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화소, 픽셀, 편광의 이해와 편광안경의 원리 - 영상 정보의 표현 본문

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화소, 픽셀, 편광의 이해와 편광안경의 원리 - 영상 정보의 표현

키스 키스세븐 2017.09.05 09:52

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[화소, 픽셀, 편광의 이해와 편광안경의 원리 - 영상 정보의 표현]

우리 눈에 보이는 TV 원리, 모니터 원리를 이해하면 빛의 성질을 이해하는 데에도 도움이 됩니다. 특히 이런 것들을 쉽게 이해하려면 단어의 뜻도 함께 알아두어야 하고, 핵심부품의 특징을 분류해서 구분하는 것이 좋습니다. 이 글은 이런 것들을 신경 쓰면서 읽어가야 합니다. 우선 화소, 픽셀, 편광의 원리와 개념, 그리고 3D 편광안경에 대해 알아봅니다. 




[글의 순서]

1. 화소(픽셀) 개념, RGB의 원리

2. 빛은 횡파인가? 종파인가?

3. 편광을 통해 영상을 보는 원리


[엮인 글 링크]

사진 인화 사이즈와 폰카메라 화소(픽셀), 해상도 이해 - 화소란? 픽셀이란? 해상도란?




화소(픽셀) 개념, RGB의 원리


영상과 사진에서 가장 중요한 것은 '화소(픽셀)'이라는 개념입니다. 사진과 영상은 눈에 안 보일 정도로 매우 작은 점들을 모아서 만들어내기 때문입니다. 이때 그 작은 점들을 우리는 화소, 또는 픽셀이라고 부릅니다. 

한자말인 화소(畵素)는 "그림의 성분"이라는 뜻이고, 영어인 픽셀(pixel)은 화면의 "가장 작은 단위"를 말합니다. 그냥은 보이지 않지만, 돋보기로 확대해 보면 TV화면과 액정화면은 마치 벌집처럼 아주 잘게 쪼개진 점들의 모임이라는 것을 알 수 있습니다. 


사진: 화소란? 화면을 이루는 아주 작은 점들이다. 픽셀이라고도 하며 이 작은 점들을 떨어져서 보면 그림이 된다. 화면으로 볼 때 색을 표현할 때는 RGB가 필요하다. [화소(픽셀) 개념, RGB의 원리](사진: 화소란? 화면을 이루는 아주 작은 점들이다. 픽셀이라고도 하며 이 작은 점들을 떨어져서 보면 그림이 된다. 화면으로 볼 때 색을 표현할 때는 RGB가 필요하다. [화소(픽셀) 개념, RGB의 원리] / ⓒ Pete Linforth / www.kiss7.kr 편집)


화소(픽셀)를 쉽게 설명하자면, "그림의 세포"라고 할 수 있겠습니다. 몸은 세포들이 모여서 만들고, 각 세포는 DNA 등의 구조로 되어 있으며 구조의 종류에 따라 세포의 모양이 달라집니다. 

마찬가지로 화소(픽셀)도 빨강(Red), 초록(Green), 파랑(Blue)의 RGB 구조로 되어 있고, 이 중에 어떤 빛이 더 강하냐에 따라 색깔이 달라집니다. 노랑과 빨강에 빛이 들어오면 주황색이 되고, 세 가지 색에 모두 빛이 들어오면 흰색이 되는 것입니다. 물론 아무 색도 안 들어오면 검정입니다. 디지털시계에서 "검은 부분"이 있다면 픽셀이 모두 꺼진 상태라고 기억하면 됩니다. 


