02. TV방송의 기본원리(5)

3. 컬러바(Color Bar)

영상에서 기준신호로 사용되는 컬러바(Color Bar)는 여러 가지 색상 중에서 Gray, Yellow, Cyan, Green, Magenta, Red, Blue, 그리고 순 White와 Black으로 구성되어 있는데 White 또는 회색과 컬러들의 밝기(Luminance)에 대한 직선성을 나타내는 기준으로 100%와 75% 컬러바(Color Bar)로 구분된다.

                               그림 2-6 75% Color Bar                                                         

그림 2-7    75% Color Bar의 Luminance Level

 

   그림 2-8 100% Color Bar

 

그림 2-9    100% Color Bar의 Luminance Level

 

 100% Color Bar는 100 IRE인 white로부터 시작하여 Yellow, Cyan, Green, Magenta, Red, Blue, Black까지 각 chroma 밝기 level이 직선(linear)성을 이루는데 75% Color Bar는 Yellow 앞에 있는 밝은 회색(Gray)의 밝기가 77 IRE로부터 Yellow, Cyan, Green, Magenta, Red, Blue, Black의 0 IRE 밝기까지 각각의 밝기(Luminance) Level이 직선성(linear)을 갖는 차이가 있다. 다시 말하면 100% color bar는 Yellow, Cyan의 칼러의 최고 값이 120 IRE가 되지만 고주파이기 때문에 110 IRE를 넘어가도 오디오(Audio)에 간섭을 주는 영향을 줄 정도는 아니다. 

* IRE는 영상신호의 측정단위이다.

 

▲ 100% 컬러바(Color Bar)의 구성 특징

고급 영상카메라와 그래픽스 장비에서 주로 채용되고 있다. 75% 컬러 바 보다 color의 밝기(Luminance Level)가 높게 책정돼 있어 좀더 밝은 영상의 느낌을 준다. 

➀ 순 White Level: 100 IRE(0.714 Volt)

➁ Black Level: 디지털에서 0 IRE(0 Volt)이다.

* 과거 아날로그 시절에는 주로 7.5 IRE를 사용하기도 함.

➂ Chroma Level: 색상의 명도(Luminance)와 채도의 진폭이 75% color bar에 비해 밝게 책정돼 있다.

➃ Hue: 색상

컬러바에 나타난 색상들은 순 White와 순 Black 그리고 3원색인 Red, Green, Blue, 그리고 인접한 색상을 혼합해 만들어진 색상들이다. 카메라의 정확한 컬러표현을 위해 컬러 바가 영상신호의 기준이 되어 늘 촬영 전에 확인해야 한다.

만약 카메라 자체의 컬러 바(Color Bar)가 규정에 맞지 않는다면 피사체의 정상적인 영상을 촬영하여 표현할 수 없게 된다. 카메라 등 영상을 만들어내는 모든 영상장치들은 반듯이 자신의 컬러 바를 가지고 있어 이를 통해 영상신호의 규정 값을 정확히 표현하도록 자체에서 조종돼야 한다.

White Level과 Black Level은 파형 모니터(Waveform Monitor)에서 측정하기 쉽고, Chroma Level과 Hue는 벡터스코프(Vector-scope)를 사용하여 측정하는 것이 확실하다. 그리고 녹화나 편집, 재생할 때 정확한 영상화면을 관리하기 위해 본 프로그램을 녹화하기 전에 촬영하는 카메라의 정상적인 컬러바를 약 1분 정도 녹화해 주어야 재생할 때 또는 편집할 때 촬영된 카메라의 영상상태를 먼저 그대로 맞추어 영상화면이 표현되도록 조종할 수 있다.

 

4. 컬러의 기하학적 이해

앞서 알아본 컬러바에서 표현되고 있는 6개의 색상에 흰색(White)과 검정색(Black)을 포함해서 컬러구성의 관계를 정육면체로 표현하게 되면 이해가 쉽다.

