 반달 촛불을 포함Twilight라함은 반달, 촛불을 포함

Pure photopic(cons관련)과 pure scotopic(rod관련)의 중간단계

Color display에서의 (빛)강도가 color photopic영역에서 scotopic영역으로 줄어들면 거기에따라 색깔의 수가 줄어듬

처음 회색으로 shift된 색이 파란색과 빨간색이면, 거기에 따라 cyan이나 yellow orange는 결국 녹색이 될것임

위와 같은 방법으로 특정색에서 회색으로 색을 옮기는 만큼 shift하는 것을 Purkinje Shift라함


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5 4 Visual Pigments – (1)5.4 Visual Pigments (1)

Rod와 cone의 시각색소는 많은 공통점을 지님

망막의 단백질 하나와 그 양끝에 Retinene이 붙은 이것을 Opsin이라하는데 광감각세포의 막망막의 단백질 하나와 그 양끝에 Retinene이 붙은 이것을 Opsin이라하는데 광감각세포의 막조직에 붙어있음

Retinene은 비타민A임

Rod에서는 Retinene이 neoretinene-b이고 단백질은 scotopsin임

위 2개의 조합을 로돕신(Rhodopsin)이라 함

Cone에서는 다른 retinene과 단백질의 조합을 iodopsin이라 하는데 로돕신보다 긴 파장에서 흡수한다.


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시각색소(pigment)가 photon을 흡수하면, 에너지의 일부분이 레티넨을 cis에서 trans 형으로 바꾸는데 사용됨

이 과정에서 레티넨 분자는 얇은 막에 붙은 Opsin 단백질에서 펴지고 느슨해져 부러져서신경펄스가 생성됨

Pigment빛

레티넨(free) + Opsin + 에너지( )

Pigment 레티넨(free) + Opsin + 에너지

신경펄스를 생성함(신호전달)

(밝은 곳)

레티넨( ) 소( ) (어두운 곳)Pigment레티넨(free) + Opsin + 효소(enzyme) (어두운 곳)


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Adaptation : 시각메카니즘을 자신이 조정하는데 눈이 노출된 상황에

맞도록 조정하는 것맞도록 조정하는 것

Light Adaptation (Photopic)

빛의 밝기가 증가하는 상황에서의 Adaptation. 금방 이루어짐빛의 밝기가 증가하는 상황에서의 p 금방 이루어짐

Dark Adaptation (Scotopic)

밝은 곳에서 어두운 곳으로 갑자기 들어갈 때의 Adaptation 시간이 많이 걸림밝은 곳에서 어두운 곳으로 갑자기 들어갈 때의 Adaptation. 시간이 많이 걸림

Brightness Adaptation

온통 하얀방에 있을때 루미네센스(발광)가 바뀌지 않으면 밝기에 변화를 못 느낌

Lateral Brightness Adaptatio

까만바탕에 회색 조각이 있을 때와 하얀바탕에 회색조각이 있을 때 크기가 달라

온통 하얀방에 있을때 루미네센스(발광)가 바뀌지 않으면 밝기에 변화를 못 느낌

까만바탕에 회색 조각이 있을 때와 하얀바탕에 회색조각이 있을 때 크기가 달라

보이는 현상


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5 5 Macula (황반)5.5 Macula (황반)

유리액과 cone층 사이에 있는 Fovea를 가까이에서 둘러싸고 있는 신경층이며 노랗거나 갈색빛을 띄는 pigment (xanthopyl) 를 가지고 있음빛을 띄는 pigment (xanthopyl) 를 가지고 있음

이 pigment로 fovea 근처의 망막 중앙부의 cone은 근처의 cone에 비해서

파란색계열의 파장에너지로부터 자극을 덜 받음

5 6 Blood (혈액)5.6 Blood (혈액)

모세혈관에 있는 혈액의 헤모글로빈이라는 색소는 불투명해서 아래에 있는 cone층에 그림자를 드리울 것이라 생각되지만 이 그림자들은 cone층의 local adaptation덕분에 눈에 보이지않음


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5 7 Choroid coat (맥락막)5.7 Choroid coat (맥락막)

상의 열화(image degradation) 를 막기위하여 rod-cone 층을 통과하는 빗겨나가는 빛을 모두 흡수하는 갈색빛을 띄는 검은색의 pigment(멜라닌 타입)를 가지고 있음

6 Vi l Si l P i (1)6. Visual Signal Processing – (1)

시각전달 과정

빛 광감각세포

광민감성색소 여기(excit)

