식품의 색은 소비자의 기호도와 식품의 품질을 결정하는 중요한 인자로, 소비자뿐만 아니라 생산자에게도 식품의 성숙도, 변질 여부, 신선도 및 저장 기간 등의 상태를 가늠할 수 있는 지표 중 하나로 여겨진다(Kim과 Kwon, 2001). 식품의 객관적인 색상이 표현될 수 있는 색 공간 모델인 국제조명위원회(Commission Internationale de l’Eclairage, CIE)의 CIE L*a*b* 색상 시스템이 산업뿐만 아니라 다양한 연구 분야에서도 색상을 측정하는 척도로 활용되고 있다. 이 모델은 CIE 기구에 의하여 1976년 재정립된 3차원 색 공간 체계로, CIE L*a*b* 또는 CIE LAB으로 명명되며, 인간의 색채 인지에 관한 연구를 바탕으로 정의되었다(Sappi, 2013; Cho 등, 2018). 이 시스템은 넓은 범위의 가시광선 스펙트럼 표현이 가능하며 디스플레이 장비에 구애받지 않고 휘도 축을 통해 인간이 느끼는 밝기에 대응하도록 설계된 특징을 가진다(Cho 등, 2018). L*은 명도(lightness), a*는 적색(red)에서 녹색(green), b*는 황색(yellow)에서 청색(blue)을 나타낸다.

대부분의 식품 연구에서는 색차계를 이용하여 식품의 색도를 측정한 값을 단순히 표(Table)를 활용하여 제시하고 있다(Lee 등, 2008; Cho 등, 2016; Choi 등, 2020). 색차계는 측정 대상의 특정 파장을 흡수 또는 반사하면서 발현되고 가시광선에 의해 빛이 반사되거나 투과되는 비율을 나타내는 원리를 가지며, 색상이 재현성 있게 생산되어야 하는 제품의 품질관리 및 표면색 측정에 활용된다(Choudhury, 2014). 인간의 눈으로 색을 수치화하기는 어렵지만, 색차계는 색의 수치를 통해 국제적으로 규격화된 값으로 표현할 수 있다. 또한, 일정한 광원과 조명에 의해 색을 측정하기 때문에 주위 조건에 의존하지 않고 색을 측정할 수 있어 식품의 품질관리, 연구개발 등에 활용되고 있다. 이러한 장비의 사용은 색 정보를 측정할 때 시료의 손실이나 변형 없이 광학 정보를 측정할 수 있게 하며, 시료 분석의 효율을 높이고 결과를 수치로 확인할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 같은 측정 대상일지라도 관찰자에 따라 주관적으로 판단할 수 있는 색상에 대한 정보를 CIE LAB 시스템을 통해 객관적인 수치로 제시할 수 있다. 하지만 수치만으로는 독자가 측정 대상 간의 색의 차이 정도를 직접적으로 추측하거나 판단하기 어려운 측면이 있을 수 있다(Falomir-Lockhart 등, 2015; Salueña 등, 2019). 또한 제시된 값을 활용해 색상을 인지하기 위해서는 색 변환 프로그램이나 관련 웹사이트를 통해 확인해야 하는 번거로움이 따르며, 이로 인해 개인마다 측정 시료의 본색을 잘못 이해할 가능성도 존재한다. 식품에서 이러한 측색 정밀장비를 통해 표현되는 값이 실제 육안으로 관찰되는 색상을 반영할 수 있는지에 관한 연구는 거의 이루어지지 않고 있다. 따라서 연구자가 측정된 값 및 색상 이미지를 함께 제시함으로써 독자에게 식품의 올바른 이미지 정보를 전달할 필요성이 있다.

최근에는 다양한 분야의 연구자들이 고가의 측색 정밀장비를 사용하지 않고도 손쉽게 시료의 색 좌표 정보를 얻을 수 있는 새로운 방안이 시도되고 있다(Wu와 Sun, 2013; Yoo 등, 2019). 측색 전문장비가 아닌 편이성과 보급률이 높은 비전문장비를 사용해서 얻은 이미지의 색 정보를 기존의 방식과 비교한 연구들은 대부분 전문장비의 측정이 유리하다고 보고하고 있다(de Bragança 등, 2021; Ferreira 등, 2022). 현재 기존의 방식을 완전히 대체할 수는 없는 실정이지만 휴대전화 카메라와 같은 비전문장비의 기술적 사양과 정교성이 계속 향상됨에 따라 다양한 분야에서 효율적인 색 측정을 위한 방법들이 시도되고 있다.

