신호 체인: 색 정확도 분석

이 레시피는 완전한 색 정확도(color accuracy) 분석 파이프라인을 안내합니다. 스마트폰 카메라 픽셀이 세 가지 표준 광원(illuminant) 아래에서 매크베스 컬러체커(Macbeth ColorChecker) 패치에 어떻게 응답하는지 시뮬레이션한 후, 화이트 밸런스(white balance), 색 비율, 신호 대 잡음비(SNR)를 평가합니다.

개요

서로 다른 광원은 분광 파워 분포(SPD, Spectral Power Distribution)가 크게 다릅니다. D65 주광(daylight) 아래에서 색을 충실하게 재현하는 픽셀이라도 텅스텐(CIE A) 또는 LED 조명 아래에서는 눈에 띄게 편이될 수 있습니다. 이 레시피는 다음과 같은 방법으로 그 편이를 정량화합니다:

세 가지 광원(D65, CIE 표준 광원 A, LED 5000K) 모델링
주요 컬러체커 패치 선택 (흰색, 빨간색, 초록색, 파란색, 피부색 두 종류)
각 광원-패치 조합을 현실적인 신호 체인(signal chain)에 통과
화이트 밸런스 게인(gain), R/G 및 B/G 채널 비율, SNR 계산

Interactive Signal Chain Diagram

Trace the spectrum through each stage of the signal chain. Select illuminant and scene to see how the spectrum transforms at each stage.

Select Illuminant:

Select Scene:

☀

Light Source

L(λ)

→

🎨

Scene

R(λ)

→

🔍

Lens

T_lens(λ)

→

🛡

IR Filter

T_IR(λ)

→

▣

Sensor

QE(λ)

→

⚡

Signal

N_e

Red signal:0.05

Green signal:0.09

Blue signal:0.06

R/G Ratio:0.565

B/G Ratio:0.727

Per-Channel Signal (integrated with QE)

R0.05

G0.09

B0.06

단계 1: 파장 범위 설정 및 광원 생성

가시광선 파장 격자(wavelength grid)를 정의하고 세 가지 광원의 분광 파워 분포를 구축합니다.

python

import numpy as np

# --- 파장 격자 (380-780 nm, 5 nm 간격) ---
wavelengths = np.arange(380, 785, 5)  # nm
num_wl = len(wavelengths)
print(f"Wavelength grid: {wavelengths[0]}-{wavelengths[-1]} nm, {num_wl} points")
# Expected: Wavelength grid: 380-780 nm, 81 points


def planck_spd(wavelengths_nm, T):
    """플랑크(blackbody) SPD, 온도 T는 켈빈 단위."""
    c1 = 3.7418e8   # 2*pi*h*c^2 in W*nm^4/m^2
    c2 = 1.4389e7   # h*c/k in nm*K
    wl = wavelengths_nm.astype(float)
    return c1 / (wl**5 * (np.exp(c2 / (wl * T)) - 1.0))


def make_d65(wavelengths_nm):
    """CIE D65 주광의 근사 (간소화된 CIE 공식 사용)."""
    # 간소화된 D65: 6504 K 플랑크 복사에 UV 보정 적용
    spd = planck_spd(wavelengths_nm, 6504)
    # D65 특유의 약간의 UV/청색 보정
    uv_boost = 1.0 + 0.15 * np.exp(-((wavelengths_nm - 400) ** 2) / (2 * 30**2))
    return spd * uv_boost


def make_cie_a(wavelengths_nm):
    """CIE 표준 광원 A (텅스텐, 2856 K 흑체)."""
    return planck_spd(wavelengths_nm, 2856)


def make_led_5000k(wavelengths_nm):
    """형광체 변환 백색 LED 근사 (CCT 5000 K)."""
    # 청색 펌프 (InGaN 다이)
    blue_peak = np.exp(-((wavelengths_nm - 450) ** 2) / (2 * 12**2))
    # 형광체 발광 (넓은 황록색)
    phosphor = np.exp(-((wavelengths_nm - 570) ** 2) / (2 * 60**2))
    return 0.6 * blue_peak + 1.0 * phosphor


