Chapter 18

측정과 화질 평가

"이 패널은 1000 nits, 명암비 1,000,000:1, ΔE < 1"이라는 사양서의 숫자는 모두 누군가가 어떤 장비로, 어떤 조건에서 잰 값이다. 같은 디스플레이도 측정 장비의 필터 오차, 렌즈 플레어, 예열 시간, 측정점 위치에 따라 숫자가 몇 배씩 달라진다. 이 장에서는 휘도·색도 측정의 원리에서 출발해 감마, 균일도, 무라, 명암비, 응답 시간과 플리커를 재는 법을 익히고, 측정값으로 디스플레이를 보정(캘리브레이션)한 뒤 ΔE00·색역·MTF·주관 평가로 화질을 수치화하는 전 과정을 직접 돌려 본다.

분광 복사계, 필터형 색채계, 이미징 휘도계, 고니오미터·코노스코프의 원리와 장단점을 설명하고 목적에 맞게 고를 수 있다.
스펙트럼에서 XYZ를 계산하고, 필터형 색채계의 등색 함수 불일치 오차가 좁은 스펙트럼(OLED·QD)에서 커지는 이유를 설명할 수 있다.
계조별 측정으로 감마/EOTF를 피팅하고, 9점·25점 균일도와 Δu′v′ 색 균일도, SEMU 기반 무라 지표를 계산할 수 있다.
명암비 측정에서 베일링 글레어·계측기 바닥·주변광이 만드는 함정을 알고, 3×3 행렬·1D/3D LUT 캘리브레이션 결과를 ΔE00으로 평가할 수 있다.

측정 장비: 무엇으로 빛을 재는가

디스플레이 측정의 기본량은 1장의 휘도(luminance, cd/m² = nits)와 2장의 색도(chromaticity, xy 또는 u′v′)다. 둘 다 결국 디스플레이가 내보내는 분광 복사휘도 $L_e(\lambda)$를 사람 눈의 등색 함수로 적분한 값이므로, 장비는 크게 스펙트럼을 직접 재는 것과 등색 함수를 흉내 낸 필터로 바로 적분하는 것으로 나뉜다. 여기에 화면 전체를 한 번에 찍는 카메라형, 각도를 바꿔 가며 재는 장비가 더해진다.

그림 18-1. 대표적인 디스플레이 측정 장비. 분광 복사계는 스펙트럼을 직접 재므로 기준기(reference)로 쓰이고, 필터형 색채계는 빠르지만 필터가 등색 함수와 완전히 같지 않아 오차가 생긴다. 이미징 휘도계는 화면 전체의 휘도·색 지도를 한 장에 얻고, 고니오미터(또는 코노스코프)는 각도에 따른 특성을 잰다.

측정기 속을 들여다보면 차이가 더 분명해진다. 분광 복사계(spectroradiometer)는 대물 렌즈로 화면의 작은 원(측정각 0.1°–2°)을 모아 슬릿을 통과시키고, 회절 격자로 파장을 펼쳐 수백 화소의 배열 검출기에 1–5 nm 간격으로 기록한다. 가운데 거울에 뚫린 구멍(aperture mirror)이 측정 영역이고, 나머지 빛은 뷰파인더로 보내 조준에 쓴다. 반면 필터형 색채계(filter colorimeter, tristimulus colorimeter)는 포토다이오드 세 개 앞에 $\bar x, \bar y, \bar z$ 모양을 흉내 낸 유리·간섭 필터를 붙여 적분 자체를 하드웨어로 한다.

그림 18-2. 분광 복사계(위)는 회절 격자로 스펙트럼을 펼쳐 기록하고 XYZ는 계산으로 얻는다. 필터형 색채계(아래)는 필터 셋과 포토다이오드로 적분을 광학적으로 끝내고, 3×3 보정 행렬로 XYZ를 만든다.

장비	측정량	속도	장점	약점	대표 용도
분광 복사계	S(λ), XYZ, xy, CCT	0.5 s – 수십 s	기준 정확도, 어떤 스펙트럼에도 정확	저휘도에서 느림·노이즈, 고가	기준 측정, 색채계 보정, 색역
필터형 색채계	XYZ (3채널)	수 ms	빠르고 저휘도 감도 좋음	필터 불일치, 디스플레이별 보정 필요	감마·캘리브레이션 자동화, 생산 라인
이미징 휘도/색채계	화소별 L, xy 2D 맵	수 s / 장	공간 정보, 무라 검출	렌즈 비네팅·플레어 보정 필요	균일도, 무라, 디머라 데이터
고니오미터 / 코노스코프	L(θ,φ), xy(θ,φ)	분(고니오) / 초(코노)	각도 특성 전체	장비 크기·정렬	시야각, 반사 특성(BRDF)
포토다이오드 + 오실로스코프	L(t)	µs 분해능	시간 응답	절대값 아님(상대 측정)	응답 시간, 플리커, PWM

기준기와 작업기

실무에서는 정확한 분광 복사계 한 대(기준기)로 같은 디스플레이를 함께 재서 빠른 색채계(작업기)의 3×3 보정 행렬을 만든 뒤, 생산 라인에서는 작업기만 쓴다. 이 "디스플레이 타입별 보정"이 왜 필요한지는 3절 시뮬레이터에서 직접 확인한다.

측정 표준과 측정 조건

숫자를 비교하려면 재는 방법이 같아야 한다. 디스플레이 업계의 대표 표준은 ICDM IDMS(Information Display Measurements Standard, SID 산하 국제 디스플레이 계측 위원회)로, 500쪽이 넘는 문서에 휘도·명암비·균일도·응답 시간·반사 측정 절차를 장비 배치 단위로 규정한다. 국제 표준으로는 IEC 62341(OLED), IEC 61747(LCD), IEC 62715(플렉서블), 소비전력용 IEC 62087 등이 있고, HDR 인증(VESA DisplayHDR, UHD Alliance)이나 플리커 인증도 각자의 측정 조건을 정한다.