정육면체에서 Red, Green, Blue가 서로 만난점이 순 검정색(Black)을 나타내고, 검정색에서 대각선으로 Red, Green, Blue의 위치가 동일한 거리에 있는 점들은 회색(Gray)이 되고, 맨 마지막 꼭지 점이 순 흰색(White) 점이 된다.

그림 2-10 정육면체의 컬러 표현

 

다시 말해 Red, Green, Blue의 값이 동일하게 만나 합해져 이루는 선분에는 어떤 컬러도 나타내지 않게 되는 검정색(Black)과 회색(Gray)과 흰색(White)이다. 또한 우리가 물감에서 나타내는 기본 3색으로 알려진 Yellow, Cyan, Magenta가 같이 만나도 같은 순 White가 된다.

물론 빛이 아닌 물감이었다면 검정색으로 나타날 것이다. 이렇게 빛과 물감은 나타내는 색상의 배합이 전혀 다르다. Red, Green, Blue 중 서로 인접한 두 색상이 혼합된 Yellow, Cyan, Magenta 컬러들은 두 색상의 동일한 거리에 있는 꼭지 점이 되면서 색의 가법(加法)에 따라 색상이 결정된다.

한편 이 정육면체에서 순 흰색(White)과 순 검정색(Black)을 같은 위상으로 합치시키면 평면적인 Color의 색상과 채도를 위상에 따라 나타내는 것을 쉽게 판별하고 확인할 수 있다. 정육면체의 컬러 표현을 평면으로 변화시켜 컬러를 분석하기 위해 만들어진 것이다.

그림 2-11   white와 black의 일치된 색상의 관계

* C는 원점을 기준으로 회전하며 색상을 나타낸다.

 

우리가 사용하는 벡터스코프(Vector-scope)의 원리를 여기서 찾아볼 수 있다. 벡터스코프는 평면적인 형태로 컬러를 표현할 수 있는 측정기이다. 컬러바를 측정할 때 확인할 수 있는 색상 분포 위치와 위상이 일치하는 것을 알 수 있다.

그림 2-12   75% Color Bar의 Vector-scope)

 

벡터스코프의 중심에서 흰색과 검정색이 가장 동그랗고 작게 표시된다는 것은 White Balance와 Black Balance가 잘 조종된 상태를 나타낸다. 이 기점(基点)에서 벡터적으로 중심을 벗어나 표현된다면 White Balance나 Black Balance 중 어느 하나 또는 모두가 잘못 조정된 상태를 표현한다. 그림 2-10에서 c로 표현되는 위상표현이 달라지면 색상이 달라지고 크기가 달라지면 채도가 달라진다.

색상과 채도를 합해서 색도(Chromaticity)라고 표현하며, 여기서 컬러는 채도를 나타내는 Vector의 크기와 위상(Phase)이 바뀜에 따라 다른 컬러가 표시됨을 알 수 있는데 그 때문에 색의 위상, 즉 색상(色相)이란 표현을 사용한다. 컬러의 정확한 규정신호를 확인하고 오차를 조종하기 위해 벡터로 표시되는 벡터스코프를 참조해야 한다.

 

2.6.3 컬러의 기초(Color Fundamentals)

프리즘(Prism)을 통하여 백색광(햇빛)을 분해해 본다면 빛의 파장이 짧은 것은 파장이 긴 것보다 프리즘 속을 달리는 속도가 느려서 크게 굴절하게 되는데 그 순서에 따라 크게 분포된 칼라를 나누어 본다면 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue)으로 구분된다.

그림 2-13   백색광의 스펙트럼(mμ: millimicron)

 

▲ 가색법(加色法)에 의한 색상들의 혼합결과

R ∩ B → Magenta

R ∩ G → Yellow

G ∩ B → Cyan

R ∩ G ∩ B → White

C ∩ M ∩ Y → White

그림 2-14 빛에 의한 색의 혼합(addition of colors)

 

2.7 TV영상의 색차신호(Color Difference Signal)

2.7.1 컬러의 색차신호

아날로그 컬러 TV방송에서 R, G, B 영상화면을 그대로 송·수신 하려면 16.5MHz의 넓은 주파수 대역폭이 필요하다. 그러나 Y, I, Q 컴포지트 색차신호를 이용하여 전송한다면 그렇게 크지 않은 5.5MHz의 주파수 대역폭에서 충분히 수용할 수 있다.