전문정밀장비인 색차계의 측정 방법은 측정 대상의 표면에 렌즈를 맞대어 일부분을 측정하는 반면, 비전문장비인 휴대전화 카메라는 상대적으로 측정 대상 전체를 촬영하여 이미지를 얻는다. 색차계와 휴대전화 카메라와의 비교는 측정원리 및 측정 방법의 차이로 인해 동등한 선상에서의 비교분석은 다소 무리한 측면이 있을 수 있으나, 식품 시료의 색상을 전문장비보다 잘 나타낼 수 있는 비전문장비의 측색 적용 가능성을 확인해보는 측면에서 필요가 있다. 또한 기존 전문장비의 한계점을 보완하기 위해 식품 시료 측색 시 객관적인 데이터를 얻을 수 있는 다양한 방법들이 제시될 필요성이 있다.

따라서 본 연구에서는 색차계로 식품 시료의 색 측정 시 CIE L*a*b* 값이 아닌 색상 이미지를 제시하는 방법을 소개하고자 한다. 나아가 색차계가 아닌 장치(휴대전화 카메라)를 사용하여 색상을 측정한 결과와 비교하여 실제 식품 연구에서의 적용 가능성을 검토하였다.

색도 측정

Microsoft Excel(Redmond, WA, USA)의 색상 팔레트(color palette)에서 임의로 다섯 지점을 지정하고 좌측 측정 지점부터 편의상 A, B, C, D, E로 명명하였다(Fig. 1). 표준 백색판(L*=95.69, a*=-1.45, b*=2.79)으로 보정한 색차계(CR-400, Konica Minolta Co., Osaka, Japan)와 휴대전화 카메라(iPhone 8, Apple, Cupertino, CA, USA)를 통해 측정 후 각 지점의 CIE L*a*b* 값을 얻었다.

Fig 1. Random five-point color in color palette.

색차계값의 색상 이미지 표현

색차계로 측정된 값을 색상 이미지로 변환하기 위해 색상 변환 프로그램을 제공하는 Adobe color web tool(Adobe color, 2021)의 색상 휠(color-wheel) 항목 중 LAB 색상 모드(color-mode)를 선택 후 값을 대입하여 표현되는 색상 이미지를 나타내었다.

식품 실험 재료

식품 시료의 선택 기준은 명도, 적색도, 황색도를 적절하게 반영할 수 있으면서 일상생활에서 흔하게 관찰되는 고상 및 액상 식품 중 각각 2가지씩 임의로 선정하였다. 고상 시료 중에서 한 가지는 실험실에서 제조한 후 저온 냉장고(4°C)에서 약 50일간 보관된 가장 붉은색을 띠는 배추김치 줄기 일부를 사용하였고, 다른 한 가지는 노란색을 띠는 바나나(Del monte, Davao, Philippines)를 구입하여 겉껍질 부분을 사용하였다. 액상 시료는 고상 시료와 동일한 김치의 국물 일부(40 mL)와 시판 생막걸리(Woorisool, Gapyeong, Korea)를 구입한 후 일부(30 mL)를 사용하였다. 색상 측정을 위한 분석 시료는 Fig. 2에 나타내었다.

Fig 2. Kimchi stems (A), kimchi soup (B), banana (C), and makgeolli (D) samples for color measurement.

색차계의 식품 색도 측정

식품 시료 중 고상은 김치의 줄기 부분과 바나나의 껍질 표면을 측정 부위로 하여 중앙과 양쪽 끝 지점 세 등분으로 나누어 각 3회 반복 측정하였다. 액상은 김치의 국물과 막걸리의 혼탁액을 각 2 mL씩 취해 3회 반복 측정하였다. 시료들은 모두 색차계를 이용해 표준 백색판(L*=95.69, a*=-1.45, b*=2.79)으로 보정한 후 각 지점의 값을 얻었다. 이후 색상 휠 항목 중 LAB 색상 모드를 선택한 후 항목에 얻어진 값을 대입하여 표현되는 색상을 이미지로 나타내었다. 색차(ΔE, total color difference)는 아래의 식과 같이 계산하여 나타내었다.

ΔE＝$\sqrt{\Delta L^2+\Delta a^2+\Delta b^2}$

ΔL: differences of lightness

Δa: differences of redness

Δb: differences of yellowness

디지털 장치(휴대전화 카메라)를 사용한 식품 색도 측정

휴대전화 카메라로 촬영하여 얻은 식품 시료 이미지들을 Adobe color web tool의 그라디언트 도구(gradient tool) 항목에 삽입 후 중단점을 이용하여 색차계의 측정 지점과 동일한 지점의 L*a*b* 값을 얻었다. 이후 색상 휠 항목 중 LAB 색상 모드를 선택한 후 값을 대입하여 표현되는 색상을 나타내었다. 예비 실험에서 기종과 사양이 다른 3개의 휴대전화를 사용하여 같은 시료를 측정한 후 변환시스템을 거쳤을 때, 모두 동일한 값이 유지되는 것으로 확인되어 사용한 기종 중 하나의 휴대전화(iPhone 8, Apple)를 선택하여 식품 색도 측정에 사용하였다.

