그레이스케일

디지털 사진, 컴퓨터 생성 이미지 및 색도 측정에서 그레이스케일 이미지는 각 픽셀의 값이 빛의 양만을 나타내는 단일 샘플인 이미지입니다. 즉, 명암 정보만 포함합니다.흑백 또는 회색 단색의 일종인 그레이스케일 이미지는 오로지 회색 음영으로만 구성됩니다.대비는 가장 약한 강도의 검은색에서 가장 강한 ^[1]강도의 흰색까지 다양합니다.

그레이스케일 이미지는 컴퓨터 이미징의 맥락에서 흑백의 두 가지 색상(담도 또는 이진 이미지라고도 함)만을 가진 이미지인 1비트 바이톤 흑백 이미지와는 다릅니다.그레이스케일 이미지의 중간에는 많은 회색 음영이 있습니다.

그레이스케일 화상은 주파수(또는 파장)의 특정 가중치 조합에 따라 각 화소의 빛의 강도를 측정한 결과일 수 있으며, 이 경우 단일 주파수(실제로는 좁은 주파수 대역)만 캡처할 때 흑백적이어야 한다.주파수는 원칙적으로 전자기 스펙트럼의 모든 곳(적외선, 가시광선, 자외선 등)에서 발생할 수 있다.

비색계(또는 광도계) 그레이스케일 이미지는 저장된 숫자 샘플 값을 표준 색 공간의 무채색 채널에 매핑하는 정의된 그레이스케일 색 공간을 가진 이미지입니다. 이 채널은 사람 시력의 측정된 속성을 기반으로 합니다.

원래 컬러 이미지에 정의된 색 공간이 없거나 그레이스케일 이미지가 컬러 이미지와 동일한 사람이 인지하는 무채색 강도를 가지지 않는 경우 이러한 컬러 이미지에서 그레이스케일 이미지로 고유한 매핑이 없습니다.

수치 표현

샘플 그레이스케일 영상

픽셀의 명암은 최소값과 최대값 사이의 주어진 범위 내에서 표현됩니다.이 범위는 추상적으로 0(또는 0%)(총 부재, 검은색)과 1(또는 100%)(총 존재, 흰색) 사이의 범위로 표시됩니다.이 표기법은 학술논문에 사용되지만, 색도 측정의 관점에서 "검은색" 또는 "흰색"이 무엇인지 정의하지 않습니다.숫자 강도가 하프톤에 사용되는 잉크의 양을 나타내는 인쇄에서와 같이 눈금이 반전되는 경우가 있습니다. 0%는 용지 흰색(잉크 없음)을 나타내고 100%는 솔리드 블랙(전체 잉크)을 나타냅니다.

컴퓨팅에서는 그레이스케일을 유리수를 통해 계산할 수 있지만, 필요한 저장 및 계산을 줄이기 위해 일반적으로 이미지 픽셀을 양자화하여 부호 없는 정수로 저장합니다.일부 초기 그레이스케일 모니터는 최대 16개의 다른 음영만 표시할 수 있으며, ^{[citation needed]}4비트를 사용하는 이진 형식으로 저장됩니다.그러나 오늘날 시각적 표시를 위한 그레이스케일 영상은 일반적으로 샘플링된 픽셀당 8비트로 저장됩니다.이 픽셀 깊이는 256개의 다른 명암(회색 음영)을 기록할 수 있으며, 각 픽셀 샘플에 1바이트의 풀바이트로 개별적으로 액세스할 수 있기 때문에 계산을 단순화합니다.단, 이러한 명암들이 그 픽셀에서 나타내는 물리광의 양에 비례하여 균등하게 간격을 둔다면(선형 부호화 또는 척도라고 불린다) 인접한 어두운 음영 사이의 차이는 밴드 아티팩트로 상당히 두드러질 수 있는 반면, 밝은 음영의 대부분은 지각적으로 존재하는 많은 부호화에 의해 "마멸"될 수 있다.uable 증분.따라서 음영은 일반적으로 감마 압축 비선형 척도로 균일하게 펼쳐져 있어 어두운 음영과 밝은 음영 모두에 대해 균일한 지각 증분에 더 잘 근접하며, 일반적으로 이러한 256개의 음영이 눈에 띄는 ^[2]증가를 피할 수 있을 만큼 충분히 형성된다.