인근 세포로 신호를 보낼수 있는전위의 변화


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6 Visual Signal Processing – (2)6. Visual Signal Processing (2)

망막의 광감각세포와 신경섬유와의 연결을 나타낸 diagram


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6 Visual Signal Processing – (3)6. Visual Signal Processing (3)

앞의 diagram에서 cone층과 rod층에서 신호는 다음과 같이 표현가능

2R + G + B/20 + S = A2R + G + B/20 + S = A

신경섬유에서는 다른 두 신호는 ‘색차’신호로 참조됨

3가지 기본 색차 신호는 다음과 같이 표현가능

R – G = C1 G – B = C2 B – R = C3

위의 세 식에서 C + C + C = 0 이고 다음과 같은 식이 나온다위의 세 식에서 C1 + C2 + C3 = 0 이고 다음과 같은 식이 나온다.

C1 = R – G C3 – C2 = 2B – ( R + G )

생리학 실험에서 색의 3가지의 일반적인 형태의 신호가 A C C C 가 유사하다는 점을 발견생리학 실험에서 색의 3가지의 일반적인 형태의 신호가 A, C1, C3 – C2가 유사하다는 점을 발견했음

( R + G )가 노란색을 나타내면 C3 – C2 는 파란색과 노란색의 비를 나타냄


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6 Visual Signal Processing – (4)6. Visual Signal Processing (4)Achromatic channel은 밝기의 속성에 관한 기초를 알려줌

Large A → 밝은 색Large A 밝은 색

Small A → 흐릿한 색

R = G = B 이면 ‘색차’가 없어서 흰색 검은색 회색 같은 무채색이 됨R G B 이면 색차 가 없어서 흰색, 검은색, 회색 같은 무채색이 됨

Opponent channel scheme

빨간색과 녹색 노란색과 파란색을 그룹으로 묶는 것을 말함빨간색과 녹색, 노란색과 파란색을 그룹으로 묶는 것을 말함

명암(흰색과 검은색)까지 해서 묶으면 6가지의 색이 3개의 그룹으로 나뉨

Color Constancy

넓은 범위의 스펙트럼을 가지는 다른 조명 상황(condition)하에서 색깔이 거의 변하지 않는 현상상


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7 Pathways to the Brain7. Pathways to the Brain

망막에서의 시각정보는 광신경을 거쳐 바로 뇌로 전달되지 않음

옆의 그림에서 보듯 optic chiasm이라는 우반면의 망막에서 온 신호는 뇌의 우반면으로 가고좌반면의 망막에서 온 신호는 뇌의 좌반면으로감

광신경은 lateral geniculate nulceus라 불리는곳에서 끝나며 이것은 시각신호를 시각피질로전달함

시각피질은 시각의 중추역할을 함


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8 Spatial Vision – (1)8. Spatial Vision (1)최소의 구분할 수 있는 공간의 정밀성(acuity)은 두 물체를 구분하는데 필요한 최소한의 시야각(visual angle)에 의존함

이것은 물체의 luminescence, color(hue & saturation), 배경, display를 둘러싼 환경, 물체의크기, 시각시스템의 순응상태에도 의존함


29


8 Spatial Vision – (2)8. Spatial Vision (2)Acuity를 분석하는 것은 어려운 일이지만 Fourier 분석을 이용하면 복잡한 패턴을 주파수, amplitude, 위상조합으로 나누고 각 요소의 주파수에 대해 응답을 독립적으로 하므로 다소 쉬워진다 이것의 목적은 critical threshold를 구하는 것이다 이 때 종종 쓰이는 것이 sine wave진다. 이것의 목적은 critical threshold를 구하는 것이다. 이 때 종종 쓰이는 것이 sine wave grating 임

minmax

minmax

LLLLM

+−

=minmax

Lmax = luminescence of the lighter grating half cycle

Lmin = luminescence of the darker grating half cycle


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8 Spatial Vision – (3)8. Spatial Vision (3)공간주파수에 따른 함수로서의 threshold contrast가 찍힐 때, 이 함수를 contrast threshold function 혹은 CTF 라고 함

그리고 이 함수의 역함수를 contrast sensitivity function 혹은 CSF라고 함


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9 Temporal Vision9. Temporal Vision대부분의 LCD에서는, 적당한 luminescence를 유지하고 flicker를 방지하기 위해 display를refresh해줘야함