사진: 액정의 원리. 색의 3원소인 RGB가 모두 꺼진 상태가 검정이고 그 나머지가 색상이 된다. 꺼진 부분이 있어야 우리가 윤곽선을 구분할 수 있다. [화소(픽셀) 개념, RGB의 원리](사진: 액정의 원리. 색의 3원소인 RGB가 모두 꺼진 상태가 검정이고 그 나머지가 색상이 된다. 꺼진 부분이 있어야 우리가 윤곽선을 구분할 수 있다. [화소(픽셀) 개념, RGB의 원리] / ⓒ www.kiss7.kr)


휴대폰 성능을 말할 때 반드시 들어가는 것이 화소(픽셀)이라는 개념입니다. "화면", "사진"처럼 눈으로 보는 모든 장치에는 픽셀의 개념이 필요하기 때문입니다. 

그러므로 픽셀(화소)이 많을수록 고화질의 큰 화면을 볼 수 있습니다. 반면 넓은 면적에 픽셀이 너무 적게 들어 있으면 저화질이라서 보기가 나빠집니다. 값이 싼 기종의 경우 화소가 조금만 있기 때문에 사진이 작고 품질이 떨어지는 상황을 경험하게 됩니다. 


사진: RGB로 된 화면을 확대한 사진. RRGB 색상이 섞이면서 화면에 색이 나타난다. 빛은 모든 색을 가지고 있기 때문에 원하는 색만 보이게 하는 과정이 필요하다. [화소(픽셀) 개념, RGB의 원리](사진: RGB로 된 화면을 확대한 사진. RRGB 색상이 섞이면서 화면에 색이 나타난다. 빛은 모든 색을 가지고 있기 때문에 원하는 색만 보이게 하는 과정이 필요하다. [화소(픽셀) 개념, RGB의 원리] / ⓒ Pengo)


이렇게 면적에 대해 들어 있는 픽셀(화소)을 우리는 '해상도'라고 부릅니다. 즉 해상도가 높다는 말은 같은 면적이라도 더 많은 화소(픽셀)가 들어 있다는 뜻이며, 당연히 더 큰 크기의 사진과 영상을 볼 수 있습니다. 

영상은 수많은 화소들이 모여서 하나의 그림을 만드는 것이므로 피부의 세포와 멜라닌 색소처럼 이해하고 픽셀의 뜻과 특징을 기억하는 것이 좋습니다. 





빛은 횡파인가? 종파인가?


'편광'의 뜻은 편식이라는 말처럼 한쪽으로 치우쳤다는 의미입니다. 즉 빛의 한쪽만 사용한다고 생각하면 되겠습니다. 옛날의 과학자들은 빛이 어떻게 나아갈까 하는 문제로 고민했었습니다. 

빛에 파동이 있다는 것은 알고 있었지만 파동이 빛의 방향과 같은 방향인지(종파), 아니면 파동이 수직방향으로 흔들리며 나아가는 건지(횡파)를 알기 어려웠습니다. 


사진: 빛이 횡파라는 증거는 편광판을 통과시키면 빛이 걸러진다는 것에서 확인할 수 있다. 빛이 종파라면 직진만 하기 때문에 다 통과해 버린다. [빛은 횡파인가? 종파인가?](사진: 빛이 횡파라는 증거는 편광판을 통과시키면 빛이 걸러진다는 것에서 확인할 수 있다. 빛이 종파라면 직진만 하기 때문에 다 통과해 버린다. [빛은 횡파인가? 종파인가?] / ⓒ www.kiss7.kr)


편광의 원리에 대해서 상상을 해 봅시다. 창문에 커튼 대신 설치하는 블라인드라는 것이 있습니다. 사이사이로 틈이 있어서 바람은 통할 수 있는 구조입니다. 세로로 만들어진 블라인드를 설치한 후 호스로 물을 뿌려 봅시다. 

호스를 위 아래로 흔들면 물이 창밖으로 빠져 나가지만, 좌우로 흔들면 거의 빠져 나가지를 못합니다. 반대로 가로 블라인드의 경우엔 호스를 좌우로 움직이면 많이 빠져 나가는 것을 볼 수 있습니다. 