그림 18-3. 표준 측정 배치. 암실에서 화면 중앙을 수직으로 겨누고, 측정 스팟이 수백 화소 이상을 덮도록 거리와 측정각을 정한다. 예열(warm-up)이 끝나 휘도가 안정된 뒤에 잰다.

측정 스팟의 크기는 기하학으로 바로 나온다. 측정각 θ, 거리 d일 때

$$ D = 2d\tan\frac{\theta}{2}, \qquad N_{\text{px}} \approx \frac{\pi}{4}\left(\frac{D}{p}\right)^2 $$

여기서 $p$는 화소 피치. d = 500 mm, θ = 2°면 D ≈ 17.5 mm. 65인치 4K TV(p ≈ 0.375 mm)에서는 약 1,700화소, 6.1인치 460 PPI 폰(p ≈ 55 µm)에서는 약 8만 화소를 평균한다. 측정 스팟이 너무 작으면 서브픽셀 구조(3장)가 그대로 잡혀 위치에 따라 값이 흔들린다.

조건 중 가장 흔히 무시되는 것이 예열(warm-up)이다. LCD 백라이트 LED는 온도가 오르면 효율이 떨어지고, 액정의 응답·복굴절도 온도에 따라 변한다. OLED는 자기 발열로 구동 TFT 특성과 발광 효율이 미세하게 바뀐다. 표준은 보통 "휘도 변화가 일정 시간 동안 ±0.5% 이내"가 될 때까지 기다리라고 규정한다.

SIMULATOR

예열 곡선 — 언제 재야 하나

광원

측정 시점 허용 오차

측정 시점 휘도—

안정값 대비 오차—

허용 오차 진입—

색도 이동 Δu′v′—

교육용 1차 지수 모델 $L(t) = L_\infty[1 + a\,e^{-t/\tau}]$. CCFL은 냉음극관 수은 증기압이 올라가며 휘도가 크게 증가(a < 0, τ ≈ 6분)하고, LED 백라이트는 접합 온도 상승으로 몇 % 감소(τ ≈ 10분), OLED는 변화가 작다. 재생 버튼을 누르고 붉은 구간(허용 오차 밖)에 측정하면 어떤 오차가 생기는지 보자.

측정 전 체크리스트

① 예열 ② 기본/표준 화질 모드와 동적 기능(ABL, 로컬 디밍, 동적 명암비, 화면 보호용 휘도 감소) 끄기 또는 기록 ③ 패턴 크기(APL; 전체 화면인지 10% 윈도우인지, 12장의 ABL 참고) ④ 측정 각도·거리·측정각 ⑤ 주변광 ⑥ 측정기 교정 이력. 사양서의 "피크 1000 nits"는 대개 10% 윈도우, 전체 화면은 그 절반 이하일 수 있다.

휘도·색도 측정과 필터형 색채계의 오차

분광 복사계는 분광 복사휘도 $L_e(\lambda)$[W·sr⁻¹·m⁻²·nm⁻¹]를 재고, 삼자극치는 등색 함수와의 적분으로 계산한다.

$$ X = K_m\!\int L_e(\lambda)\,\bar x(\lambda)\,d\lambda,\quad Y = K_m\!\int L_e(\lambda)\,\bar y(\lambda)\,d\lambda,\quad Z = K_m\!\int L_e(\lambda)\,\bar z(\lambda)\,d\lambda $$

여기서 $K_m = 683$ lm/W. $Y$가 곧 휘도(cd/m²)다. 색도는 $x = X/(X+Y+Z),\ y = Y/(X+Y+Z)$, 균등 색도는 $u' = 4X/(X+15Y+3Z),\ v' = 9Y/(X+15Y+3Z)$. 색도 차이는 $\Delta u'v' = \sqrt{\Delta u'^2 + \Delta v'^2}$로 쓰며, 0.004 안팎이 대략 눈에 띄는 경계다.

필터형 색채계는 이 적분을 필터로 대신한다. 필터 투과율 × 검출기 감도 = $\bar x'(\lambda)$가 $\bar x(\lambda)$와 조금이라도 다르면 측정값은 $X' = \int L_e \bar x'\,d\lambda$가 되어 오차 $\int L_e(\bar x' - \bar x)\,d\lambda$가 남는다. 백열등(CIE 표준광 A)처럼 넓고 매끈한 스펙트럼에서는 이 차이가 파장 전체에 걸쳐 평균되어 작지만, OLED·QD·레이저처럼 좁은 피크에서는 피크 위치의 필터 오차가 그대로 결과에 들어간다. 측광 분야에서는 이 불일치를 $f_1'$ 지수로 등급을 매긴다(좋은 휘도계 $f_1' < 3\%$).

$$ f_1' = \frac{\int \left|\bar y'^{*}(\lambda) - \bar y(\lambda)\right| d\lambda}{\int \bar y(\lambda)\, d\lambda},\qquad \bar y'^{*} = \bar y'\cdot\frac{\int S_A\,\bar y\,d\lambda}{\int S_A\,\bar y'\,d\lambda} $$

$S_A$: 표준광 A 스펙트럼. 표준광 A로 이득을 맞춘(정규화한) 뒤 남는 모양 차이를 적분한 것이다.