다양한 식품에서의 색상 이미지 측정

다양한 식품에서의 색상 유사도를 확인하기 위해 색차계와 휴대전화 카메라를 사용하여 측정한 후 이미지를 제시하였다. 앞선 실험에 사용된 4가지 시료와 중복되지 않으며 서로 다른 색상을 띠는 식품 20가지(고체류 15가지, 액체류 5가지)를 무작위로 선정하였다. 본 실험에 사용된 식품들은 서울의 한 대형마트에서 구입하였다. 고체류의 시료는 감자칩(Orion, Anseong, Korea), 귤(Nonghyup, Jeju, Korea), 사탕류 1(Nongshim, Da Nang, Vietnam), 사탕류 2(Lotte, Cheongju, Korea), 고춧가루(Nonghyup), 단무지(ilga, Sejong, Korea), 달걀(maruegg, Nonsan, Korea), 돌김(CJ, Icheon, Korea), 백설탕(CJ), 생라면(Paldo, Naju, Korea), 청포도(Nonghyup), 체리(Nonghyup), 초코과자(Lotte, Yangsan, Korea), 치즈(Maeil, Gochang, Korea), 토마토(Nonghyup)를 사용하였다. 액체류의 시료는 멸치액젓(Yupo, Ulsan, Korea), 흰우유(Maeil), 오렌지주스(Del Monte, Gwangju, Korea), 초코맛 우유(Seoulmilk, Ansan, Korea), 콜라(Pepsi, Yangsan, Korea)를 사용하였다. 식품 시료 중 생라면 시료는 mixer(HBL-3500S, Elexion, Gimpo, Korea)로 분쇄하여 측정하였으며 그 외 측정에 사용된 모든 식품 시료는 별도의 처리를 하지 않았다. 시료들의 측정은 환경적 요인에 의한 영향을 최소화하기 위해 온도와 빛이 일정하게 유지되는 공간에서 측정되었다.

통계분석

모든 분석 결괏값은 SPSS program(version 26.0, SPSS, Chicago, IL, USA)을 이용하여 평균과 표준편차를 산출하고 평균값은 일원배치 분산분석(ANOVA)으로 비교하였으며, Duncan’s multiple range test를 실시하여 5% 유의 수준(P<0.05)에서 평균 간의 다중비교를 실시하였다. 그 외 두 집단 간 유의성 비교는 독립표본 t-검정으로 분석하였다.

색차계와 디지털 장치(휴대전화 카메라)를 사용한 색도 분석 및 색상 이미지 비교

색차계와 휴대전화 카메라로 측정한 값을 이미지로 변환했을 때 원래의 색상과의 차이를 비교하기 위해, 색상 팔레트에서 임의로 다섯 지점을 선택하여 색차계로 측정하였다. 색차계와 휴대전화 카메라로 측정된 L*a*b* 값과 이를 바탕으로 전환된 색상 이미지를 각각 Table 1과 Fig. 3에 나타내었다. 색차계에 의해 전환된 색상 대부분이 측정 지점의 색상보다 명도가 낮았다. 이는 색차계의 원리상 외부 빛을 차단한 암막 상태에서 내장된 조명 광원의 세기에 의한 반사율을 측정하는 방법(Lee 등, 2018)의 영향 때문이거나 측정 대상 물체의 구조, 구성 성분, 물체의 표면 상태 등의 환경에 따라 차이가 나는 것으로 여겨진다. 측정 지점의 색상과 색차계, 휴대전화 카메라의 측정값을 기준으로 전환된 색상을 육안으로 비교했을 때 전반적으로 원래 지점의 색상을 모두 유사하게 반영하는 것으로 관찰되었다.

Table 1 . Color values and total color difference (ΔE) values of the color parameters at five random points measured by colorimeter and cellphone.

