FM 100 색상검사를 이용한 표준광원 D65, TL84, A에서의 색채지각

서 론

색채지각(color perception)은 광원·물체·관찰자라는 세요소의 상호작용으로 나타나는 결과이다.^[1] 실내외에서 모자의 색상이 다르게 보이는 것, 주야간 교통표지판의 색상이 다르게 느껴지는 것, 두 물체의 색이 광원에 따라 같아 보이기도 하고 달라 보이기도 하는 조건등색(metamerism) 현상이 일어나는 것 등은 모두 광원의 변화에 기인하는 것이다.^[2,3] 하나의 광원 아래에 놓여있는 어떤 물체의 색이 관찰자마다 다르게 느껴지는 것은 망막에 있는 원추세포(cone cell)의 분포나 민감도 등의 차로 인한 관찰자의 시기능 차에 기인하는 것이다.^[4] 시기능에 문제가 생기면 특정한 색을 지각하지 못한다거나 다른 색과 구별을 하지 못하는 색각이상 현상이 나타나는데, 이는 색각검사를 통해 그 분류와 수준 등을 판별할 수 있다.^[5] 색채지각은 환경에 영향을 받기 때문에 ISO 3664:2009에서는 측정과 분석에 관한 표준안을 마련하여 여러 가지 변인들이 최적으로 통제된 상태에서 색판정이 이루어질 수 있도록 하고 있다.^[6]

색채지각과 관련되어 흔히 발생되는 문제로 실내외에서 보이는 선글라스의 색상변화를 들 수 있다. 소비자는 실내에서 기호에 맞는 색상의 선글라스를 선택했지만, 야외에서 착용하면 실내에서 느꼈던 색상과 많은 차이가 나는 것을 알고서 불만족을 호소하는 경우가 발생하기도 한다. 야간운전용 혹은 사격용으로 사용되는 황색렌즈의 경우는 색의 혼동을 유발시킬 수 있어 착용 시 주의해야 하며, 일반적인 선글라스에 널리 사용되는 진한 회색과 갈색의 렌즈는 색채지각에 변화를 일으키므로 처방 시 고려되어야 할 것으로 지목되고 있다.^[7] 모바일이나 TV 업체에서는 정상시각자 뿐만 아니라 색약자 등 다양한 색각을 지닌 사람들의 색채지각 특성을 파악하고, 이를 통해 보다 수월하게 색채를 구별을 할 수 있도록 해주는 디스플레이를 개발하고 있다.^[8] 고령화 시대로 인해 많은 노인들이 신체적, 정신적, 사회적 문제와 직면하게 되는데, 색채심리치료 분야에서는 이를 완화시켜줄 수 있는 방안의 하나로 색을 활용하여 정서적 안정화를 꾀할 수 있는 노인전문 색채프로그램 개발을 추진하고 있다.^[9] 색채지각은 색채정보의 수집과 인지능력을 평가하는 색채시인성(color visibility)의 기본이 된다.^[10] 한 예로 색온도변환 스마트전조 등을 들 수 있다. 색온도변환 스마트전조등이란 안개·황사·미세먼지·강우·강설 등과 같은 악천후 기상조건에서 운전자가 더 나은 시인성을 확보할 수 있도록 전조등의 색온도가 선택적으로 교체되는 차세대 지능형전조등을 말한다. 여기서 안개·황사·미세먼지·강우·강설 등과 같은 기상조건은 광원과 관찰자, 혹은 물체와 관찰자 사이에 위치하면서 관찰자의 색채시인성을 방해하는 요소로 작용하는데, 기상 변화에 맞추어 황색을 띠는 약 3,000 K와 백색을 띠는 약 6,000 K 광원이 선택적으로 교체되면서 운전자의 색채시인성 향상에 도움을 준다. 이외에도 색채지각은 운전자 적성검사에 포함된 색각검사,^[8] 오류 수정작업의 정확성과 읽기작업과 같은 시지각의 정확도,^[11] 조절력, 사위도, 근거리 입체시의 변화,^[12,13] 기존의 치아 색상과 조화를 이루는 레진의 선택,^[14] 부분을 조합하여 하나의 완제품을 완성하는 조립 등 전 분야에 걸쳐서 중요한 영향을 미친다.^[5,15-17]

본 연구에서는 세 가지 표준광원 D65, TL84, A에서 시각정상자의 색채지각과 관련된 문제를 기존의 정성적 방법이나 설문조사가 아닌 FM 100 색상검사(Farnworth-Munsell 100 hue test)를 통한 정량적 방법으로 다루고자 한다. 이와 더불어 FM 100 색상검사에서의 각 색상캡에 대한 오류값(error score, ES)의 정상범위(normal range) 또한 도출하고자 한다. 본 연구의 결과가 선글라스에서와 같은 광원에 따른 색상의 변화, 색각이상의 유무 및 분류나 수준의 판별과 관련된 색각검사는 물론, 색온도변환 스마트전조등의 광원 교체에 따른 관찰자의 색채시인성 분석 및 해석 등과 관련된 연구에 유용하게 활용될 수 있기를 기대한다.