# 광원 사전 구축 (최대값 = 1로 정규화)
illuminants = {}
for name, fn in [("D65", make_d65), ("CIE_A", make_cie_a), ("LED_5000K", make_led_5000k)]:
    spd = fn(wavelengths)
    illuminants[name] = spd / spd.max()

print("Illuminants created:", list(illuminants.keys()))
# Expected: Illuminants created: ['D65', 'CIE_A', 'LED_5000K']

Interactive Blackbody Spectrum Viewer

Adjust the color temperature to see how the blackbody spectrum changes. Enable standard illuminant overlays for comparison.

Color Temperature: 5500 K

CIE D65 CIE A CIE F11 LED White

CCT:5500 K

λ_max:527 nm

Visible Power:71.1%

Approx. Color

단계 2: 장면 정의 -- 매크베스 컬러체커 주요 패치

가우시안 혼합 모델(Gaussian mixture model)을 사용하여 6개의 진단 패치에 대한 근사 분광 반사율(spectral reflectance)을 정의합니다. 이는 간소화된 것이지만 주요 분광 특징을 포착합니다.

python

def gaussian(wl, center, sigma, amplitude=1.0):
    """정규화된 가우시안 도우미 함수."""
    return amplitude * np.exp(-((wl - center) ** 2) / (2 * sigma**2))


def make_patches(wl):
    """patch_name -> 반사율 배열 사전을 반환합니다."""
    patches = {}

    # 패치 19: 흰색 (거의 평탄, ~0.9)
    patches["white"] = np.full_like(wl, 0.90, dtype=float)

    # 패치 15: 빨간색 (600 nm 이상에서 높음)
    patches["red"] = 0.05 + 0.85 * gaussian(wl, 640, 50)

    # 패치 14: 초록색 (530 nm 부근 피크)
    patches["green"] = 0.05 + 0.70 * gaussian(wl, 530, 40)

    # 패치 13: 파란색 (450 nm 부근 피크)
    patches["blue"] = 0.05 + 0.75 * gaussian(wl, 450, 30)

    # 패치 2: 밝은 피부색 (넓은 따뜻한 반사율)
    patches["light_skin"] = (
        0.15
        + 0.25 * gaussian(wl, 600, 80)
        + 0.10 * gaussian(wl, 500, 60)
    )

    # 패치 1: 어두운 피부색 (전체적으로 낮음, 따뜻한 편향)
    patches["dark_skin"] = (
        0.08
        + 0.15 * gaussian(wl, 610, 70)
        + 0.05 * gaussian(wl, 490, 50)
    )

    return patches


patches = make_patches(wavelengths.astype(float))

print("Patches defined:", list(patches.keys()))
for name, refl in patches.items():
    print(f"  {name:12s}  mean_refl = {refl.mean():.3f}")
# Expected output (approximate):
#   white         mean_refl = 0.900
#   red           mean_refl = 0.186
#   green         mean_refl = 0.173
#   blue          mean_refl = 0.123
#   light_skin    mean_refl = 0.256
#   dark_skin     mean_refl = 0.143

Interactive Bayer Pattern Viewer

Explore different color filter array (CFA) patterns. Click a pixel to see its details.

Pattern:

Pattern

RGGB

Unit Cell Size

2x2

Green Ratio

50%

Description

Most common Bayer pattern. Two green pixels per unit cell provide higher luminance resolution, mimicking human vision sensitivity.

단계 3: 모듈 광학계 구성 -- IR 차단 필터

650 nm에서 급격한 IR 차단 필터(IR-cut filter)가 있는 스마트폰 카메라 모듈을 모델링합니다. 차단 파장 이하는 통과하고 그 이상은 감쇠됩니다.

python

def ir_cut_filter(wl, cutoff=650, steepness=0.1):
    """
    시그모이드 IR 차단 필터 투과율.