Flicker는 주기적인 modulation에 부합하는 인식이고 최소의 받아들일수 있는 refresh rate를 결정하는 것은 device의 필요 bandwidth에 결정적이고 상을 보는 데 있어서 flicker를 느끼지 않도록 하는데 중요함

앞의 경우와 마찬가지로 Flicker를 느끼지 않는 최소한의 주파수를

Critical fusion frequency 라고 함


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10 Color Vision – (1)10. Color Vision (1)3가지 형태의 cone 감각세포는 빨간, 녹색, 파란 에 해당하는 파장영역의 스펙트럼에 따라 반응함

Color는 luminescence, 지배적인 파장, excitation purity에 따라 구분되는 brightness, hue, saturation에 의해 구분되며 달라짐

brightness : 영역이 더 밝은지, 덜 밝은지에 따른 시각감각의 특성

Hue : 색이 파란색, 녹색, 노란색, 빨간색, 보라색, 기타등등으로 보이는 특성Hue 색이 파란색, 녹색, 란색, 빨간색, 라색, 기타등등 이는 특성

주파수대역과 연관됨

saturation : 색깔이 순수한지의 여부

주파수 대역이 좁을 수록 순수한 색이고 주파수 대역이 넓으면 흐릿해 보임


33


11 Color Blindness11. Color Blindness

Dichromatism : cone의 3가지 광감각세포중 한 종류에 이상이 생김

Anomalous trichromatism

P19의 흡수파장대를 나타낸 그래프에서 각 cone의 영역이 다른 영역과

겹쳐짐으로 나타남겹쳐짐으로 나타남

Cone monochromatism

색 분을 하지 하나 색깔의 일반적인 밝기 분이 됨( 와 가 없음)색구분을 하지 못하나, 색깔의 일반적인 밝기는 구분이 됨( G와 B가 없음)

Rod monochromatism

색구분을 전혀하지 못하고 명암도 구분하지 못함.

(모든 cone이 없음)


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ColorimetryColorimetry

– Psychophysical Perception of Color AppearancePsychophysical Perception of Color Appearance– Quantitative Description

CIE (Commission Internationale de l’Eclairage) ( g )Basic Concepts– Trichromatic Generalization : empirical lawTrichromatic Generalization : empirical law

Young-Helmholtz : Trichromatic color thoeryColor ← additive mixture of three different colorsTrichromacy : three independent colors

– Tristimulus SpacepPrimary tristimulus : R, G, BColor = RQR+GQG+BQB (RQ, GQ, BQ :tristimulus values)Q Q Q Q Q Q

– Chromaticity CoordinatesColor is represented on 3D coordinates of RQ, GQ, BQ

DISPLAY DEVICE Lab., Dong-A UNIVERSITY35

Basic Colorimetric Concepts IBasic Colorimetric Concepts I

Trichromatic GeneralizationTrichromatic Generalization– Additive mixture of trichromacy– Matching lawsg

Symmetry law– A ≡ B ⇒ B ≡ A

Transitivity law– A ≡ B & B ≡ C ⇒ A ≡ C

Proportionality lawProportionality law– A ≡ B ⇒ αA ≡ αB

α : radiant power coefficient (no spectrum change)(no spectrum change)

Additivity law– A ≡ B, C ≡ D

⇒ A + D ≡ B + C


Basic Colorimetric Concepts IIBasic Colorimetric Concepts II

Tristimulus SpaceTristimulus Space– Specific color stimulus Q = {Pλdλ}Q

– Primary tristimulus R Q BPrimary tristimulus R, Q, BR = {ρPλdλ}R

G = {γPλdλ}GG {γPλdλ}G

B = {βPλdλ}Bρ, γ, β : pisitive constants

– Q is represented as additive mixture of R, G, B

Q Q QR G B= + +Q R G B RQ, GQ, BQ : tristimulus values of QQ Q QR G B+ +Q R G B RQ, GQ, BQ : tristimulus values of Q