기술적 용도(예: 의료 영상 또는 원격 감지 애플리케이션)는 센서 정확도(일반적으로 샘플당 10 또는 12비트)를 최대한 활용하고 계산에서 반올림 오류를 줄이기 위해 더 많은 레벨이 필요한 경우가 많다.컴퓨터가 16비트 워드를 효율적으로 관리하기 때문에 샘플당 16비트(65,536레벨)가 이러한 용도로 편리한 선택인 경우가 많습니다.TIFF 및 PNG 이미지 파일 형식은 기본적으로 16비트 그레이스케일을 지원하지만 브라우저 및 많은 이미징 프로그램은 각 픽셀의 하위 8비트를 무시하는 경향이 있습니다.내부적으로 계산 및 작동 스토리지를 위해 이미지 처리 소프트웨어는 일반적으로 크기가 16비트 또는 32비트인 정수 또는 부동 소수점 숫자를 사용합니다.

색상을 그레이스케일로 변환하는 중

임의의 컬러 이미지를 그레이스케일로 변환하는 것은 일반적으로 고유하지 않습니다.컬러 채널의 가중치가 다르면 흑백 필름을 촬영할 때 카메라에 다른 색상의 사진 필터를 사용하여 효과적으로 효과를 나타냅니다.

측색(감지 휘도 유지)을 그레이스케일로 변환

일반적인 전략은 (색 공간에 따라) 원래 색상과 동일한 휘도(기술적으로 상대적인 휘도)를 가지도록 (목표 그레이스케일 색공간에서)^[3]^[4] 광도 측정의 원리 또는 보다 넓게는 색도 측정을 사용하여 그레이스케일 값을 계산하는 것이다.또한 이 방법은 동일한 (상대적인) 휘도 외에도 동일한 화이트포인트가 주어진 영상의 모든 영역에서 평방미터 당 캔델라의 SI 단위로 계측기로 측정할 수 있는 것처럼 표시되었을 때 두 영상의 절대 휘도가 동일함을 보장합니다.휘도 자체 인간 시각의 표준 모델을 사용하여, 그래서 흑백으로 출력된 이미지 안의 휘도 유지하는 것 또한 L*(처럼 1976년 국제 조명 위원회 Lab색 공간)과 같은 우린 이렇게 하기로 Ylinear로를 언급할 선형 휘도 Y자체(는 CIE1931XYZ색 공간의로)에 의해 결정된다 다른 지각적 밝음 조치를 유지합니다 정의된다.avoid 애매모호함

일반적인 감마 압축(비선형) RGB 색상 모델에 기초한 색공간에서 휘도의 그레이스케일 표현으로 색상을 변환하려면 먼저 감마 확장(선형화)을 통해 감마 압축 함수를 제거하여 이미지를 선형 RGB 색상공간으로 변환해야 합니다. 그러면 적절한 가중치 합계가 Li에 적용될 수 있습니다.가까운 색 구성 요소 직선 휘도 Ylinear이 흑백 결과 또한 저장된 전형적인 비선형 col.에 인코딩될 한 다음 다시 gamma-compressed 수 있는지를 추정하기 위해(R나는 나는 e, G나는 나의 e는 r, B나는 나의 e는 r{\displaystyle R_{\mathrm{}}선형 ,G_{\mathrm{}}선형 ,B_{\mathrm{}선형}}는 r의)orspace.^[5]

공통 sRGB 색 공간의 경우 감마 확장은 다음과 같이 정의됩니다.

C_{\mathrm {linear} = cases} {\frac {C_{\mathrm {srgb}} {12.92}}, & {\text {if}}C_{\mathrm {srgb}}\left\leq 0.04045\frac {C_{\0rmathrm} {C_{\0rm} {C_0rm} {0rm} } {case} } }

$여기$ 서_srgb C는 3개의 감마 압축 sRGB 1차( $R srgb$ , $G srgb$ , $B srgb$ , 각각 [0,1] 범위) 중 하나를 $나타내며 linear$ , C는 대응하는 선형 강도 값( $R linear$ , $G linear$ , $B linear$ , 역시 [0,1] 범위)이다.다음으로 선형 휘도를 3개의 선형 강도 값의 가중치 합계로 계산한다.sRGB 색공간은 CIE 1931 선형 $휘도 linear$ Y의 관점에서 정의되며, 이는 다음과 같습니다.

