هرآنچه باید درباره گاموت‌‌های رنگی بدانید؛ sRGB و DCI-P3 و Rec.2020

اغلب افراد به نحوه تولید رنگ‌ها در نمایشگرها توجهی نمی‌کنند. اما اگر تاکنون مجموعه‌ای از تلویزیون‌ها را در یک فروشگاه الکترونیکی مقایسه کرده باشید، احتمالاً متوجه شده‌اید که تقریباً هیچ‌کدام از آن‌ها رنگ‌ها را به‌صورت مشابه نمایش نمی‌دهند. حتی در شرایطی که همان محتوای ویدئویی روی آن‌ها پخش شود، نمایشگرهای مختلف تمایل دارند رنگ‌ها را به شیوه‌ای متفاوت پردازش و بازتولید کنند. این تفاوت به دلیل یکی از مشخصات فنی پنهان در نمایشگرها است که به ندرت مورد توجه قرار می‌گیرد: گاموت رنگ (Color Gamut).

گاموت رنگ به دامنه یا محدوده‌ای از طیف‌های رنگی اشاره دارد که یک نمایشگر قادر به بازتولید آن است. در یک نمودار CIE، گاموت رنگ معمولاً به صورت ناحیه‌ای مثلثی نمایش داده می‌شود که وسعت آن نشان‌دهنده درصدی از طیف قابل مشاهده توسط چشم انسان است. هرچه مساحت این مثلث بزرگ‌تر باشد، گاموت رنگ نمایشگر پوشش بیشتری از طیف قابل مشاهده را ارائه می‌دهد. نمایشگرهایی که هم‌پوشانی بیشتری با طیف رنگی قابل تشخیص انسان دارند، توانایی بیشتری در بازتولید دقیق و واقعی رنگ‌ها دارند.

درحال‌حاضر، هیچ نمایشگر مصرفی موجود در بازار قادر به پوشش کامل طیف رنگی قابل مشاهده انسان نیست. این محدودیت فنی ناشی از خواص مواد و فناوری‌های تولید نمایشگرها است و به خودی خود مشکلی اساسی تلقی نمی‌شود، زیرا گاموت‌های رنگی متداول (مانند sRGB و DCI-P3) به‌شکل گسترده‌ای برای کاربردهای مختلف بهینه شده‌اند.

برای درک بهتر گاموت رنگ، لازم است نحوه تولید رنگ‌ها در نمایشگرها را بررسی کنیم. تقریبا تمامی نمایشگرها از زیرپیکسل‌های کوچک قرمز، سبز و آبی (RGB) تشکیل شده‌اند که به صورت ترکیبی رنگ‌های موردنظر را تولید می‌کنند. این زیرپیکسل‌ها به‌دلیل اندازه کوچک خود برای چشم انسان نامرئی هستند، اما زیر میکروسکوپ می‌توان آن‌ها را به وضوح مشاهده کرد. میزان روشنایی هر زیرپیکسل تعیین‌کننده شدت رنگ تولید شده است و همین فرآیند پایه‌ای، اساس بازتولید رنگ‌ها در نمایشگرها را تشکیل می‌دهد.

عمق بیت یکی از مشخصات کلیدی در بازتولید رنگ توسط نمایشگرها است. این معیار نشان‌دهنده تعداد سایه‌های منحصر به فردی است که هر زیرپیکسل می‌تواند تولید کند. عمق بیت به طور مستقیم با تعداد داده‌های مورد استفاده برای تعیین سطح روشنایی زیرپیکسل مرتبط است. برای مثال:

• یک نمایشگر با عمق بیت ۸ می‌تواند 2^8 یا ۲۵۶ سایه برای هر رنگ اصلی (قرمز، سبز و آبی) تولید کند. ترکیب این مقادیر، امکان تولید حدود ۱۶.۷ میلیون رنگ را فراهم می‌کند.
• یک نمایشگر با عمق بیت ۱۰ قادر است 2^10 یا ۱۰۲۴ سایه برای هر رنگ اصلی تولید کرده و به صورت تجمعی بیش از ۱.۰۷ میلیارد رنگ را ارائه دهد.