Basic Colorimetric Concepts III

Chromaticity Coordinates

Basic Colorimetric Concepts III

By

k RQ+GQ+BQ = kQ Q QR G Bk

r g b= = =

BQ

g

1Q Q Q Q Q QR G B R G B

kr g b+ + + +

= =+ +

Gk1

1

Q

b

Q = RQR+GQG+BQBg

Q

Q Q Q

Rr

R G B=

+ + 1GB

GQ

b

g p = rR+gG+bB

Q Q Q

Q

Q Q Q

Gg

R G B=

+ +

RRQ

r

g

b 1

p rR+gG+bBQ Q Q

Q

Q Q Q

R G B

Bb

R G B

+ +

=+ +

– Only (r, g) represents Q(b = 1–r–g) Rk

1RQ r+g+b = 1Q Q QR G B+ +


(b = 1 r g)38

Rk

Conversion between Two Systems of Primaries

Conversion between Two Primary Tristimulus SetsConversion between Two Primary Tristimulus Sets– One primary tristimulus R’, G’, B’ are represented as

another primary tristimulus R, G, B

11 21 31

12 22 32

a a aa a a

′ = + +′ = + +

R R G BG R G B

11 21 31

12 22 32

a a aa a a

′⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥′ = =⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥

R R RG G A G

– C = R’R’+G’G’+B’B’ in R’G’B’ system13 23 33a a a′ = + +B R G B 13 23 33a a a

⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥′⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦B B B

y

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

11 21 31 12 22 32 13 23 33

11 12 13 21 22 23 31 32 33

R a a a G a a a B a a aa R a G a B a R a G a B a R a G a B′ ′ ′= + + + + + + + +

′ ′ ′ ′ ′ ′ ′ ′ ′= + + + + + + + +C R G B R G B R G B

R G B

– C = RR+GG+BB in RGB system

( ) ( ) ( )11 12 13 21 22 23 31 32 33

= R = G = B

11 12 13

21 22 23T

R a a a R RG a a a G G⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥′ ′= =⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥A

DISPLAY DEVICE Lab., Dong-A UNIVERSITY3931 32 33B a a a B B

⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥′ ′⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

Monochromatic StimuliMonochromatic Stimuli

CIE 1931 Color Matching FunctionCIE 1931 Color Matching Function– Commission Internationale de l’Eclairage에서 1931에 표준

( ) ( ) ( ) ( )r g bλ λ λ λ= + +E R G B : monochromatic stimuli of unit radiant power

– R (700 nm), G (546.1 nm), B (435.8 nm)

( ) ( ) ( ) ( )r g bλ λ λ λ= + +E R G B( ) ( ) ( ), ,r g bλ λ λ : color matching function

: monochromatic stimuli of unit radiant power

R (700 nm), G (546.1 nm), B (435.8 nm)

CIE 1931CIE 1931

CIE 1964


CIE 1931 Color Matching FunctionCIE 1931 Color Matching Function

Negative MatchingNegative Matching– r(λ) is negative between 435 nm and 546 nm– λ = 475 nm + rR ⇒ color matchingg

Ex) E475 + 0.045R = 0.032G + 0.186B⇒ E475 = – 0.045R + 0.032G + 0.186B


(r, g) Chromaticity Diagram(r, g) Chromaticity Diagram

( )r λ( )( ) ( ) ( )

( )

rr

r g bλ

λ λ λ

λ

=+ +

( )( ) ( ) ( )

( )

gg

r g bλ

λ λ λ=

+ +

( )( ) ( ) ( )

bb

r g bλ

λ λ λ=

+ +


Complex Color Stimulus in (r, g, b)Complex Color Stimulus in (r, g, b)

Complex Color StimulusComplex Color Stimulus: complex spectrum

( ) { } ( )Q P d Eλλ λ λ=( ) { } ( ){ } ( ) ( ) ( ){ } ( ) { } ( ) { } ( )P d r g b

P d r P d g P d bλ

λ λ λ

λ λ λ λ

λ λ λ λ λ λ

⎡ ⎤= + +⎣ ⎦= + +

R G B

R G B{ } ( ) { } ( ) { } ( )P d r P d g P d bλ λ λλ λ λ λ λ λ+ +R G B

( )bR P r dλ

λλλ λ= ∫

RrR G B

=+ +( )

( )a

b

a

G P g d

λλ

λ

λλλ λ=

∫

∫R G B

GgR G B

+ +

=+ +

( )b

a

B P b dλ

λλλ λ= ∫ Bb

R G B=

+ +

– Negative region → complicated⇒ virtual tristimulus → novel color matching functions


g

43

XYZ CoordinatesXYZ Coordinates

Virtual Color Matching FunctionsVirtual Color Matching Functions– Non-negative function, r(λ) → x(λ)– y(λ) ⇔ V(λ) : relative photopic luminous efficiency functiony( ) ( ) p p y

Monochromatic LightX Y Z in RGB coordinates( ) ( )2 7689 1 7528 1 1302x rλ λ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤ X, Y, Z in RGB coordinates( )

( )( )

( )( )( )