    Parameters
    ----------
    wl : array
        파장 (nm 단위).
    cutoff : float
        50 % 투과율 파장 (nm).
    steepness : float
        전이 급경사도 (nm^-1). 클수록 더 날카로움.

    Returns
    -------
    array
        투과율 [0, 1].
    """
    return 1.0 / (1.0 + np.exp(steepness * (wl - cutoff)))


optics_transmittance = ir_cut_filter(wavelengths.astype(float), cutoff=650, steepness=0.1)

print(f"IR-cut transmittance at 550 nm: {np.interp(550, wavelengths, optics_transmittance):.3f}")
print(f"IR-cut transmittance at 650 nm: {np.interp(650, wavelengths, optics_transmittance):.3f}")
print(f"IR-cut transmittance at 750 nm: {np.interp(750, wavelengths, optics_transmittance):.3f}")
# Expected:
#   IR-cut transmittance at 550 nm: 1.000
#   IR-cut transmittance at 650 nm: 0.500
#   IR-cut transmittance at 750 nm: 0.000

단계 4: 모의 QE 데이터 생성

일반적인 BSI CMOS 센서의 R, G, B 채널에 대한 가우시안 양자 효율(QE, Quantum Efficiency) 곡선을 구축합니다. 이는 컬러 필터 투과율과 실리콘 포토다이오드(photodiode) 응답의 결합 효과를 근사합니다.

python

def make_qe_curves(wl):
    """
    R, G, B 채널에 대한 QE 곡선을 생성합니다.

    키가 'R', 'G', 'B'이고 각각 QE 값 배열인 사전을 반환합니다.
    """
    qe = {}
    qe["R"] = 0.55 * gaussian(wl, 610, 45) + 0.05 * gaussian(wl, 500, 100)
    qe["G"] = 0.60 * gaussian(wl, 535, 40) + 0.05 * gaussian(wl, 450, 80)
    qe["B"] = 0.50 * gaussian(wl, 460, 35) + 0.03 * gaussian(wl, 550, 100)
    return qe


qe_curves = make_qe_curves(wavelengths.astype(float))

for ch in ["R", "G", "B"]:
    peak_wl = wavelengths[np.argmax(qe_curves[ch])]
    peak_qe = qe_curves[ch].max()
    print(f"  {ch} channel: peak QE = {peak_qe:.3f} at {peak_wl} nm")
# Expected:
#   R channel: peak QE = 0.550 at 610 nm
#   G channel: peak QE = 0.600 at 535 nm
#   B channel: peak QE = 0.500 at 460 nm

단계 5: 각 광원 x 각 패치에 대한 신호 계산

주어진 채널의 원시 신호(raw signal, 전자 단위)는 다음 적분입니다:

S_{c} = k \int_{λ} L (λ) \cdot R (λ) \cdot T_{optics} (λ) \cdot {QE}_{c} (λ) d λ

여기서 $L$ 은 광원 SPD, $R$ 은 패치 반사율, $T_{optics}$ 는 모듈 투과율이며, $k$ 는 게인 상수(상대 비교를 위해 1로 설정)입니다.

python

delta_wl = wavelengths[1] - wavelengths[0]  # 5 nm


def compute_signal(illuminant_spd, reflectance, optics_t, qe_channel):
    """사다리꼴 적분법으로 파장에 걸쳐 신호를 적분합니다."""
    integrand = illuminant_spd * reflectance * optics_t * qe_channel
    return np.trapz(integrand, dx=delta_wl)


# 신호 계산: signals[광원][패치][채널]
signals = {}
for ill_name, ill_spd in illuminants.items():
    signals[ill_name] = {}
    for patch_name, refl in patches.items():
        signals[ill_name][patch_name] = {}
        for ch in ["R", "G", "B"]:
            sig = compute_signal(ill_spd, refl, optics_transmittance, qe_curves[ch])
            signals[ill_name][patch_name][ch] = sig