عمق بیت بالاتر موجب بازتولید دقیق‌تر انتقال‌های رنگی و کاهش پدیده باندینگ (Banding) می‌شود؛ اثری که در آن تغییرات رنگ به‌صورت خطوط واضح و غیرطبیعی ظاهر می‌شوند. این ویژگی به‌خصوص در نمایشگرهایی با گاموت وسیع اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

گاموت‌های رنگی متداول در فناوری‌های نمایشگر

درحال‌حاضر، چندین گاموت رنگی استاندارد برای نمایشگرها تعریف شده‌اند که هر یک کاربردهای خاص خود را دارند. مهم‌ترین گاموت‌های رنگی شامل موارد زیر هستند:

1. sRGB: استانداردی که برای اکثر محتواهای دیجیتال استفاده می‌شود.
2. Adobe RGB: مناسب برای کاربردهای حرفه‌ای در ویرایش تصاویر.
3. DCI-P3: استانداردی برای نمایشگرهای سینمایی و محتوای ویدیویی.
4. Rec. 2020: گاموتی که پوشش گسترده‌تری از طیف قابل مشاهده را هدف قرار می‌دهد.

ترکیب گاموت و عمق بیت: معیارهای اساسی انتخاب نمایشگر

گاموت رنگی وسیع و عمق بیت بالا از معیارهای کلیدی در انتخاب نمایشگر هستند، هردو مشخصه باید به‌صورت هم‌زمان مورد توجه قرار گیرند. نمایشگری با گاموت وسیع، اما عمق بیت پایین در بازتولید دقیق رنگ‌ها ناکام می‌ماند. بنابراین، برای نمایش دقیق رنگ‌ها، نمایشگر باید هم قادر به پوشش بخش بزرگی از طیف قابل مشاهده باشد و هم بتواند انتقال‌های رنگی ظریف را به‌دقت بازتولید کند.

sRGB (استاندارد RGB) به‌عنوان یکی از قدیمی‌ترین اما همچنان پراستفاده‌ترین فضاهای رنگی، جایگاه ویژه‌ای در فناوری نمایشگرها دارد. این استاندارد در دهه ۱۹۹۰ توسط کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک (IEC) برای نمایشگرهای کاتدی (CRT) توسعه یافت و از آن زمان تاکنون برای فناوری‌های مدرن مانند LCD و نمایشگرهای LED تطبیق داده شده است.

علیرغم محبوبیت گسترده، sRGB تنها بخشی محدود از طیف مرئی را بازتولید می‌کند. به‌ٌصورت‌دقیق‌تر، یک نمایشگر مبتنی بر sRGB می‌تواند حدود ۲۵ تا ۳۳ درصد از رنگ‌هایی را که چشم انسان قادر به درک آن‌هاست نمایش دهد. این محدودیت را می‌توان به‌وضوح در نمودار کروماتیسیته CIE 1931 مشاهده کرد، جایی که نواحی بیرونی مثلث مربوط به sRGB نمایانگر عدم پوشش بخش‌های اشباع‌تر از رنگ‌های اصلی است.

محدودیت‌های فنی sRGB در بازتولید رنگ

محدوده پوشش رنگی sRGB، اگرچه شامل طیف وسیعی از سایه‌های قرمز، سبز و آبی است، از نمایش رنگ‌های اشباع‌تر و دقیق‌تر، به‌ویژه در ناحیه سبز، عاجز است. این محدودیت فنی باعث کاهش شدت بصری (Vividness) تصاویر شده و به وضوح می‌توان مشاهده کرد که رنگ‌ها در مقایسه با واقعیت، تا حدی کم‌رنگ و مات به‌نظر می‌رسند.

علاوه‌بر‌این، sRGB ارتباط نزدیکی با استاندارد Rec. 709 دارد. هر دو استاندارد محدوده‌ای مشابه از طیف رنگی را پوشش می‌دهند. تفاوت عمده آن‌ها در مقدار گاما (Gamma) است. گامای پایین‌تر sRGB برای بهبود درک رنگ در محیط‌های روشن، مانند دفاتر کار طراحی شده است، درحالی‌که Rec. 709 با هدف نمایشگرهای تلویزیونی و برای محیط‌های کم‌نور توسعه یافته است. از آنجایی که نمایشگرهای مدرن به کاربران امکان تنظیم گاما را می‌دهند، تفاوت عملی بین هردو استاندارد به‌حداقل رسیده است.