대상 및 방법

2. 방법

1) 광원

조명연출은 색채분야에서 널리 이용되고 있는 조명부스인 Color Viewing Light (Just Normlicht, Germany)를 이용하였다. 외형의 크기는 70(W)×51(H)×43(D) cm이고, 내부는 ISO 3664:2009에 따라 무반사 코팅이 되어있다.^[18] 사용된 광원은 D65, TL84, A인데, TL84 광원은 F11이라고도 불리며 슈퍼마켓, 사무실, 전시장 등에서 널리 사용되는 대표적인 형광등 광원이다.^[18] D65, TL84, A 광원은 각각 태양광, 형광등, 백열등을 대표하는 광원으로 볼 수 있으며, D65 광원은 주간운전, A 광원은 할로겐 전조등을 켠 야간운전 상황에 비유할 수도 있고, D65 광원은 백색광, A 광원은 황색광을 방출하는 광원으로도 간주할 수 있다.

2) FM 100 색상검사

색채판별검사(chromatic discrimination test)를 위해 색상 배열검사(hue arrangement test)의 한 종류로 정량적 측정이 가능한 FM 100 색상검사(Farnsworth-Munsell 100 hue test)를 이용하였다.^[19,20] FM 100 색상검사에서 제시되는 색상캡(colored cap)은 총 85개로 네 상자(box) 안에 나뉘어 들어있다. 네 상자를 각각 I, II, II, IV라 하고 각 상자에 속하는 색상캡의 번호와 색상을 Table 1에 제시하였다. 상자 I에는 총 22개의 색상캡이 들어있고, 나머지 세 상자에는 21개가 들어있다.

Table 1.

Composition of Farnsworth-Munsell 100 hue test

대상자는 각 색상캡 상자에 들어있는 색상캡들을 주어진 시간동안 색상 순서대로 배열한다. 총 네 상자의 색상캡에 대한 배열이 완료되면 FM 100 색상검사의 ES 계산법에 따라 각 색상캡에서의 ES를 계산한다. 대상자가 색상을 혼동해서 색상배열에 오류가 생기면 ES가 증가한다. 검사가 완료되면 다음과 같은 최종결과를 얻을 수 있다.

(i) 총오류값(total error score, TES) : 85개 색상캡에 대한 ES의 합

(ii) 오류값 도표(error score diagram, ES 도표) : 85개 색상캡에 대한 ES를 색상번호에 따라 나타낸 도표

TES는 인접한 색상을 구별하는 색채지각과 관련된 과제에서 범하는 ES의 총합이다. 따라서 TES가 크다는 것은 색상구분에 어려움이 많다는 뜻이 된다. 광원과 색상캡 상자의 순서는 무작위로 제시하였다. 한 광원에서 검사가 끝나고 다른 광원으로 교체할 때는 눈의 피로를 고려하여 약 3분 정도의 휴식시간을 두었다. 검사 시 외부조명의 영향을 최소화하기 위하여 암실에서 진행하였으며 검사거리는 50 cm로 하였다.

결과 및 고찰

2. ES 도표 비교

TES는 85개의 색상캡에 대한 ES의 합이므로 TES만으로는 구체적인 색상오류에 대한 판단을 할 수 없다. ES 도표(error score diagram)를 이용하면 개별적인 색상캡에서의 ES를 상대적으로 비교할 수 있으므로 오류의 원인을 찾는데 유용하다.^[22] Fig. 1에 세 표준광원 D65, TL84, A에 대한 ES 도표를 나타내었다.

Fig. 1.

Error score diagram according to the colored cap measured under illuminant D65, TL84 and A.