	L*			a*			b*			ΔE
	Original	Colorimeter	Cellphone	Original	Colorimeter	Cellphone	Original	Colorimeter	Cellphone
A	48.33±0.581)a	47.47±0.01a	47.05±0.02a	61.67±0.58a	51.93±0.02b	62.07±0.04a	47.00±1.00a	36.62±0.01b	48.01±0.03a	15.30±1.12
B	64.33±0.582)a	65.43±0.01a	65.02±0.05a	27.67±0.58a	9.92±0.01b	28.08±0.03a	68.67±0.58a	56.45±0.01b	67.03±0.02a	21.89±4.74
C	65.67±0.01a	58.34±0.02a	67.03±0.02b	-31.00±0.00a	-39.70±0.01ab	-33.00±0.01a	44.33±1.15a	30.64±0.02b	38.00±0.03a	18.40±2.06
D	54.00±0.02a	55.58±0.00a	54.09±0.02a	1.33±0.58a	-15.44±0.02b	0.05±0.07a	-47.00±1.00a	-37.04±0.01b	-49.04±0.07a	19.57±2.19
E	46.33±0.58a	46.37±0.01a	46.01±0.04a	68.33±0.58a	54.18±0.00b	69.03±0.08a	11.00±1.00a	6.83±0.01b	18.00±0.03c	18.58±1.63

¹⁾Values are presented as mean ± standard deviation..

²⁾Different letters superscript in the same row indicate that means are significantly different (P<0.05) by Duncan’s test..

Fig 3. Original color in color palette and converted color by colorimeter and cellphone.

색차계와 디지털 장치(휴대전화 카메라)를 사용한 식품의 색도 및 색상 이미지

색차계와 휴대전화 카메라를 통해 도출된 네 가지 식품 시료의 L*a*b* 값을 Table 2에 나타내었다. 동일한 시료를 측정했음에도 불구하고 색차계와 휴대전화 카메라의 L*a*b* 값은 막걸리 시료를 제외한 모든 시료에서 차이를 보였으며, 특히 김칫국물 시료에서 큰 차이를 보였다. 가장 차이가 적은 막걸리 시료에서도 a* 값과 b* 값에서 유의한 차이를 보였다. 또한, 막걸리 시료의 L* 값을 제외한 나머지 모든 시료에서 휴대전화 카메라를 통해 도출된 값들이 색차계를 통해 도출된 값들보다 높게 측정되었다.

Table 2 . The average values of the color parameters of food samples measured by colorimeter and cellphone.

Samples	L*			a*			b*
	Colorimeter	Cellphone	P	Colorimeter	Cellphone	P	Colorimeter	Cellphone	P
Kimchi (stem)	52.09±1.651)	64.22±5.27	**2)	9.70±2.98	24.33±9.81	**	29.96±3.97	49.44±6.27	****
Kimchi (juice)	30.70±0.82	49.33±4.69	****	8.79±0.40	40.89±4.58	****	12.56±1.24	47.44±8.49	****
Banana (peel)	70.18±1.10	83.00±1.33	****	-8.27±0.95	4.89±1.37	****	49.01±1.56	60.22±9.17	**
Makgeolli (liquid)	80.16±1.34	78.89±1.20	NS	-0.52±0.04	-1.33±0.82	*	12.19±0.49	15.44±1.50	**

¹⁾Values are presented as mean ± standard deviation..

²⁾Statistical outcome was summarized within the figure (t-test: p-value). Symbols indicate significant difference (NS, not significant, *, P<0.05; **, P<0.01; ***, P<0.001; ****, P<0.0001)..

도출된 L*a*b* 값들을 색상 이미지로 변환하였을 때, 예상과는 다르게 휴대전화 카메라로 도출된 색상이 색차계로 도출한 색상보다 육안으로 관찰되는 실제 시료의 색상을 더 유사하게 반영할 수 있는 것으로 나타났다(Fig. 4). 특히, 김치 줄기와 김칫국물 시료의 적색도 값은 휴대전화 카메라의 값보다 색차계에서 측정한 값이 훨씬 낮게 측정되었다. 측정 김치 시료는 붉은색 계통이었지만 색차계로 측정하여 변환된 색상은 갈색 계통으로 나타났으며, 육안상으로는 실제 시료의 적색도를 적절하게 반영하지 못하고 있는 것으로 보인다. 바나나 시료도 휴대전화 카메라로 측정된 값이 색차계의 값보다 모두 높았다. 막걸리 시료의 경우 L* 값은 유의한 차이가 없었고 적색도와 황색도가 수치상으로 유의차가 있지만(P<0.05), 육안상으로는 색상 이미지가 유사하게 관찰되었다.

Fig 4. Comparison in colorimeter and cellphone from actual sample images.