2.7689 1.7528 1.13021.000 4.5907 0.06010 000 0 0565 5 5943

x ry gz b

λ λλ λλ λ

⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥=⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦( ) ( )0.000 0.0565 5.5943z bλ λ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦

( )( ) ( ) ( )

xx

λλ λ λ

=( ) ( ) ( )

( )( ) ( ) ( )

x y z

yy

λ λ λ

λ

+ +

=( ) ( ) ( )

( )

yx y z

zz

λ λ λ

λ

+ +

=


( ) ( ) ( )z

x y zλ λ λ+ +

Tristimulus in XYZ Coordinates (CIE 1931)Tristimulus in XYZ Coordinates (CIE 1931)


Complex Color Stimulus XYZ CoordinatesComplex Color Stimulus XYZ Coordinates

Complex Color StimulusComplex Color Stimulus: complex spectrum

( ) ( ){ } ( )F d Eλ φ λ λ λ=( ) ( ){ } ( )( ){ } ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

F d E

d x y z

d d d

λ φ λ λ λ

φ λ λ λ λ λ

φ λ λ λ φ λ λ λ φ λ λ λ

⎡ ⎤= + +⎣ ⎦+ +

X Y Z

X Y Z( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )d x d y d zφ λ λ λ φ λ λ λ φ λ λ λ= + +X Y Z

( ) ( )bX k dλφ λ λ λ∫ k li ti( )X x λ⎡ ⎤⎡ ⎤( ) ( )

( ) ( )a

b

X k x d

Y k y d

λ

λ

φ λ λ λ

φ λ λ λ

=

=

∫

∫

k : normalizationλa = 380 nm λb = 780 nm

( )( )( )( )

b

a

X xY k y dZ z

λ

λ

λφ λ λ λ

λ

⎡ ⎤⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥ = ⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦

∫( ) ( )

( ) ( )a

b

a

y

Z k z d

λ

λ

λ

φ

φ λ λ λ=

∫

∫ , ,X Y Zx y z= = =

( )Z z λ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦

, ,yX Y Z X Y Z X Y Z+ + + + + +


Chromaticity Diagram of CIE 1931Chromaticity Diagram of CIE 1931


CIE 1964 Supplementary Standard Coordinate System

CIE 1964 Supplementary StandardCIE 1964 Supplementary Standard– Field of View : 10° for television application– cf. CIE 1936, 2°,


CIE 1964 Supplementary StandardCIE 1964 Supplementary Standard


Color Differences in CIE 1931Color Differences in CIE 1931

Equally Perceptible Color DifferencesEqually Perceptible Color Differences– 10 times their actual area


Uniform Color Space (UCS)Uniform Color Space (UCS)

CIE 1960 UCS Diagram (u, v)CIE 1960 UCS Diagram (u, v)4 4 6 6,

2 12 3 15 3 2 12 3 15 3x X y Yu v

x y X Y Z x y X Y Z= = = =− + + + + − + + + +y y

66 16 12

uxu v

=− +6 16 12

46 16 12

u vvy

u v

+

=− +


U*V*W* Coordinate (1964)U V W Coordinate (1964)

3D Coordinate3D Coordinate– Expanded CIE 1960 UCS (u, v)– Color rendering : effect of light source on object colorg g j

( )( )

* *

* *

1313

nU W u uV W v v

= −= −( )

( )

* 1 3

1325 171 100

nV W v vW Y

Y

=

= −

≤ ≤( )1 100Y≤ ≤

un : u (standard white)v : v (standard white)

– W* : lightness index– U*, V* : chromaticness index

vn : v (standard white)

– 자극치 사이의 감지 크기

( ) ( ) ( )2 2 2* * *E U V WΔ Δ + Δ + Δ ⇔ W* = 50Munsell Value = 5


( ) ( ) ( )64CIEE U V WΔ = Δ + Δ + Δ

CIE 1976 UCS Diagram (u’, v’)CIE 1976 UCS Diagram (u , v )

– u’ = u, v’ = 1.5×v in CIE 1960 UCSu u, v 1.5 v in CIE 1960 UCS

415 3

XuX Y Z

′ =+ +15 3

915 3

X Y ZYv

X Y Z

+ +

′ =+ +


CIE 1976 L*u*v* (CIELUV) CIE 1976 L u v (CIELUV)

Expand V* in U*V*W* Coordinate by 50 %Expand V in U V W Coordinate by 50 %

( )1 3* 116 16nL Y Y= − 4xu′ = Yn : Y (standard white) ( t d d hit )( )