Y_{\mathrm {linear} }=0.2126R_{\mathrm {linear} }+0.7152G_{\mathrm {linear} }+0.0722B_{\mathrm {linear} }

l

Y_{\mathrm {linear} }=0.2126R_{\mathrm {linear} }+0.7152G_{\mathrm {linear} }+0.0722B_{\mathrm {linear} }

n

Y_{\mathrm {linear} }=0.2126R_{\mathrm {linear} }+0.7152G_{\mathrm {linear} }+0.0722B_{\mathrm {linear} }

=

Y_{\mathrm {linear} }=0.2126R_{\mathrm {linear} }+0.7152G_{\mathrm {linear} }+0.0722B_{\mathrm {linear} }

.

Y_{\mathrm {linear} }=0.2126R_{\mathrm {linear} }+0.7152G_{\mathrm {linear} }+0.0722B_{\mathrm {linear} }

Y_{\mathrm {linear} }=0.2126R_{\mathrm {linear} }+0.7152G_{\mathrm {linear} }+0.0722B_{\mathrm {linear} }

i n

Y_{\mathrm {linear} }=0.2126R_{\mathrm {linear} }+0.7152G_{\mathrm {linear} }+0.0722B_{\mathrm {linear} }

+

Y_{\mathrm {linear} }=0.2126R_{\mathrm {linear} }+0.7152G_{\mathrm {linear} }+0.0722B_{\mathrm {linear} }

.

Y_{\mathrm {linear} }=0.2126R_{\mathrm {linear} }+0.7152G_{\mathrm {linear} }+0.0722B_{\mathrm {linear} }

Y_{\mathrm {linear} }=0.2126R_{\mathrm {linear} }+0.7152G_{\mathrm {linear} }+0.0722B_{\mathrm {linear} }

l

Y_{\mathrm {linear} }=0.2126R_{\mathrm {linear} }+0.7152G_{\mathrm {linear} }+0.0722B_{\mathrm {linear} }

Y_{\mathrm {linear} }=0.2126R_{\mathrm {linear} }+0.7152G_{\mathrm {linear} }+0.0722B_{\mathrm {linear} }

Y_{\mathrm {linear} }=0.2126R_{\mathrm {linear} }+0.7152G_{\mathrm {linear} }+0.0722B_{\mathrm {linear} }

Y_{\mathrm {linear} }=0.2126R_{\mathrm {linear} }+0.7152G_{\mathrm {linear} }+0.0722B_{\mathrm {linear} }

r +

Y_{\mathrm {linear} }=0.2126R_{\mathrm {linear} }+0.7152G_{\mathrm {linear} }+0.0722B_{\mathrm {linear} }

.

Y_{\mathrm {linear} }=0.2126R_{\mathrm {linear} }+0.7152G_{\mathrm {linear} }+0.0722B_{\mathrm {linear} }

Y_{\mathrm {linear} }=0.2126R_{\mathrm {linear} }+0.7152G_{\mathrm {linear} }+0.0722B_{\mathrm {linear} }

l

Y_{\mathrm {linear} }=0.2126R_{\mathrm {linear} }+0.7152G_{\mathrm {linear} }+0.0722B_{\mathrm {linear} }

Y_{\mathrm {linear} }=0.2126R_{\mathrm {linear} }+0.7152G_{\mathrm {linear} }+0.0722B_{\mathrm {linear} }

Y_{\mathrm {linear} }=0.2126R_{\mathrm {linear} }+0.7152G_{\mathrm {linear} }+0.0722B_{\mathrm {linear} }

Y_{\mathrm {linear} }=0.2126R_{\mathrm {linear} }+0.7152G_{\mathrm {linear} }+0.0722B_{\mathrm {linear} }

{

displaystyle Y_{\mathrm

{linear }

= 0.2126R_{\mathrm {linear} +

0.