SIMULATOR

필터형 색채계의 등색 함수 불일치 오차

디스플레이 광원

표시 패치

필터 응답 오차 (리플 진폭) 이 디스플레이로 3×3 사용자 보정

참값 (x, y)—

색채계 (x, y)—

Δu′v′—

휘도 오차 ΔY—

f₁′ (ȳ 필터)—

왼쪽: 디스플레이 스펙트럼(채움)과 참 등색 함수(실선), 색채계 필터(점선). 오른쪽: 같은 필터로 네 광원의 흰색을 쟀을 때의 Δu′v′. 색채계는 표준광 A로 채널별 이득을 맞춘 상태로 가정했다(공장 교정). 실제 필터는 유리 필터를 겹쳐 등색 함수 모양을 흉내 내므로 파장에 따라 출렁이는 상대 오차(리플)가 남는데, 이를 채널마다 주기 31–47 nm의 사인 리플로 넣은 교육용 모델이다. "사용자 보정"을 켜면 이 디스플레이의 R·G·B를 분광 복사계로 함께 재서 만든 3×3 행렬이 적용된다.

시뮬레이터에서 필터 오차를 키워 보면 넓은 스펙트럼의 WLED LCD 흰색은 Δu′v′가 비교적 작게 남지만, 피크가 좁은 QD·레이저 광원에서는 같은 필터로도 오차가 몇 배로 커진다. 그래서 색채계 제조사는 "OLED용", "QD용" 보정 테이블을 따로 제공하고, 생산 라인에서는 기준 분광 복사계로 같은 패널의 R, G, B, W를 함께 재서 행렬을 만드는 4색 보정(four-color matrix method)을 쓴다. 디스플레이의 출력은 항상 세 원색 스펙트럼의 선형 결합이므로, 그 세 스펙트럼에서 맞춘 행렬은 같은 패널의 어떤 색에도 정확하다. 단, 원색 스펙트럼이 바뀌는 다른 기종에는 그대로 쓸 수 없다.

분광 복사계도 완벽하지는 않다

분광 복사계의 오차원은 파장 정확도(±0.3 nm), 대역폭(5 nm 대역폭이면 FWHM 20 nm 피크가 넓어 보임), 미광(stray light; 강한 피크 옆 파장에 새는 빛 — 청색 피크가 적색 채널에 섞여 저휘도 원색의 색도를 틀리게 함), 저휘도 노이즈다. 0.05 cd/m² 이하 블랙 측정에서는 분광 복사계도 수십 초 적분이 필요하고, 이때는 저노이즈 색채계가 오히려 정확할 수 있다.

감마와 EOTF 측정

디스플레이의 계조 특성은 입력 코드 $V$(0–1로 정규화)와 출력 휘도 $L$의 관계, 즉 EOTF(Electro-Optical Transfer Function)다(12장). SDR에서는 $L = L_w V^{\gamma} + L_b$ 꼴의 거듭제곱 법칙을 따르도록 맞추고, HDR에서는 PQ 곡선을 절대 휘도로 따라가는지를 본다. 측정은 간단하다. 회색 계조 패치를 11, 17, 33단계 등으로 차례로 띄우고 각 단계의 휘도를 잰다.

$$ \log\!\left(\frac{L - L_b}{L_w - L_b}\right) = \gamma \log V \quad\Rightarrow\quad \hat\gamma = \frac{\sum \ln V_i \,\ln \tilde L_i}{\sum (\ln V_i)^2},\qquad \gamma_{\text{local}}(V_i) = \frac{\ln \tilde L_i}{\ln V_i} $$

$\tilde L_i = (L_i - L_b)/(L_w - L_b)$: 블랙을 뺀 정규화 휘도. 원점을 지나는 log–log 직선 피팅의 기울기가 평균 감마 $\hat\gamma$이고, 점마다 계산한 $\gamma_{\text{local}}$(point gamma)이 계조별 감마 곡선이다. 캘리브레이션 소프트웨어는 보통 10–90% 구간에서 $\gamma_{\text{local}}$이 목표 ±0.1 안에 드는지 본다.

함정은 어두운 쪽이다. 블랙 휘도 $L_b$(LCD 0.1–0.4 nits, 주변광 반사 포함 시 더 큼)를 빼지 않으면 저계조에서 $L$이 기대보다 커져 국부 감마가 크게 낮아 보이고, 측정기 노이즈 바닥도 저계조 점을 흩뜨린다. 반대로 OLED처럼 $L_b \approx 0$인 패널에서는 저계조 TFT 편차·IR 드롭(9장) 때문에 실제 곡선이 무너지는 "블랙 크러시"가 측정으로 드러난다.

SIMULATOR

계조 측정 → log–log 감마 피팅

패널 실제 감마

측정 단계 수

측정 노이즈 블랙 휘도 L_b 저계조 크러시 블랙 오프셋 빼고 계산

피팅 감마 γ̂—

국부 감마 범위 (10–90%)—

명암비 L_w/L_b—

판정 (2.2 ± 0.1)—

흰색 $L_w$ = 300 nits. 위: log–log 축의 측정점(점)과 목표 2.2 직선(점선), 피팅 직선(실선). 아래: 계조별 국부 감마. 측정 노이즈는 상대 노이즈(%)에 0.005 nits의 측정기 바닥 노이즈를 더한 모델이다. 체크를 끄고 L_b를 키우면 저계조 국부 감마가 바닥으로 떨어지는 것을, 크러시를 키우면 반대로 치솟는 것을 볼 수 있다.

HDR EOTF 추종 측정

HDR10 모드에서는 PQ 코드값마다 목표 절대 휘도 $L = \mathrm{PQ}(V)$가 정해져 있으므로, 측정 휘도를 목표와 직접 비교한다. 10% 윈도우 패턴으로 재고, 피크 근처에서 톤 매핑으로 꺾이는 지점(롤오프)과 ABL로 낮아지는 휘도를 함께 기록한다. 오차는 보통 ΔL/L 또는 휘도를 포함한 ΔITP로 평가한다.