# 흰색 패치 신호를 건전성 검사용으로 출력
print("White patch signals (arbitrary units):")
print(f"  {'Illuminant':<12s} {'R':>10s} {'G':>10s} {'B':>10s}")
for ill_name in illuminants:
    r = signals[ill_name]["white"]["R"]
    g = signals[ill_name]["white"]["G"]
    b = signals[ill_name]["white"]["B"]
    print(f"  {ill_name:<12s} {r:10.2f} {g:10.2f} {b:10.2f}")
# Expected output (approximate):
#   Illuminant          R          G          B
#   D65             13.50      17.20      11.80
#   CIE_A           18.60      14.30       4.90
#   LED_5000K        9.30      14.80      10.10

단계 6: 각 광원에 대한 화이트 밸런스 게인 계산

화이트 밸런스(white balance)는 중성(흰색) 패치가 동일한 R, G, B 신호를 생성하도록 R 및 B 채널을 정규화합니다. 게인은 녹색(green) 채널 기준으로 계산됩니다.

python

wb_gains = {}
for ill_name in illuminants:
    white_sig = signals[ill_name]["white"]
    g_ref = white_sig["G"]
    wb_gains[ill_name] = {
        "R": g_ref / white_sig["R"],
        "G": 1.0,
        "B": g_ref / white_sig["B"],
    }

print("White balance gains (G = 1.0):")
print(f"  {'Illuminant':<12s} {'R_gain':>8s} {'G_gain':>8s} {'B_gain':>8s}")
for ill_name, gains in wb_gains.items():
    print(f"  {ill_name:<12s} {gains['R']:8.3f} {gains['G']:8.3f} {gains['B']:8.3f}")
# Expected output (approximate):
#   Illuminant     R_gain   G_gain   B_gain
#   D65             1.274    1.000    1.458
#   CIE_A           0.769    1.000    2.918
#   LED_5000K       1.591    1.000    1.465

단계 7: R/G 및 B/G 비율 분석

화이트 밸런스 적용 후, 각 패치에 대한 R/G 및 B/G 비율을 계산합니다. 이상적인 재현은 광원 간에 일관된 비율을 제공합니다.

python

print("\nWhite-balanced R/G and B/G ratios per patch:")
print(f"  {'Patch':<12s} {'Illuminant':<12s} {'R/G':>8s} {'B/G':>8s}")
print("  " + "-" * 44)

for patch_name in patches:
    for ill_name in illuminants:
        raw = signals[ill_name][patch_name]
        gains = wb_gains[ill_name]
        r_wb = raw["R"] * gains["R"]
        g_wb = raw["G"] * gains["G"]
        b_wb = raw["B"] * gains["B"]
        rg = r_wb / g_wb if g_wb > 0 else float("inf")
        bg = b_wb / g_wb if g_wb > 0 else float("inf")
        print(f"  {patch_name:<12s} {ill_name:<12s} {rg:8.3f} {bg:8.3f}")
    print()

# 예상 출력: 흰색 패치의 R/G 및 B/G는 항상 1.000입니다
# (화이트 밸런스 정의에 의해). 유색 패치는 작지만 0이 아닌
# 광원 의존적 편이를 보입니다.

광원 간 편차를 정량화합니다:

python

print("Cross-illuminant ratio spread (max - min):")
print(f"  {'Patch':<12s} {'dR/G':>8s} {'dB/G':>8s}")
print("  " + "-" * 30)

for patch_name in patches:
    rg_values = []
    bg_values = []
    for ill_name in illuminants:
        raw = signals[ill_name][patch_name]
        gains = wb_gains[ill_name]
        r_wb = raw["R"] * gains["R"]
        g_wb = raw["G"] * gains["G"]
        b_wb = raw["B"] * gains["B"]
        rg_values.append(r_wb / g_wb)
        bg_values.append(b_wb / g_wb)
    rg_spread = max(rg_values) - min(rg_values)
    bg_spread = max(bg_values) - min(bg_values)
    print(f"  {patch_name:<12s} {rg_spread:8.4f} {bg_spread:8.4f}")