사진: 빛은 동시에 여러 각도의 횡파가 섞여 있다. 가로 편광판을 설치하면 가로 횡파만 통과시킬 수 있고 세로 편광판을 설치하면 세로 횡파만 통과시킨다. [빛은 횡파인가? 종파인가?](사진: 빛은 동시에 여러 각도의 횡파가 섞여 있다. 가로 편광판을 설치하면 가로 횡파만 통과시킬 수 있고 세로 편광판을 설치하면 세로 횡파만 통과시킨다. [빛은 횡파인가? 종파인가?] / ⓒ www.kiss7.kr)


편광의 원리는 바로 이런 것입니다. 빛이 어느 방향으로 움직이냐에 따라 세로방향 틈의 편광판을 달거나 가로방향 틈의 편광판을 달아서 걸러낼 수 있는 것입니다. 

그런데 종파는 나가는 방향과 흔들리는 방향이 같기 때문에 호스를 앞으로 내밀었다가 다시 당겼다가 해야 합니다. 결국, 앞에서 보면 상하나 좌우로 흔드는 것이 아니라 높이가 똑같습니다. 종파는 물의 강약만 달리질 뿐 계속 앞쪽으로만 향하는 것이기 때문에 세로모양 블라인드도, 가로모양 블라인드도 다 통과해 버립니다. 


사진: 횡파는 뱀처럼 옆으로 구불구불하며 전진하는 것이고 종파는 지렁이처럼 앞뒤로 접었다가 펴면서 전진한다. 앞 뒤로 뿌리는 물은 어떤 각도의 편광판도 통과해야 한다. 그런데 빛은 걸러지므로 횡파이다. [빛은 횡파인가? 종파인가?](사진: 횡파는 뱀처럼 옆으로 구불구불하며 전진하는 것이고 종파는 지렁이처럼 앞뒤로 접었다가 펴면서 전진한다. 앞 뒤로 뿌리는 물은 어떤 각도의 편광판도 통과해야 한다. 그런데 빛은 걸러지므로 횡파이다. [빛은 횡파인가? 종파인가?] / ⓒ www.kiss7.kr)


실제로 편광판을 이용하면 빛의 일부분만을 걸러 사용할 수 있습니다. 그러므로 편광이 된다는 것은 "빛이 횡파라는 증거"입니다. 

빛의 전진은 마치 뱀이 나아가는 것과 같습니다. 단, 뱀은 땅위에 있기 때문에 좌우로만 구불구불하게 전진하지만, 빛은 모든 방향으로 구불구불하게 횡파로 갑니다. 좌우, 상화, 사선, 모든 방향이 다 있습니다. 그 중에서 상하나 좌우로 파동되는 빛만 걸러내서 사용하는 장치가 '편광판'입니다. 





편광을 통해 영상을 보는 원리


일단 편광판을 통과한 빛은 한번 걸러낸 빛이기 때문에, 빛의 세기와 전류가 줄어들어 버린다는 것도 기억해야 합니다. 

그리고, 편광의 원리를 이용하면 두개의 편광판을 사용해서 빛을 완전히 차단할 수도 있습니다. 예를 들어, 수직편광판을 통과시킨 빛에 수평편광판을 대는 것입니다. 이미 수직으로 움직이는 성질의 빛만 남았기 때문에 수평인 편광판에서는 모두 막혀버리게 됩니다. 


사진: 빛이 횡파이므로 수직과 수평 편광판을 동시에 설치하면 차단할 수도 있다. 상하의 횡파만 남아있다면 좌우편광판을 통과하지 못하기 때문이다. [편광을 통해 영상을 보는 원리](사진: 빛이 횡파이므로 수직과 수평 편광판을 동시에 설치하면 차단할 수도 있다. 상하의 횡파만 남아있다면 좌우편광판을 통과하지 못하기 때문이다. [편광을 통해 영상을 보는 원리] / ⓒ www.kiss7.kr)


또한, 편광판을 사용할 때 빛을 전류의 세기로 표현하는 공식도 있는데 I = I x cos각도)^2입니다. 삼각비에서 cos0도의 값은 1이고 cos90도의 값은 0이라는 사실을 기억하고 설명을 보면 이해가 될 것입니다. 