균일도: 9점·25점 측정과 색 균일도

같은 흰 화면도 위치마다 밝기와 색이 조금씩 다르다. LCD는 엣지형 백라이트의 도광판 분포, 확산 필름, 액정 셀 갭 편차가, OLED는 TFT 문턱전압 편차, 전원 배선의 IR 드롭, 증착 두께 분포가 원인이다(7장, 15장). 가장 흔한 평가는 정해진 위치 몇 곳을 점 측정기로 재는 것이다.

그림 18-4. 대표적인 균일도 측정 위치. 점 위치는 표준마다 조금씩 다르다(가장자리에서 10%, 1/6 지점 등). 점 수가 적으면 빠르지만, 점 사이에 있는 국부 결함은 놓친다.

$$ U_L = \frac{L_{\min}}{L_{\max}}\times 100\%,\qquad \text{비균일도} = \frac{L_{\max}-L_{\min}}{L_{\text{center}}},\qquad \Delta u'v'_{\max} = \max_{i,j}\sqrt{(u'_i-u'_j)^2+(v'_i-v'_j)^2} $$

$U_L$: 휘도 균일도(가장 흔한 정의). 색 균일도는 측정점 사이 색도 차이의 최댓값(또는 중앙 대비 최댓값). 모니터 사양은 보통 휘도 균일도 75–85% 이상, 전문가용 모니터는 하드웨어 균일도 보정으로 95% 이상·Δu′v′ < 0.004를 목표로 한다.

SIMULATOR

패널 휘도 맵과 균일도 측정

불균일 유형

측정 점 수

불균일 세기 의사 색상(false color) 표시

휘도 균일도 min/max—

색 균일도 Δu′v′ max—

전체 맵 실제 min/max—

점 측정이 놓친 차이—

패널 중앙 휘도 300 nits로 정규화한 교육용 맵(명암과 색 편차를 강조해 표시). 점 측정 결과는 아래 표에 위치별 휘도(nits)로 나오고, 가장 어두운 점은 빨간색, 가장 밝은 점은 초록색이다. 국부 얼룩은 9점 측정 격자 사이에 놓이면 거의 잡히지 않지만 이미징 휘도계의 전체 맵 min/max에는 드러난다.

균일도는 계조마다 다르다

흰 화면에서 95%인 패널도 회색 10% 계조에서는 TFT 편차가 상대적으로 커져 균일도가 크게 나빠질 수 있다(OLED의 "저계조 무라"). 그래서 디머라 데이터는 여러 계조(예: 16, 32, 64, 128, 224 레벨)에서 따로 측정한다.

무라: 유형, SEMU 지표, 자동 검출

무라(mura, 斑 — 일본어로 '얼룩')는 경계가 흐릿하고 대비가 낮은 국부적 밝기 얼룩이다. 수치로는 1–3% 차이에 불과해도 사람 눈은 넓은 영역의 낮은 대비에 민감하기 때문에(1장의 대비 감도 함수) 불량으로 판정된다. 원인에 따라 모양이 달라 유형별로 부른다.

그림 18-5. 무라의 네 유형(위)과 SEMU의 기준이 되는 JND 대비 곡선(아래 오른쪽). 면적이 클수록 더 낮은 대비도 눈에 띈다. 같은 1% 얼룩이라도 1 mm² 점이면 안 보이지만 수백 mm²의 구름이면 보인다.

무라를 객관적으로 수치화하는 대표 지표가 SEMU(SEMI Mura, SEMI D31 표준)다. 검출된 얼룩의 평균 대비를 같은 면적에서 사람이 겨우 알아보는 대비(JND, Just Noticeable Difference)로 나눈다.

$$ \mathrm{SEMU} = \frac{|C_x|}{C_{jnd}},\qquad C_{jnd}(S_x) = \frac{1.97}{S_x^{0.33}} + 0.72\ [\%] $$

$C_x$: 얼룩의 평균 대비(%) $= (L_{\text{mura}} - L_{\text{bg}})/L_{\text{bg}}$, $S_x$: 얼룩 면적(mm²). SEMU = 1이면 "평균적인 관찰자가 겨우 알아보는" 수준이다. 실무에서는 패널 등급을 SEMU 문턱(예: 0.5, 1)으로 나눈다.

이미징 휘도계로 찍은 영상에서 무라를 자동으로 찾는 기본 흐름은 ① 렌즈 비네팅·모아레 보정 ② 배경 추정과 제거(완만한 전체 기울기는 무라가 아니므로 저차 다항식이나 큰 저역 필터로 배경을 만들어 나눈다) ③ 잡음을 줄이는 평활화 ④ 대비 문턱으로 이진화 ⑤ 블롭(연결 성분) 분석으로 영역별 면적·대비 → SEMU 계산이다.

SIMULATOR

무라 검출 파이프라인 스텝퍼

무라 유형

무라 대비 검출 문턱 |C|

단계

검출 블롭—

최대 SEMU—

판정—

절차적으로 만든 6.5인치 패널(143 × 80 mm) 영상: 완만한 휘도 기울기 + 측정 노이즈 + 무라. 배경은 2차 다항식 최소제곱 피팅으로 추정했고(얼룩에서 먼 화소만으로 두 번 피팅), 대비 영상은 3×3 평활 후 $C = I/B - 1$이다. 면적이 8화소(약 4 mm²) 미만인 블롭은 노이즈로 버린다. 문턱이 너무 낮으면 노이즈가, 너무 높으면 클라우드 무라의 가장자리가 잘려 면적이 작아진다.

디머라: 측정한 무라를 지우기

OLED 생산 라인은 모든 패널을 이미징 휘도계로 여러 계조에서 찍고, 화소(또는 블록)별 보정 계수를 계산해 DDIC 플래시 메모리에 저장한다. 디스플레이는 입력 코드에 이 계수를 곱하고 더해 무라를 상쇄한다(14장의 디머라). 측정 해상도가 패널보다 낮으면 무아레가 생기므로, 카메라 화소 여러 개가 패널 화소 하나를 덮도록(예: 3×3) 고해상도 카메라와 화소 정합 알고리즘을 쓴다.