علی‌رغم محدودیت‌ها، sRGB به‌دلیل سازگاری گسترده و تطبیق‌پذیری بالا همچنان به استاندارد غالب در اکثر دستگاه‌ها و سیستم‌عامل‌های دیجیتال تبدیل شده است. به عنوان مثال، سیستم‌عامل‌هایی مانند ویندوز و مک‌او‌اس به‌صورت پیش‌فرض برای پشتیبانی از sRGB بهینه شده‌اند. همچنین، اکثر وب‌سایت‌ها و محتوای آنلاین با استفاده از این فضای رنگی تولید می‌شوند.

DCI-P3، که به‌شکل رسمی با نام Digital Cinema Initiatives – Protocol 3 شناخته می‌شود، به‌عنوان جایگزینی پیشرفته برای sRGB توسط صنعت سینما معرفی شد. این فضای رنگی برای بهینه‌سازی بازتولید رنگ در رسانه‌های دیجیتال و نمایشگرهای سینمایی طراحی شده است.

DCI-P3 در‌مقایسه‌با sRGB، حدود 25 درصد از مساحت بیشتری از نمودار کروماتیسیته را پوشش می‌دهد. این پوشش گسترده باعث شده که DCI-P3 به یک انتخاب محبوب برای نمایشگرهای با عملکرد بالا تبدیل شود. برخلاف فضای رنگی AdobeRGB، که تمایل به‌سوگیری در ناحیه سبز-فیروزه‌ای دارد، افزایش پوشش رنگی در DCI-P3 به‌صورت یکنواخت در میان هر سه رنگ اصلی (قرمز، سبز و آبی) توزیع شده است. این امر باعث می‌شود که نمایشگرهای مبتنی‌بر DCI-P3 قادر به بازتولید رنگ‌هایی با شدت و اشباع بالا باشند.

پذیرش گسترده و کاربردهای عملی DCI-P3

ازآنجاکه DCI-P3 برای رسانه‌های دیجیتال توسعه یافته، پذیرش گسترده‌تری نسبت‌به AdobeRGB در دستگاه‌های مدرن دارد. در حال حاضر، تقریباً تمامی انواع دستگاه‌ها، از جمله تلویزیون‌ها، گوشی‌های هوشمند و مانیتورهای حرفه‌ای، برای پوشش حداقل بخشی از این فضای رنگی تلاش می‌کنند. نمایشگرهای پیشرفته معمولاً بیش از ۹۰ درصد پوشش DCI-P3 ارائه می‌دهند و این میزان در مدل‌های رده‌بالا حتی بیشتر است.

DCI-P3 به استاندارد پایه برای نمایشگرهای HDR تبدیل شده است. بااین‌حال، برای بهره‌برداری کامل از این فضای رنگی، محتوایی که با استفاده از DCI-P3 مسترشده باشد نیز ضروری است. مشاهده محتوای مسترشده برای sRGB در یک نمایشگر DCI-P3 می‌تواند باعث اشباع بیش‌ازحد رنگ‌ها شود که فراتر از نیت اصلی سازنده محتوا خواهد بود.

Rec. 2020 و Rec. 2100، به‌عنوان جدیدترین استانداردهای گاموت رنگی در فناوری نمایشگر، مرزهای جدیدی در بازتولید رنگ‌ها تعریف کرده‌اند. این استانداردها نه تنها بخش وسیع‌تری از طیف نور مرئی را پوشش می‌دهند، بلکه با معرفی فناوری‌های پیشرفته نظیر پشتیبانی از نمایشگرهای ۱۰ و ۱۲ بیت، وضوح بالا مانند ۴K و ۸K و نرخ تازه‌سازی بیش از ۶۰ هرتز (تا سقف ۱۲۰ هرتز) نقش کلیدی در استانداردسازی تلویزیون‌های UHDTV داشته‌اند.

Rec. 2020 که با نام BT.2020 نیز شناخته می‌شود، قادر به پوشش ۷۵ درصد از طیف نور مرئی است. این میزان پوشش، افزایش چشمگیری نسبت‌به DCI-P3 (حدود ۴۰ درصد) و جهشی عظیم نسبت به sRGB محسوب می‌شود. در نمودار کروماتیسیته CIE 1931، مثلث مربوط به Rec. 2020 نواحی بسیار بیشتری از طیف‌های اشباع شده رنگ‌های قرمز، سبز و آبی را در بر می‌گیرد.

علی‌رغم گستردگی Rec. 2020، حتی پیشرفته‌ترین نمایشگرهای مصرفی فعلی نمی‌توانند این گاموت را به‌صورت کامل پوشش دهند. برترین نمایشگرهای موجود، تنها بین ۶۰ تا ۸۰ درصد از این گاموت را بازتولید می‌کنند. بااین‌حال، پیشرفت در فناوری‌های نوین مانند MicroLED، OLED و Quantum Dot، افق‌های جدیدی برای دستیابی به پوشش کامل این گاموت در سال‌های آینده ایجاد کرده است.