따라서 아날로그 TV방송에서는 R, G, B 신호 대신 Y, I, Q 신호로 변환한 컴포지트(Composite)신호를 변조해 송신하게 되면 수신 쪽 TV수상기에서 받은 Composite신호를 검파하여 R, G, B를 얻어 원래의 영상을 그대로 볼 수 있다. 또한 디지털 영상신호에서도 Y신호와 B-y, R-y 색차신호를 사용하는 것이 여러 가지로 효율적이고 유익하기 때문에 사용한다.

디지털에서는 색차신호로 B-y, R-y신호를 사용하는데  Y신호와 이 두 색차신호의 전송으로 TV수상기에서 카메라로 촬영된 R, G, B 영상의 명도와 채도, 색상을 재생하는데 충분하다. 다시말해 Y, B-y, R-y 신호에서 G-y의 색차신호를 추출해낼 수 있다. 그리고 이 3가지 색차신호의 각각에 Y신호를 가해준다면 R, G, B신호만 바로 얻어낼 수 있다.

오늘날 디지털신호는 아날로그 신호인 Y, I, Q 컴포지트(Composite) 신호를 디지털로 송·수신하는 것이 아니라 Y, B-y, R-y 컴포넌트(Component) 신호를 디지털로 전환해서 송·수신 한다.

그리고 디지털 영상신호는 Black Set-up Level을 7.5 IRE로 사용하지 않고, 주로 0 IRE를 사용하여 보다 넓은 영상의 대역폭을 갖는다. 따라서 영상화면의 구성이 달라 휘도방정식의 차이로 각각의 영상신호는 다소 차이가 있다.

 

▲영상화면에서 사용되는 신호관계

1. NTSC의 아날로그 색차신호

Y ＝ 0.30R ＋ 0.59G ＋ 0.11B

R-y ＝ 0.70R － 0.50G － 0.11B

B-y ＝ (－0.30R) － 0.59G ＋ 0.89B

 

2. SDTV의 디지털 색차신호

Y ＝ 0.30R ＋ 0.59G ＋ 0.11B

R-y ＝ 0.50R － 0.42G － 0.08B

B-y ＝ (－0.17R) － 0.33G ＋ 0.50B

 

3. HDTV의 디지털 색차신호

Y ＝ 0.2126R ＋ 0.7152G ＋ 0.0722B

R-y ＝ 0.5000R － 0.4542G － 0.0458B

B-y ＝ (－0.1146R) － 0.3854G ＋ 0.5000B

그림 2-15   아날로그 composite와 digital component 신호의 Color Bar Vector-scope 차이

 

영상은 R, G, B 컬러의 가색법(加色法)에 의해 생성되지만 벡터스코프에서 확인할 수 있듯이 B-y신호와 R-y신호를 축으로 하는 분포된 색상들의 위상과 색도(色度)는 아날로그 컴포지트 신호와 디지털 컴포넌트 신호의 Vector표시에서 방향은 같지만 진폭비가 다르기 때문에 크기가 다르게 표현된다.

그리고 아날로그에서는 Composite 신호인 경우 75% 또는 100%의 컬러바(Color Bar)의 컬러신호를 실어 나르는 부반송파(Sub-carrier)가 존재하여 B-y축 상에 Color Burst(Sub-carrier)의 신호가 존재한다. 그러나 디지털신호 방식에서는 따로 부반송파가 존재하지 않아 벡터스코프에 나타나지 않는다.

<참고> 표 2-1 컬러신호의 여러 표현방법

Y	B-y	R-y	같은 표현
Y	Cb	Cr
Y	Pb	Pr
Y	U	V	유럽표현

* 모두가 같은 영상의 표현방법이다.