캘리브레이션: 측정에서 보정까지

캘리브레이션(calibration)은 측정으로 디스플레이의 실제 특성(원색 xy, 흰색, 채널별 톤 곡선)을 알아낸 뒤, 목표 표준(sRGB, DCI-P3, BT.2020, D65, 감마 2.2/2.4)과 같아지도록 신호를 미리 변형하는 것이다. 엄밀히는 측정해서 상태를 기록하는 것이 캘리브레이션, 보정 데이터를 만드는 것이 프로파일링/특성화(characterization)지만 실무에서는 합쳐 부른다.

그림 18-6. 캘리브레이션 루프(위)와 디스플레이 안의 색 처리 파이프라인(아래). 3×3 행렬은 채널이 선형으로 더해진다는(가법성) 가정에서만 정확하고, 3D LUT는 비가법성까지 보정하지만 메모리와 측정 패치 수가 많다.

3×3 행렬은 원색 R, G, B의 XYZ를 열로 갖는 행렬 $\mathbf M_{\text{panel}}$로 만든다. 목표 색공간의 행렬을 $\mathbf M_{\text{target}}$이라 하면

$$ \begin{bmatrix} R \\ G \\ B\end{bmatrix}_{\text{panel, lin}} = \mathbf M_{\text{panel}}^{-1}\,\mathbf M_{\text{target}} \begin{bmatrix} R \\ G \\ B\end{bmatrix}_{\text{content, lin}},\qquad \mathbf M_{\text{panel}} = \begin{bmatrix} X_R & X_G & X_B\\ Y_R & Y_G & Y_B \\ Z_R & Z_G & Z_B\end{bmatrix} $$

선형 값은 1D LUT로 감마를 푼 값이다. 흰색은 $\mathbf M_{\text{panel}}[1,1,1]^T$가 목표 흰색(D65)과 같은 색도가 되도록 채널 이득을 낮춰 맞추므로, 화이트 포인트 보정은 최대 휘도를 몇 % 희생한다. 패널이 목표보다 넓은 색역(예: P3 패널에 sRGB 콘텐츠)이면 원색이 안쪽으로 당겨지고, 좁으면 클리핑이 남는다.

보정 결과는 색 패치 세트(대표적으로 24색 컬러 체커)를 띄우고 측정한 값과 목표 값의 ΔE00(10절)으로 평가한다. 평균 ΔE00 < 1이면 "전문가 수준", < 2면 일반인이 차이를 거의 못 느끼는 수준으로 본다.

SIMULATOR

캘리브레이션 전·후 ΔE00 — 24색 패치

보정 방식

패널 원색 색역 (sRGB→P3) 패널 흰색 CCT 채널 비가법성 (휘도 처짐 강도)

평균 ΔE00—

최대 ΔE00—

흰색 CCT / Δu′v′—

흰색 휘도 (보정 손실)—

sRGB 콘텐츠(24색 패치, 각 칸 위쪽 = 목표, 아래쪽 = 화면에 실제로 표시된 색)를 원색이 넓고 흰색이 푸르며 채널별 감마가 다른(R 2.35, G 2.2, B 2.05) 가상 패널(최대 400 nits)에 보낸다. 막대는 패치별 ΔE00(점선 1, 2, 5). 비가법성은 여러 채널을 동시에 켤 때 휘도가 처지는 효과(전원 IR 드롭, 액정 크로스토크)로, 3×3 행렬로는 못 고치고 3D LUT만 고친다. 1D LUT + 3×3에는 원색 측정 오차(0.6%)를, 3D LUT에는 17³ 격자 보간 잔차를 작게 넣었다. sRGB 밖의 색은 이 화면에서 잘려 보이므로 아래 칸의 색 차이는 실제보다 작게 보일 수 있다.

"보정 없음"이 생생해 보이는 이유

P3 패널에 sRGB 이미지를 그대로 보내면 모든 색이 더 진해진다(채도 과장). 매장에서는 이것이 매력적으로 보이지만 피부색과 브랜드 색이 틀어진다. 스마트폰의 "자연스러운/선명한" 화면 모드 차이가 바로 이 3×3 색 관리 적용 여부다.

명암비 측정의 함정

명암비는 $CR = L_{\text{white}}/L_{\text{black}}$라는 단순한 비율이지만, 분모인 블랙 휘도가 매우 작아서 측정 구성의 작은 차이가 결과를 몇 자릿수씩 바꾼다. 대표적인 세 가지 방식이 있다.

그림 18-7. 명암비 측정 구성. 풀온/풀오프는 패널이 낼 수 있는 최대 동작 범위를, ANSI 체커보드는 한 화면 안에서 동시에 존재하는 명암비를 잰다. 체커보드에서는 측정기 렌즈 안의 산란(베일링 글레어)과 패널 내부 산란이 검은 칸을 밝힌다.

$$ CR_{\text{meas}} = \frac{L_W + L_{\text{amb}}}{L_K + g\,\bar L_{\text{surr}} + L_{\text{amb}} + L_{\text{floor}}},\qquad L_{\text{amb}} = \frac{R_d\,E}{\pi} $$

$L_K$: 패널 고유 블랙, $g$: 측정기 베일링 글레어 계수(주변 평균 휘도 $\bar L_{\text{surr}}$이 측정 스팟에 새는 비율, 일반 렌즈 0.5–2%, 프러스텀 사용 시 0.05% 이하), $R_d$: 확산 반사율, $E$: 주변 조도(lx), $L_{\text{floor}}$: 측정기 감도 바닥. 13장의 주변광 명암비와 같은 식이다.