( )* *

* *

1313

n

n

u L u uv L v v

′= −′= −

2 12 39

2 12 3

xyv

x

− + +

′ =− + +

un : u (standard white)vn : v (standard white)

( )2 12 3

, 1.5x

u u v v− + +′ ′= =

– Yn = 100 : L* ≈ W*– If Y/Yn ≤ 0.008856 ⇒ L* = 903.3(Y/Yn)– CIE 1976 L*u*v* Color Difference

( ) ( ) ( )2 2 2* * *E L u vΔ = Δ + Δ + Δ

– In additive mixture, mixed color = center of gravity law between two colors

( ) ( ) ( )uvE L u vΔ Δ + Δ + Δ


mixed color = center of gravity law between two colors54

CIE 1976 L*u*v* Color SpaceCIE 1976 L u v Color Space


CIE 1976 L*u*v* UCS (L* = 50)CIE 1976 L u v UCS (L = 50)

MacAdam’s Ellipse (L* = 50)MacAdam s Ellipse (L 50)

DISPLAY DEVICE Lab., Dong-A UNIVERSITY56NTSC (national television system committee

CIE 1976 L*a*b* Coordinate (CIELAB) I

From CIE 1964 Supplementary Standard

CIE 1976 L a b Coordinate (CIELAB) I

From CIE 1964 Supplementary Standard – If X/Xn, Y/Yn, Z/Zn > 0.01

( )1 3* 116 16L Y Y= X : X (standard white)( )( ) ( )1 3 1 3*

116 16

500n

n n

L Y Y

a X X Y Y

= −

⎡ ⎤= −⎣ ⎦

Xn : X (standard white)Yn : Y (standard white)Zn : Z (standard white)

If X/X Y/Y Z/Z < 0 01

( ) ( )1 3 1 3* 200 n nb Y Y Z Z⎡ ⎤= −⎣ ⎦

– If X/Xn, Y/Yn, Z/Zn < 0.01

( )( ) ( )

*

*

903.3 for 0.008856m n nL Y Y Y Y= ≤

⎡ ⎤( ) ( )( ) ( )

*

*

500

200m n n

m n n

a f X X f Y Y

b f Y Y f Z Z

⎡ ⎤= −⎣ ⎦⎡ ⎤= −⎣ ⎦

( )

( )

1 3 0.008856167 787 0 008856

f q q q

f

= >

+ ≤


( ) 7.787 0.008856116

f q q q= + ≤

CIE 1976 L*a*b* Coordinate (CIELAB) IICIE 1976 L a b Coordinate (CIELAB) II

– L* in CIELAB ⇔ L* in CIELUVL in CIELAB ⇔ L in CIELUV

– CIE 1976 L*a*b* Color Difference2 2 2


( ) ( ) ( )2 2 2* * *abE L a bΔ = Δ + Δ + Δ

Perceived Values in CIELUV IPerceived Values in CIELUV I

Hue, Perceived Chroma, Saturation, LightnessHue, Perceived Chroma, Saturation, Lightness– CIE 1976 u, v : hue angle

*1 vh

– CIE 1976 u, v : chroma

1*tanuv

vhu

−=

,

( ) ( )2 2* * *uvC u v= +

– CIE 1976 u, v : hue difference

( ) ( ) ( )2 2 2* * * *H E L CΔ = Δ − Δ − Δ

– Total color difference

( ) ( ) ( )uv uv uvH E L CΔ Δ Δ Δ

( ) ( ) ( )2 2 2* * * *uv uv uvE L C HΔ = Δ + Δ + Δ


Perceived Values in CIELUV IIPerceived Values in CIELUV II

– CIE 1976 u, v : saturationCIE 1976 u, v : saturation

( ) ( )2 213uv n ns u u v v′ ′ ′ ′= − + −

In color television – 0.25 × L* (lightness)( g )

( ) ( ) ( ) ( )2 2 2* * * *0.25uvE L u v′Δ = Δ + Δ + Δ

( ) ( ) ( ) ( )2 2 2* * * *0.25uv uv uvE L C H′Δ = Δ + Δ + Δ

In CIE 1976 UCS u’, v’ – Two adjacent color samples : ΔEu’v’ ≥ 0.004 distinguishable– Two separated color samples : ΔEu’v’ ≥ 0.04 distinguishable


color1.ppt [호환 모드]display.donga.ac.kr/강의자료/이기동/color1.pdf ·...

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