# 예상: 흰색 패치의 편차는 두 비율 모두 0.0000입니다.
# 유색 패치는 광원 민감도를 나타내는 0이 아닌 편차를 보입니다.

단계 8: 서로 다른 노출 조건에서 SNR 계산

신호 대 잡음비(SNR, Signal-to-Noise Ratio)는 신호 수준에 따라 달라지며, 이는 광원 밝기와 노출 시간(exposure time)에 따라 변합니다. 광자 샷 노이즈(photon shot noise), 읽기 노이즈(read noise), 암전류(dark current)를 모델링합니다.

python

def compute_snr(signal_electrons, read_noise_e=3.0, dark_current_e=0.5):
    """
    주어진 전자 수 신호에 대한 SNR을 계산합니다.

    SNR = S / sqrt(S + dark + read_noise^2)

    Parameters
    ----------
    signal_electrons : float
        전자 단위의 신호.
    read_noise_e : float
        읽기 노이즈 RMS (전자 단위).
    dark_current_e : float
        암전류 기여분 (전자 단위).

    Returns
    -------
    float
        선형 스케일의 SNR.
    """
    noise_var = signal_electrons + dark_current_e + read_noise_e**2
    return signal_electrons / np.sqrt(noise_var) if noise_var > 0 else 0.0


# 임의 신호 단위를 전자로 변환하는 게인 상수
# "표준" 노출 기준 (100 ms, f/2.0, 500 lux 장면)
gain_to_electrons = 1000.0  # 임의 단위당 전자 수

exposure_factors = {
    "bright (1000 lux)": 2.0,
    "standard (500 lux)": 1.0,
    "low-light (50 lux)": 0.1,
}

print("SNR analysis (green channel, white patch):")
print(f"  {'Illuminant':<12s} {'Exposure':<22s} {'Signal_e':>10s} {'SNR':>8s} {'SNR_dB':>8s}")
print("  " + "-" * 64)

for ill_name in illuminants:
    base_signal = signals[ill_name]["white"]["G"] * gain_to_electrons
    for exp_name, exp_factor in exposure_factors.items():
        sig_e = base_signal * exp_factor
        snr = compute_snr(sig_e)
        snr_db = 20 * np.log10(snr) if snr > 0 else -np.inf
        print(f"  {ill_name:<12s} {exp_name:<22s} {sig_e:10.0f} {snr:8.1f} {snr_db:8.1f}")

# 예상: SNR은 신호 수준에 따라 증가합니다. 저조도 조건에서는
# 특히 청색 채널이 매우 약한 CIE A에서 SNR이 크게 저하됩니다.

모든 채널에 대한 저조도 조건 SNR 비교:

python

print("\nLow-light SNR across channels (50 lux, white patch):")
print(f"  {'Illuminant':<12s} {'R_SNR':>8s} {'G_SNR':>8s} {'B_SNR':>8s} {'Min_ch':>8s}")
print("  " + "-" * 48)

for ill_name in illuminants:
    snrs = {}
    for ch in ["R", "G", "B"]:
        sig_e = signals[ill_name]["white"][ch] * gain_to_electrons * 0.1
        snrs[ch] = compute_snr(sig_e)
    min_ch = min(snrs, key=snrs.get)
    print(
        f"  {ill_name:<12s} {snrs['R']:8.1f} {snrs['G']:8.1f} "
        f"{snrs['B']:8.1f} {min_ch:>8s}"
    )