ICDM은 글레어를 따로 측정해 빼는 방법도 제시한다. 측정 스팟 크기의 검은 마스크(또는 거울로 반사시킨 어두운 점, 미러링 기법)를 화면 앞에 놓고 재면, 그 값이 순수하게 글레어 성분이다. OLED의 "무한대 명암비"는 풀오프 블랙이 측정기 바닥 아래라는 뜻일 뿐이며, 체커보드와 주변광을 넣으면 수백–수천:1 수준으로 내려온다.

SIMULATOR

측정 구성에 따라 달라지는 명암비

디스플레이

측정기 베일링 글레어 g 주변 조도 E 측정기 바닥 L_floor 프러스텀(원뿔 마스크) 사용 — g × 0.05

풀온/풀오프 (암실)—

ANSI 체커보드—

주변광 포함 ANSI—

패널 고유값—

로그 막대. 패널 모델: IPS(400 nits, 블랙 0.33), VA(400, 0.08), 미니LED(1000, 풀오프 시 존 소등 0.001, 체커보드에서는 존 블루밍으로 약 0.25), OLED(800, 블랙 0.0001, 체커보드 내부 할레이션 0.008). 반사율은 IPS 2%, VA 2%, 미니LED 1.5%, OLED 0.8%(원편광판). 체커보드(APL 50%)에서는 ABL 때문에 흰 칸 휘도도 낮아진다(OLED 55%, 미니LED 80%). 풀오프 측정에도 측정기 바닥은 들어간다.

응답 시간·플리커·시야각 측정

시간 특성은 빠른 포토다이오드(photodiode)와 트랜스임피던스 증폭기(TIA)를 화면에 대고 오실로스코프로 휘도 파형 $L(t)$를 기록해 잰다. 절대 휘도가 필요 없으므로 상대 측정이지만, 검출기에 $V(\lambda)$ 보정 필터를 달아야 색에 따라 응답이 왜곡되지 않는다. 대역폭은 수백 kHz 이상, 측정 영역은 수 mm로 해 주사 방향(위→아래로 갱신되는 순차 주사)의 시간차가 섞이지 않게 한다.

그림 18-8. 응답 시간 측정 구성과 정의. 시작 휘도와 끝 휘도 차이의 10%에서 90%까지 걸린 시간을 응답 시간으로 쓰며, 여러 계조 쌍 조합의 평균을 GtG(Gray-to-Gray) 응답 시간이라 한다. 오버드라이브 과도(overshoot) 크기도 함께 보고한다(11장).

$$ t_{r} = t_{90\%} - t_{10\%} = \tau\ln 9 \approx 2.2\tau,\qquad \text{플리커 변조도} = \frac{L_{\max}-L_{\min}}{L_{\max}+L_{\min}}\times100\%,\qquad \text{FI} = \frac{\int_{L>\bar L}(L-\bar L)\,dt}{\int L\,dt} $$

첫 식은 1차 지수 응답일 때. 플리커 변조도(percent flicker)와 플리커 지수(FI)는 한 주기 동안 계산한다. IEEE 1789는 주파수 $f$(Hz)에서 저위험 기준 변조도를 $0.08f$% 이하(90 Hz–1.25 kHz), 무영향 기준을 $0.0333f$% 이하로 두고, 3 kHz 이상은 제한하지 않는다. 단 실제 시각 위험은 눈을 움직일 때 보이는 팬텀 어레이 효과까지 고려해야 한다.

SIMULATOR

포토다이오드 + 오실로스코프 가상 측정

측정 항목

응답 시정수 τ PWM 주파수 PWM 듀티 (밝기) 검출기 노이즈

상승 시간 t_r—

플리커 변조도—

플리커 지수 FI—

IEEE 1789 판정—

화면 폭 = 40 ms(4 ms/div). 응답 시간 모드는 60 Hz에서 두 프레임마다 휘도 20% ↔ 80%를 바꾸고, 노란 커서가 10%·90% 교차점을 자동으로 찾는다. PWM 모드는 OLED 밝기 조절처럼 발광을 켜고 끄는 파형에 발광 소자의 RC 응답(τ의 1/20)을 넣었다. 주파수 슬라이더는 60 Hz–4 kHz 로그 눈금.

시야각은 고니오미터로 θ를 5°씩 돌리며 재거나, 코노스코프(conoscope)로 한 번에 잰다. 코노스코프는 대물 렌즈의 후초점면(푸리에면)에서는 같은 각도로 나온 빛이 한 점에 모인다는 성질을 이용해, 2D 센서의 위치 (x, y)를 방출 각도 (θ, φ)로 대응시킨다. ±80° 전체 시야각 지도를 수 초 만에 얻는다.

그림 18-9. 코노스코프의 원리. 같은 각도로 나온 광선(같은 색)은 위치와 관계없이 후초점면의 한 점에 모인다. 센서 위의 반경 $r = f\tan\theta$가 방출 각도에, 방위각이 φ에 대응한다.

SIMULATOR

시야각 측정: 휘도 감소와 색 변화

디스플레이

측정 각도 θ

L(θ)/L(0)—

Δu′v′(θ)—

반휘도 각 (50%)—

Δu′v′ = 0.02 시야각—

흰색 표시 기준의 교육용 근사 모델. 위: 휘도 비율(점선은 램버시안 cos θ, 흐린 선은 다른 디스플레이). 아래: 정면 대비 색도 이동. VA는 정면 명암비가 높지만 측면에서 감마가 무너지고, RGB OLED는 마이크로캐비티(8장) 때문에 큰 각도에서 색이 급격히 이동한다. 시야각 사양의 "178°"는 대개 명암비 10:1 기준이라 색 변화와는 별개다.