7152G_mathrm

{

m}

이 세 가지 특정 계수는 sRGB의 정의에 사용되는 정확한 Re. 709 부가 원색(색도)의 빛에 대한 전형적인 삼색인류의 강도(휘도) 인식을 나타낸다.인간의 시력은 녹색에 가장 민감하므로 계수 값이 가장 크고(0.7152) 파란색에 가장 덜 민감하므로 계수가 가장 작습니다(0.0722).그레이스케일 강도를 선형 RGB로 인코딩하려면 3가지 색 구성 요소 각각을 계산된 $Y_{\mathrm {linear} }$ $Y_{\mathrm {linear} }$ $Y_{\mathrm {linear} }$ $Y_{\mathrm {linear} }$ r $Y_{\mathrm {linear} }$ { $displaystyle Y_{\mathrm {linear}}($ $R_{\mathrm {linear} },G_{\mathrm {linear} },B_{\mathrm {linear} }$ R $R_{\mathrm {linear} },G_{\mathrm {linear} },B_{\mathrm {linear} }$ e $R_{\mathrm {linear} },G_{\mathrm {linear} },B_{\mathrm {linear} }$ , $R_{\mathrm {linear} },G_{\mathrm {linear} },B_{\mathrm {linear} }$ $R_{\mathrm {linear} },G_{\mathrm {linear} },B_{\mathrm {linear} }$ $R_{\mathrm {linear} },G_{\mathrm {linear} },B_{\mathrm {linear} }$ $,$ B $l$ $R_{\mathrm {linear} },G_{\mathrm {linear} },B_{\mathrm {linear} }$ e $R_{\mathrm {linear} },G_{\mathrm {linear} },B_{\mathrm {linear} }$ ${\mathrm$ {linear $})$ 과 동일하게 설정할 수 있습니다 $.$ $R_{\mathrm {linear} },G_{\mathrm {linear} },B_{\mathrm {linear} }$ { $linear}}$ $Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} }$ $Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} }$ $Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} }$ i n a r, Y $Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} }$ $Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} }$ $Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} }$ $Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} }$ $Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} }$ $Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} }$ l i n $Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} }$ $,$ Y l $Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} }$ $Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} }$ $Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} }$ r { $display style$ Y_ ${\mathrm {linear }},Y_{\mathrm$ {linear $}}}$ 에 $Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} },Y_{\mathrm {linear} }$ 의해 이 선형 그레이스케일을 얻습니다.일반적으로 비선형으로 되돌리려면 감마를 압축해야 합니다 $.$ sRGB의 경우, 각각의 3개의 프라이머리는 위의 감마 팽창의 역방향에 의해 주어진 동일한 $감마 srgb$ 압축 Y로 설정됩니다.

{\displaystyle Y_{\mathrm{srgb}}={\begin{경우}12.92\ Y_{\mathrm{선형}},&,{\text{만약}}Y_{\mathrm{선형}}\leq 0.0031308\\1.055\ Y_{\mathrm{선형}}^{1/2.4}-0.055,&,{\text{ 그렇지 않으면}}\end{경우}}}.

왜냐하면 3sRGB 구성 요소는 이는 사실 그것은 회색 이미지( 아니색)여부를 나타내는 값과 동일하다 그것이 단 한번 이 값을 저장하는 것이고, 우리는 이 결과 흑백 이미지라고 부른다 필요하다.이렇게 보통 JPEG, PNG와 같은 단일 채널 회색조 표현을 지원하는sRGB-compatible 이미지 형식에 저장될 것이다.웹 브라우저와 전자 sRGB 이미지를 인식하는 다른 소프트웨어가 그러한 흑백으로 출력된 이미지의 같은 렌더링을 생성해야 할 수 있는"색"sRGB 이미지 3가지 색상 채널에 동일한 가치.

비디오 시스템의 Luma 코딩

For images in color spaces such as Y'UV and its relatives, which are used in standard color TV and video systems such as PAL, SECAM, and NTSC, a nonlinear luma component (Y′) is calculated directly from gamma-compressed primary intensities as a weighted sum, which, although not a perfect representation of the colorimetric luminance, can be calculat에드 좀 더 빨리 감마 확장과 압축photometric/colorimetric 산출에 사용되지 않고.그 Y'UV과 Y'에서.IQ모델 PAL과 NTSC, rec601 luma(Y′)요소로 계산됩니다.에 의해 사용하였습니다.