참가자들에게서는 색각이상이 없었으므로 전체 색상에 걸쳐 비슷한 정도의 ES가 예상된다. 하지만 Fig. 1에서 알 수 있듯이 세 표준광원 모두에 대하여 중심부에서 ES가 높은 경향이 있다. 대략적으로 Green을 중심으로 Yellow-Green, Green-Blue 색상의 계열이다(Table 1 참조). 이러한 현상은 Dain^[20]에 의해 일부 설명되었는데, 그는 FM 100 색상검사에 사용되는 색상캡들 사이의 색차가 균일하지 않은데서 기인하는 것이라고 하였다. 즉, Dain은 85개의 색상캡에 대한 색좌표를 측정한 후, Green 계열 부근에 있는 색상캡 간의 색차가 다른 색상을 띠는 색상캡 간의 색차보다 작다는 사실 발견하였고, 이 때문에 인접한 색상을 구별하는 것이 어려워 ES가 높은 것이라 설명하였다. 이러한 사실은 FM 100 색상검사의 결과를 해석하는데 반드시 고려해야 할 사항이다.

본 연구에서는 보다 편리한 분석을 위해 ES의 차(difference of error score)를 도표화하여 광원과 색상캡에 따른 ES를 비교해보았다. Fig. 2(a)에 TL84 광원의 ES에서 D65의 ES를 뺀 ES의 차(difference of error score)를 도표로 나타내었다. 여기서 ES의 차를 나타내는 축인 y축의 값이 (+)라는 것은 D65 광원의 ES가 작다는 뜻이다. 이 그림을 보면 대부분 (+) 값이라는 것을 알 수 있지만, 일부의 몇몇 영역에서는 (−) 값을 갖는다. (−) 값 영역에서는 TL84 광원의 ES가 작은 값을 갖기 때문에 인접한 색상을 구별하는데 있어서 TL84를 사용하는 것이 유리할 것이다. 이러한 영역을 색상캡 번호로 나타내면 0번(혹은 85번), 13번, 44번, 48번, 60번, 70번 근처 영역이다(색상캡과 관련된 색상은 Table 1 참조). Fig. 2(b)에는 A 광원의 ES에서 D65의 ES를 뺀 ES의 차를, Fig. 2(c)에는 A 광원의 ES에서 TL84의 ES를 뺀 ES의 차를 각각 제시하였다. Fig. 2(b)에 따르면 61번 근처의 색상일 때를 제외하고는 거의 모든 영역에서 D65 광원의 ES가 작았고, Fig. 2(c)에 따르면 21-34번, 56-65번, 75번 등의 근처에서는 TL84 광원에 대한 ES가 작았다.

Fig. 2.

Difference of error score according to the colored cap (a) between TL84 and D65, (b) between A and D65, and (c) between A and TL84.

이러한 비교를 통해 D65 광원이 TL84나 A 광원보다 TES가 낮기 때문에 언제나 색채지각에 적합한 광원이라고 생각하는 것은 잘못된 일이라는 것을 알 수 있다. 비록 좁은 영역이지만 TL84이 D65 광원보다 색채지각에 유리할 수도 있고, A 광원이 TL84나 D65 광원보다 색채지각에 유리할 수도 있는 영역이 존재한다는 점을 인식할 필요가 있을 것으로 사료된다.

3. ES의 정상범위

대비감도(contrast sensitivity)에서는 정상시각자에 대한 대비감도의 평균을 공간주파수(spatial frequency)에 따라 나타낸 후, 각 공간주파수별로 90%의 대상자가 속하는 영역을 구하고 이를 대비감도 도표에 함께 나타내어 사용하고 있는데, 이를 대비감도의 정상범위(normal range)라 한다. 어떤 사람을 대상으로 측정한 공간주파수에 따른 대비감도가 이 정상범위에 속하는지 속하지 않는지를 확인하면 그 사람의 대비감도가 정상인지 아닌지를 간단히 판정할 수 있다. 안과에서는 이러한 정상범위를 각종 질환 등의 진단을 위한 선별검사(screening test)에 널리 활용하고 있다.^[23]

대비감도에서와 마찬가지로 정상범위의 개념을 FM 100 색상검사에도 도입하고자 42명에 대한 각 색상캡에서의 ES를 바탕으로 각 광원별 정상범위를 구하였고, 그 결과를 Fig. 3(a), (b), (c)에 음영으로 나타내었다. 여기서 정상범위는 각 색상캡에서의 ES의 평균과 표준편차를 이용하여 참가자의 90%가 포함되는 통계적 범위를 구한 후, 이를 모든 색상캡에 적용시켰다.

Fig. 3.

Normal range according to the colored cap measured under illuminant D65, TL84, and A.