화질 지표: ΔE00, 색역, MTF, 주관 평가

측정값을 하나의 "화질 점수"로 줄이는 지표들은 모두 사람의 지각을 근사하려는 시도다. 가장 많이 쓰는 ΔE00(CIEDE2000)은 CIELAB의 단순 유클리드 거리(ΔE76)가 채도가 높은 영역과 청색 영역에서 지각과 어긋나는 것을 보정한다.

$$ \Delta E_{00} = \sqrt{\left(\frac{\Delta L'}{k_L S_L}\right)^2 + \left(\frac{\Delta C'}{k_C S_C}\right)^2 + \left(\frac{\Delta H'}{k_H S_H}\right)^2 + R_T\,\frac{\Delta C'}{k_C S_C}\,\frac{\Delta H'}{k_H S_H}} $$

$L', C', H'$: 명도·채도·색상(a*를 무채색 근처에서 늘려 보정한 값), $S_L, S_C, S_H$: 위치에 따른 가중치(채도가 높을수록 $S_C$가 커져 같은 Δ가 덜 중요), $R_T$: 청색 영역(색상각 275° 근처)의 회전 항. $k_L=k_C=k_H=1$(표준 관찰 조건). 대략 1 ≈ 나란히 놓고 겨우 구분, 2–3 ≈ 일반인도 차이 인지, 5 이상 ≈ 다른 색.

지표	정의 / 측정	좋은 값 예	주의
색 정확도 ΔE00	패치 세트 측정 vs 목표	평균 < 1, 최대 < 3	패치 세트·휘도 정규화 방법에 따라 달라짐
색역 면적비 / 커버리지	xy 또는 u′v′ 삼각형 면적(2장)	DCI-P3 커버리지 95–99%	면적비는 100% 넘을 수 있음, 커버리지는 겹친 면적만. u′v′가 지각에 더 균등
색 볼륨	휘도까지 포함한 3D 색 공간 부피(ICtCp 등)	BT.2020 대비 %	HDR에서 밝은 고채도색 표현력
MTF / 선명도	사인파·슬랜티드 에지 패턴을 카메라로 찍어 공간 주파수별 대비 전달	나이퀴스트 근처 MTF	서브픽셀 배열, 서브픽셀 렌더링, 스케일러 영향(3장)
모션 화질 MPRT	추적 카메라·펄스 기법으로 움직이는 에지 블러 폭(11장)	수 ms 이하	응답 시간과 별개, 홀드 시간이 지배
주관 평가 MOS	여러 관찰자의 1–5점 평균(ITU-R BT.500)	신뢰구간이 겹치지 않아야 유의	관찰자 수, 시청 조건, 순서 효과

MTF(Modulation Transfer Function)는 공간 주파수 $f$의 사인파 패턴을 띄웠을 때 화면에서 측정된 변조도 비율 $\mathrm{MTF}(f) = M_{\text{out}}(f)/M_{\text{in}}(f)$이다. 디스플레이는 화소가 불연속인 표본화 장치이므로 같은 해상도라도 펜타일 배열의 적·청 채널, 스케일링 필터, 광학 확산 필름에 따라 MTF가 달라진다. 이미징 측정기의 MTF가 디스플레이보다 높아야 하므로 렌즈·센서 선택이 중요하다.

마지막으로, 어떤 수치 지표도 결국 사람의 판단을 근사할 뿐이다. 새 화질 알고리즘(톤 매핑, 업스케일링, 로컬 디밍)을 비교할 때는 ITU-R BT.500·P.910에 따라 시청 조건을 통제하고 15명 이상의 관찰자에게 5점 척도(ACR) 또는 쌍대 비교로 점수를 받아 MOS(Mean Opinion Score)와 95% 신뢰구간을 구한다.

$$ \mathrm{MOS} = \frac1N\sum_{i=1}^{N} s_i,\qquad \mathrm{CI}_{95} = \mathrm{MOS} \pm 1.96\,\frac{\sigma_s}{\sqrt N} $$

$s_i$: 관찰자 $i$의 점수(1 나쁨 – 5 매우 좋음), $\sigma_s$: 점수 표준편차. 관찰자 수가 적으면 $1.96$ 대신 t-분포 값을 쓴다. 두 조건의 신뢰구간이 겹치지 않으면 확실히 유의한 차이이고, 같은 관찰자가 두 조건을 모두 평가했다면 점수 차이에 대한 짝 비교 t-검정이 더 민감하다.

SIMULATOR

주관 평가 MOS — 관찰자 몇 명이면 충분한가

A의 참 화질 B의 참 화질 관찰자 수 N 관찰자 편차 σ

MOS A ± CI—

MOS B ± CI—

판정—

200회 반복 시 검출률—

관찰자마다 개인 편향(σ의 절반)과 판단 잡음이 있고, 점수는 1–5 정수로 반올림된다. 위: A·B 점수 히스토그램. 아래: MOS와 95% 신뢰구간(점선 = 참 화질). 판정은 같은 관찰자가 A·B를 모두 평가한 짝 비교 t-검정(유의수준 5%)으로 했다 — 개인 편향이 상쇄되므로 신뢰구간 겹침 기준보다 민감하다. 참 화질 차이 0.4를 N = 12명으로 검출할 확률은 그리 높지 않다. 검출률(검정력)을 80% 이상으로 올리려면 몇 명이 필요한지 찾아보자.

객관 지표와 주관 평가의 연결

HDR 색 오차에는 휘도까지 포함한 ΔITP(ITU-R BT.2124), 영상 압축·처리 화질에는 PSNR·SSIM·VMAF 같은 계산 지표를 쓴다. 이런 지표의 가치는 대규모 MOS 데이터와 얼마나 높은 상관(예: 피어슨 상관 0.9 이상)을 보이는가로 검증된다. 측정은 사람을 대신하는 것이 아니라 사람이 내릴 판단을 빠르고 반복 가능하게 예측하는 도구다.