Y'=0.299R'+0.587G'+0.114B'

우리는 어디로sRGB 비선형 값(위에서 논의한)는 조금 다른 감마 압축 공식을 사용하는데, 선형 RGB요소들에서 이 비선형 값을 구별하기 위해 프라임을 사용한다.이 ITU-RBT.709 기준 HDTVATSC를 기업에 사용되는luma 요소 계산할 다른 색 계수를 사용한다.

Y′=0.2126 R′+0.7152 G′+0.0722 B′{\displaystyle Y'=0.2126R'+0.7152G'+0.0722B의}.

위의 sRGB에서 사용된 계수와 수치적으로는 동일하지만, 여기서는 선형화된 값이 아닌 감마 압축된 값에 직접 적용되기 때문에 효과는 다르다.HDR 텔레비전의 ITU-R BT.2100 표준은 아직 다른 계수를 사용하여 다음과 같이 Luma 구성요소를 계산합니다.

Y'=0.2627R'+0.6780G'+0.0593B'

Y'=0.2627R'+0.6780G'+0.0593B'

Y'=0.2627R'+0.6780G'+0.0593B'

.

Y'=0.2627R'+0.6780G'+0.0593B'

R

Y'=0.2627R'+0.6780G'+0.0593B'

+

Y'=0.2627R'+0.6780G'+0.0593B'

.

Y'=0.2627R'+0.6780G'+0.0593B'

G

Y'=0.2627R'+0.6780G'+0.0593B'

+

Y'=0.2627R'+0.6780G'+0.0593B'

.

Y'=0.2627R'+0.6780G'+0.0593B'

B

′

、 {

displaystyle

Y ' = 0.

2627R '

+ 0.

6780G '

+ 0.

0593B '

。

일반적으로 이러한 색 공간은 보기 위해 렌더링하기 전에 비선형 R'G'B'로 다시 변환됩니다.충분한 정밀도가 남아 있는 한 정확하게 렌더링할 수 있습니다.

그러나, 대신에, 루마 성분 Y' 자체를 칼라 화상의 그레이 스케일 표현으로서 직접 사용했을 경우, 휘도는 보존되지 않습니다.두 가지 색상은 같은 $루마$ Y but이지만 다른 CIE 선형 $휘도$ Y(따라서 위에서 정의한 것과 같이 다른 $비선형 srgb$ Y)를 가질 수 있기 때문에, 일반적인 인간에게는 원래의 색보다 어둡거나 밝아 보입니다.마찬가지로 $휘도$ Y가 같은 두 가지 색상(따라서 $같은 srgb$ Y)은 위의 Y $'$ ^[8] luma $정의$ 중 하나에 의해 일반적으로 다른 루마를 가집니다.

다중 채널 컬러 이미지의 단일 채널로 그레이스케일

컬러 이미지는 종종 여러 겹으로 쌓인 컬러 채널로 구성되며, 각 채널은 지정된 채널의 값 수준을 나타냅니다.예를 들어 RGB 이미지는 빨강, 초록, 파랑 원색 컴포넌트의 3개의 독립된 채널로 구성됩니다.CMYK 이미지에는 시안, 마젠타, 노랑 및 검정 잉크 플레이트 등의 4개의 채널이 있습니다.

다음으로 풀 RGB 컬러 이미지의 컬러 채널 분할 예를 나타냅니다.왼쪽 열은 분리된 색상 채널을 자연스러운 색으로 표시하고 오른쪽에는 그레이스케일 동등성이 표시됩니다.

3개의 그레이스케일 영상에서 RGB 합성

그 반대도 가능합니다. 즉, 각각의 그레이스케일 채널에서 풀컬러 이미지를 작성하는 것입니다.채널을 망가뜨리거나 오프셋, 회전 등의 조작에 의해, 원래의 화상을 정확하게 재현하는 것이 아니라, 예술적인 효과를 얻을 수 있다.