다양한 식품에서의 변환된 색상 이미지 결과

색차계와 휴대전화 카메라를 통해 변환된 20가지 식품의 색상 이미지를 Fig. 5에 제시하였다. 변환된 색상 이미지들을 육안으로 관찰했을 때, 측정 장치에 상관없이 20가지의 식품 시료 중 귤(tangerine), 치즈(cheese), 김(laver) 시료들은 서로 유사한 색상 이미지로 나타났다. 대부분의 식품 시료 이미지들은 색차계를 통해 변환된 색상 이미지보다 휴대전화 카메라를 통해 변환된 색상 이미지들이 본래의 색을 더 잘 반영하는 것으로 관찰되었다. 하지만 이러한 결과는 측정 대상의 모든 물질의 색이 균일하게 도포되어있지 않거나 표면의 재질, 유광과 무광의 광도 차이에 따라 색이 다르게 나타날 수 있는 영향 때문일 수 있다. 또한, 색차계의 특성상 동일한 재질이거나 표면이 매끈한 물질의 색상을 측정하는 데는 유용하게 사용될 수 있지만, 표면이 거칠고 광도 차이가 나는 물질에서는 측정하는 지점에 따라서 색차값이 달라질 수 있다. 색차계는 측정 대상의 표면에 렌즈를 맞대어 시료 일부분을 측정하는 반면, 휴대전화 카메라는 상대적으로 측정 대상 전체를 촬영하여 이미지를 얻기 때문에 이러한 측정범위의 차이가 결괏값에 영향을 주었을 가능성도 존재한다.

Fig 5. Color measurement using colorimeter and cellphone of 20 food samples. A and B show images converted by colorimeter and cellphone, respectively.

본 연구에서 휴대전화 카메라로 측정된 L*a*b* 값은 광원을 비롯한 주변 환경 및 측정 각도 등 다양한 요인들에 의해 본래의 시료 색상과 차이가 있을 수 있다. 하지만 해당 실험의 결과에 한해 실제 식품 시료들의 본래 색상을 색차계보다 더욱 잘 반영하는 것으로 관찰되었다. 따라서 휴대전화 카메라를 통한 색상 측정의 방법은 고정밀 측정 시에는 적합하지 않지만, 전문 측색 장비를 활용할 수 없을 경우 대용하는 방법으로 사용될 수 있을 것으로 사료된다. 본 결과는 특정 식품에서만 나타나는 현상일 수도 있어 다양한 식품 원료를 사용한 검토가 요구된다. 또한, 같은 식품 원료라 하더라도 제조사, LOT, 제품, 전처리 조건 등에 따라 색이 어떻게 달라지는지에 대한 분석도 검토될 필요가 있다. 측정 시 색 보정 조절, 재현성 및 신뢰성 등의 한계점을 해결하는 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각되며, 이러한 부분이 보완된다면 많은 연구자가 전문 장비에 구애받지 않고 측색에 사용될 수 있을 것으로 사료된다.

대부분의 식품 연구에서는 색을 측정하기 위해 색차계를 이용하여 측정한 값을 L*a*b* 값으로 제시하고 있다. 하지만 L*a*b* 값은 측정 대상의 식품 시료 간 색의 차이 정도를 직접적으로 판단하기 어려울 수 있다. 본 연구에서는 색차계로 도출되는 색을 직관적으로 확인하기 위해 변환 프로그램을 사용하여 색상 이미지를 제시하였다. 나아가 색차계와 휴대전화 카메라를 사용하여 색상을 측정한 결과를 비교하여 휴대전화 카메라의 식품 색상 측정 도구로의 적용 가능성을 알아보았다. 임의의 5가지 색상을 색차계로 측정한 L*a*b* 값을 색상 이미지로 변환한 결과 대체로 유사하게 본래의 색상이 표현되었다. 하지만 식품 시료(김치 줄기, 김칫국물, 바나나, 막걸리)에서는 휴대전화 카메라를 통해 도출된 L*a*b* 값이 색차계를 통해 도출된 L*a*b* 값보다 높게 측정되었다. 20개의 식품을 색차계와 휴대전화 카메라를 사용하여 측정 후 변환된 색상 이미지를 비교한 결과 일부 식품에서는 육안상 서로 큰 차이가 없었지만 대부분 휴대전화 카메라를 사용한 색상 이미지가 실제 시료의 색상을 더 유사하게 반영한 것으로 관찰되었다. 휴대전화 카메라를 통한 색상 측정의 방법은 정밀 측정 시에는 적합하지 않지만, 전문 측색 장비를 활용할 수 없을 경우에 대용하는 방법으로 사용될 수 있을 것이다. 본 연구는 색차계나 휴대전화 카메라를 이용하여 색상 이미지를 직접적으로 제시하는 새로운 방법을 제시하였다는 것에 의미가 있다.

이 성과는 2019년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원(No. 2020R1I1A1A01069920)에 의해 수행되었으며 이에 감사드립니다.