핵심 정리

분광 복사계는 스펙트럼을 직접 재 XYZ를 계산하므로 기준기로, 필터형 색채계는 빠르지만 필터–등색 함수 불일치 때문에 디스플레이별 3×3(4색) 보정이 필요하다.
좁은 스펙트럼(OLED·QD·레이저)일수록 필터 오차가 평균되지 않아 색채계의 Δu′v′ 오차가 커진다. f₁′은 휘도계 필터 불일치를 나타내는 지수다.
표준(ICDM IDMS, IEC)은 암실, 수직 측정, 측정각·거리(스팟 ≥ 500화소), 예열 후 안정(±0.5%) 같은 조건을 정한다. 조건이 다르면 숫자를 비교할 수 없다.
감마는 계조별 휘도를 블랙 오프셋을 빼고 log–log 피팅해 구하며, 국부 감마 곡선이 저계조의 블랙 레벨·크러시 문제를 드러낸다.
휘도 균일도는 보통 min/max(%), 색 균일도는 Δu′v′ 최댓값으로 표시한다. 점 측정 수가 적으면 국부 결함을 놓치므로 이미징 휘도계 전체 맵이 필요하다.
무라는 SEMU = |C|/C_jnd(S)로 정량화한다. 검출 파이프라인은 배경 제거 → 평활화 → 대비 문턱 → 블롭 분석이며, 측정 결과는 디머라 보정 데이터로 이어진다.
캘리브레이션은 1D LUT(톤·그레이 밸런스), 3×3 행렬(원색·흰색), 3D LUT(비가법성 포함)로 하고, 보정 결과는 24색 패치의 평균/최대 ΔE00으로 검증한다.
명암비는 풀온/풀오프, ANSI 체커보드, 주변광 포함 값이 몇 자릿수까지 다르다. 베일링 글레어·측정기 바닥·반사가 블랙을 부풀린다.
응답 시간은 10–90% 상승/하강 시간(1차 응답이면 2.2τ), 플리커는 변조도·플리커 지수와 주파수로 평가하고, 시야각은 고니오미터 또는 코노스코프(r = f tanθ)로 잰다.
ΔE00·색역 커버리지·MTF 같은 객관 지표는 MOS 주관 평가와의 상관으로 정당화되며, MOS는 관찰자 수에 따른 신뢰구간과 함께 보고해야 한다.

확인 퀴즈

1. 같은 필터형 색채계로 WLED LCD와 레이저 광원 디스플레이의 흰색을 쟀더니 레이저 쪽 색도 오차가 훨씬 컸다. 가장 큰 이유는?

측정 오차는 $\int L_e(\bar x' - \bar x)\,d\lambda$다. 넓은 스펙트럼에서는 $\bar x'-\bar x$의 양·음이 상쇄되지만, 좁은 피크는 특정 파장의 오차를 그대로 곱한다. 그래서 디스플레이 타입별(4색) 보정 행렬이 필요하다.

2. 측정각 2°, 측정 거리 500 mm일 때 화면 위 측정 스팟 지름은 대략?

$D = 2d\tan(\theta/2) = 2\times500\times\tan 1° \approx 17.5$ mm. 화소 피치 0.375 mm인 65인치 4K TV라면 약 1,700화소를 평균한다.

3. LCD의 감마를 측정할 때 블랙 휘도(0.3 nits)를 빼지 않고 log–log 피팅을 하면 저계조 국부 감마는 어떻게 보이나?

저계조에서 $L$에 블랙 오프셋이 더해져 정규화 휘도가 커지고, $\ln \tilde L / \ln V$의 크기가 작아진다. 즉 국부 감마가 목표보다 낮게(밝은 쪽으로 들뜬 것처럼) 나온다.

4. 9점 측정 결과 최솟값 255 nits, 최댓값 300 nits였다. 휘도 균일도(min/max)는?

255/300 = 0.85 → 85%. 단 9점 사이에 국부 결함이 있으면 이 숫자에 나타나지 않으므로, 무라 판정에는 이미징 휘도계 전체 맵을 쓴다.

5. 대비 1.5%인 얼룩 두 개가 있다. 하나는 면적 1 mm², 다른 하나는 300 mm²다. SEMU(C_jnd = 1.97/S^0.33 + 0.72 %)로 판정하면?

1 mm²: C_jnd = 1.97 + 0.72 = 2.69% → SEMU ≈ 0.56. 300 mm²: S^0.33 ≈ 6.6, C_jnd ≈ 0.30 + 0.72 = 1.02% → SEMU ≈ 1.47. 넓은 얼룩일수록 낮은 대비도 눈에 띈다.

6. 채널을 여러 개 동시에 켜면 휘도가 처지는 비가법성이 큰 패널이다. 이 오차까지 보정할 수 있는 방식은?

3×3 행렬은 출력이 각 채널 기여의 선형 합이라는 가정에서만 정확하다. 3D LUT는 입력 RGB 조합마다 출력을 따로 지정하므로 비가법성과 채널 간 상호작용까지 흡수한다.

7. OLED의 ANSI 체커보드 명암비가 풀오프 측정(측정기 바닥까지 내려간 블랙)보다 훨씬 낮게 나왔다. 가장 그럴듯한 주원인은?

측정 블랙 ≈ $L_K + g\bar L_{\text{surr}}$. OLED는 $L_K$가 거의 0이라 g = 1%만 되어도 블랙이 주변 평균 휘도(흰 칸의 절반)의 1%가 되어 명암비가 약 200:1까지 떨어져 보인다. 프러스텀이나 글레어 보정이 필요하다.

8. 1차 지수 응답(시정수 τ = 3 ms)을 갖는 LCD의 10–90% 상승 시간은?

$t_r = \tau\ln(0.9/0.1) = \tau \ln 9 \approx 2.197\tau$ → 약 6.6 ms. 60 Hz 프레임(16.7 ms) 안에 끝나지만 120 Hz(8.3 ms)에서는 빠듯하다.