FM 100 색상검사에 대한 정상범위의 개념은 다음과 같이 활용할 수 있다. 예를 들어, 어떤 피검자의 ES 도표를 구한 후, 이를 Fig. 3의 정상범위와 비교하면 피검자의 색채지각 능력이 정상인의 90%에 속하는지 아닌지를 판정할 수 있다. 만일, 특정한 색상의 계열에서만 정상범위를 벗어난다면, 그 색상을 구별하는데 어려움이 있다고 판정할 수 있을 것이다. 또 다른 예로 선글라스 등 선택과 관련된 문제에 적용시킬 수 있다. 선글라스와 같은 색상렌즈는 사물의 색상을 어느 정도 왜곡시키는 것으로 알려져 있는데,^[7] 그 정도가 지나치면 색채지각에 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 따라서 색상렌즈를 착용하고 FM 100 색상검사를 실시한 다음, 정상범위 내에 속하는지 속하지 않는지를 판정하면 색채지각을 심각하게 손상시키지 않는 색상렌즈를 선택하는데 도움이 될 것이다. 색온도변환 스마트전조등과 같은 경우에는 광원과 관찰자, 혹은 물체와 관찰자 사이에 위치하는 안개나 황사의 농도가 색채시인성에 미치는 영향을 고려할 때, 어느 정도의 안개나 황사의 상태에서 색채시인성이 정상범위를 벗어나는지 판정의 기준을 제공해줄 수 있을 것이다.

본 연구를 통하여 광원에 따른 색채지각의 오류를 정량적으로 알아볼 수 있었다. 안경원이라면 색상렌즈나 칼라콘택트렌즈 등의 색을 선택할 때, 소비자가 올바른 색상선택을 할 수 있도록 색채지각의 오류가 나지 않는 조명을 선택하는 것이 필요할 것이라 사료된다. 그 밖에 본 연구의 결과가 치과용 레진의 선택, 색온도변환 스마트전조 등, 색채 관련 완성품 조립 등 색채와 관련된 모든 산업 및 연구에도 적용될 수 있는 기초자료로 활용될 수 있기를 기대한다.

결 론

세 표준광원 D65, TL84, A에서 정상시각자에 대한 색채지각의 능력을 FM 100 색상검사의 ES를 통해 정량적으로 알아보았고, 그에 따른 ES의 정상범위를 도출하였다. 대상자의 평균연령은 25.24±3.15세이었다. 분석을 위해 FM 100 색상검사의 TES과 ES 도표를 이용하였고, 정상범위는 참가자의 90%가 속하는 통계적 범위를 기준으로 하여 구하였다. 이로부터 다음과 같은 사실을 알 수 있었다.

(1) FM 100 색상검사의 TES 분석을 통해 광원에 따라 변하는 색채지각의 능력을 정량적으로 나타낼 수 있었고, Verriest 연구와의 비교를 통해 부적절한 광원의 선택은 색채지각의 능력을 높은 연령대의 수준으로 저하시킬 수 있다는 사실을 알아낼 수 있었다.

(2) ES 도표분석을 통해 TES가 낮은 광원이 언제나 모든 색상을 판별하는데 유리한 것은 아니며, 비록 좁은 영역이지만 TES가 높은 광원이라 할지라도 TES가 낮은 광원보다 색상을 판별하는데 유리한 영역도 존재한다는 사실을 알아낼 수 있었다.

(3) FM 100 색상검사에 대한 정상범위를 도출하였고, 이를 통해 피검자에 대한 색채지각 능력의 정상여부나 색채왜곡으로 인한 문제의 판정 등에 활용할 수 있는 기초자료를 마련할 수 있었다.

안경원이라면 색상렌즈나 미용칼라 콘택트렌즈의 상담시에는 언제나 광원의 변화에 따른 색채지각의 중요성을 설명하는 것이 필요하며, 운전자라면 야간이나 안개, 황사, 미세먼지, 강우, 강설 등과 같은 기상 조건에서는 색채시 인성이 저하된다는 점을 언제나 염두에 두고 방어운전을 할 필요가 있겠다. 본 연구는 20대의 42명을 대상으로 수행된 것이다. 보다 정확하고 신뢰성 있는 결과가 얻어질 수 있도록 보다 많은 대상자와 다양한 연령층을 대상으로 한 연구가 진행되기를 기대한다.

Acknowledgments

본 연구는 지식경제부 및 한국산업기술평가관리원의 산업원천기술개발사업의 일환으로 수행되었음. [10053045, 기후 환경 변화 대응 운전자 시인성 향상을 위한 색온도 변환 스마트 LED 전조등 제품화/표준화 기술 개발]

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