 

(I는 전류, I0은 처음 전류, θ는 각도) 


만약 가로편광판과 세로편광판 두 개의 편광판을 설치했다면 서로 90도인 방향이 된 것입니다. 그러므로 전류 I가 들어왔다고 해도 I=I×(cos90)^2는 I=I×0이므로 "빛이 하나도 통과하지 못했다"고 답할 수 있습니다. 같은 방향 편광판을 써서 각도가 0인 cos0이라면 I=I×1이 되어서 "처음 전류와 통과한 전류의 세기가 같다"라고 하면 됩니다. 


사진: 지금까지의 빛의 횡파와 편광판의 원리를 최종설명하는 그림을 인용한다. 기본적으로 LCD는 수평, 수직 편광판이 다 설치되어 있다. 즉, 빛을 막아놓고 필요한 빛만 조절해서 내 보내준다. [편광을 통해 영상을 보는 원리](사진: 지금까지의 빛의 횡파와 편광판의 원리를 최종설명하는 그림을 인용한다. 기본적으로 LCD는 수평, 수직 편광판이 다 설치되어 있다. 즉, 빛을 막아놓고 필요한 빛만 조절해서 내 보내준다. [편광을 통해 영상을 보는 원리] / ⓒ leica-microsystems.com / www.kiss7.kr 편집)


CRT TV나 PDP TV의 경우에는 빛을 직접 화면에 쏘아서 전자가 충돌하는 것을 이용하므로 편광을 사용할 필요가 없습니다. 멀리서 별도의 광원인 전자총을 쏴주기 때문입니다. 

하지만 LCD TV, LED TV는 별도의 광원이 없고, 화면과 매우 가까운 액정 아래에 광원이 붙어 있습니다. 그러므로 빛을 골라내기 위해서는 편광판을 사용해야 하며, 빛의 양을 조절하기 위해서 '액정'도 함께 붙여야만 합니다. LCD TV, LED TV에서 편광판을 써야하는 이유는 바로 이것입니다. 

[저작권법 표시] 이 글의 원본: 키스세븐(www.kiss7.kr)


사진: 3D 안경 원리. 수직 횡파와 수평 횡파를 2대의 영사기에서 따로 보내주면, 수직 편광판과 수평 편광판의 좌우 안경에서 따로 받은 후 뇌에서 입체가 합성된다. [편광을 통해 영상을 보는 원리](사진: 3D 안경 원리. 수직 횡파와 수평 횡파를 2대의 영사기에서 따로 보내주면, 수직 편광판과 수평 편광판의 좌우 안경에서 따로 받은 후 뇌에서 입체가 합성된다. [편광을 통해 영상을 보는 원리] / ⓒ www.kiss7.kr)


마지막으로 3D 편광안경의 원리를 보겠습니다. 한 물체를 볼 때, 우리는 두 눈의 각도 차이 때문에 입체를 인식합니다. 이것을 인위적으로 만들어주는 것이 3D 편광안경의 원리입니다. 

먼저 2대의 영사기에서 영화화면을 쏠 때, 한쪽엔 가로편광판을, 또 한쪽엔 세로편광판을 거쳐서 발사합니다. 이 빛은 스크린에 반사된 후 우리 눈에 들어오는데, 눈 양쪽의 안경은 한쪽에 가로편광판만 있고, 다른 쪽에는 세로편광판만 있으므로 각각 다른 횡파의 영상신호를 보게 됩니다. 

결론적으로 3D 편광안경의 원리는 2대의 영사기 빛을 2개의 눈으로 각각 따로 받아서 보기 때문이라고 할 수 있겠습니다. 빛의 기술은 참으로 신비합니다. 



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