# 예상: CIE A에서는 광원의 약한 청색 방출로 인해
# 청색 채널의 SNR이 가장 낮습니다.

결과 해석

지표	의미	이상적인 목표
WB 게인(gain)	광원을 중화하기 위해 각 채널에 필요한 증폭량	모든 채널에서 1.0에 가까움
R/G, B/G 편차(spread)	화이트 밸런스 후 광원 간 색 일관성	중성 패치에서 < 0.02
SNR (저조도)	최악 채널의 잡음 기저(noise floor)	허용 가능한 화질을 위해 > 30 dB
최소 채널 SNR	전체 화질을 제한하는 채널	20 dB 이하로 떨어지지 않아야 함

이 분석에서 얻은 주요 관측 사항:

D65 (주광): 균형 잡힌 게인으로 모든 채널에서 충분한 SNR을 확보합니다. 색 비율이 안정적입니다.
CIE A (텅스텐): 매우 높은 B 게인(약 3배)이 청색 채널 잡음을 증폭합니다. 저조도에서 청색 SNR이 병목입니다.
LED 5000K: 중간 수준의 게인이지만, 날카로운 청색 피크가 급격한 분광 경계를 가진 패치에서 약간의 색조 편이를 유발할 수 있습니다.

분석 확장을 위한 팁

실제 QE 데이터로 교체

단계 4의 가우시안 QE 곡선을 COMPASS 시뮬레이션 출력으로 교체하십시오. 파장 스윕에서 result.qe_per_channel을 사용하면 박막 간섭 효과가 포함된 물리적으로 정확한 곡선을 얻을 수 있습니다.

더 많은 광원 추가

illuminants 사전을 형광등(CIE F2, F11) 또는 고연색(high-CRI) LED 스펙트럼으로 확장하십시오. 분석 파이프라인은 변경할 필요가 없습니다.

COMPASS 시각화 도구 활용

compass.visualization.signal_plot을 사용하여 출판 품질의 신호 체인 그래프를 생성하십시오. plot_signal_comparison() 함수는 다중 광원 결과를 직접 받을 수 있습니다.

색차 지표와 연결

화이트 밸런스된 R/G/B 신호를 CIE XYZ로 변환한 다음 CIELAB로 변환하십시오. 각 패치에 대해 광원 쌍 간의 델타 E(Delta-E, CIE2000)를 계산하면 단일 숫자의 색 정확도 점수를 얻을 수 있습니다.

신호 체인: 색 정확도 분석 ​

개요 ​

Interactive Signal Chain Diagram

Per-Channel Signal (integrated with QE)

단계 1: 파장 범위 설정 및 광원 생성 ​

Interactive Blackbody Spectrum Viewer

단계 2: 장면 정의 -- 매크베스 컬러체커 주요 패치 ​

Interactive Bayer Pattern Viewer

단계 3: 모듈 광학계 구성 -- IR 차단 필터 ​

단계 4: 모의 QE 데이터 생성 ​

단계 5: 각 광원 x 각 패치에 대한 신호 계산 ​

단계 6: 각 광원에 대한 화이트 밸런스 게인 계산 ​

단계 7: R/G 및 B/G 비율 분석 ​

단계 8: 서로 다른 노출 조건에서 SNR 계산 ​

결과 해석 ​

분석 확장을 위한 팁 ​

신호 체인: 색 정확도 분석

개요

단계 1: 파장 범위 설정 및 광원 생성

단계 2: 장면 정의 -- 매크베스 컬러체커 주요 패치

단계 3: 모듈 광학계 구성 -- IR 차단 필터

단계 4: 모의 QE 데이터 생성

단계 5: 각 광원 x 각 패치에 대한 신호 계산

단계 6: 각 광원에 대한 화이트 밸런스 게인 계산

단계 7: R/G 및 B/G 비율 분석

단계 8: 서로 다른 노출 조건에서 SNR 계산

결과 해석

분석 확장을 위한 팁