Rec. 2100 به عنوان نسخه‌ای پیشرفته‌تر از Rec. 2020 معرفی شده است. این استاندارد، بسیاری از پارامترهای Rec. 2020 از جمله پوشش رنگی گسترده را حفظ کرده، اما ویژگی جدیدی به آن افزوده است: پشتیبانی از گستره دینامیکی بالا (HDR). حالت HDR در Rec. 2100 از طریق دو فناوری اصلی پیاده‌سازی می‌شود:

1. Hybrid Log-Gamma (HLG): فناوری‌ای مناسب برای پخش تلویزیونی که نیازی به متادیتای اضافی ندارد و با سیستم‌های موجود کاملا سازگار است.
2. Perceptual Quantization (PQ): پایه و اساس فرمت‌های رایج HDR نظیر Dolby Vision و HDR10 که برای محتوای سینمایی و استریم آنلاین بهینه شده است.

درحالی‌که پوشش گاموت گسترده مانند Rec. 2020 و Rec. 2100 یک عامل کلیدی در عملکرد نمایشگرها محسوب می‌شود، عوامل دیگری نیز نقش تعیین‌کننده‌ای در بازتولید دقیق رنگ‌ها دارند. از جمله این عوامل می‌توان به Delta E و نقطه سفید (White Point) اشاره کرد.

Delta E به‌عنوان معیاری برای اندازه‌گیری اختلاف میان رنگ‌های تولید شده توسط نمایشگر و مقادیر مرجع استاندارد (مانند sRGB یا Rec. 2020) شناخته می‌شود. مقادیر Delta E به شرح زیر تفسیر می‌شوند:

1. Delta E < 1: خطای غیرقابل‌تشخیص برای چشم انسان.
2. 1 ≤ Delta E ≤ 2: دقت بالا؛ مناسب برای کاربردهای حرفه‌ای.
3. Delta E > 2: انحراف قابل‌مشاهده که بر دقت رنگ‌ها تأثیر منفی می‌گذارد.

به‌عنوان‌مثال، نمایشگری که رنگ قرمز را به صورت نارنجی تیره نمایش دهد، خطایی را نشان می‌دهد که در مقدار Delta E مشخص خواهد شد.

نقطه سفید که به عنوان دمای رنگ نیز شناخته می‌شود، تاثیر قابل توجهی بر نمایش رنگ سفید در یک نمایشگر دارد. دمای رنگ معمولا بر حسب کلوین (K) اندازه‌گیری می‌شود. مقادیر استاندارد برای دمای رنگ بین ۴۰۰۰ تا ۷۰۰۰ کلوین متغیر است. در استانداردهای رنگی، دمای ۶۵۰۰ کلوین یا D65 به‌عنوان معیار رنگ سفید طبیعی تعیین شده است.

دمای پایین‌تر رنگ سفید را گرم‌تر (زردتر) و دمای بالاتر آن را سردتر (آبی‌تر) نمایش می‌دهد. انحراف از این مقدار می‌تواند به مشکلاتی در نمایش دقیق رنگ‌ها منجر شود که گاهی نیاز به کالیبراسیون مجدد نمایشگر دارد. چشم انسان در دهه‌های گذشته به گاموت محدود sRGB عادت کرده است، اما با پیشرفت فناوری نمایشگرها و ظهور نمایشگرهای مجهز به گاموت‌های گسترده مانند DCI-P3 و Rec. 2020، تجربه بصری کاربران به سطح جدیدی ارتقا یافته است.

فرمت‌های HDR مانند Dolby Vision و HDR10+ که نیاز به پوشش گاموت DCI-P3 دارند، باعث افزایش تقاضا برای نمایشگرهای پیشرفته شده‌اند. در همین حال، نمایشگرهای OLED و HDR اکنون قادر به بازتولید دقیق‌تر رنگ‌ها در گاموت‌های گسترده‌تر شده‌اند. در‌حال‌حاضر، هیچ نمایشگر مصرفی قادر به پوشش کامل Rec. 2020 نیست، اما پیشرفت‌های مداوم در فناوری‌هایی مانند MicroLED و Quantum Dot نشان می‌دهد که دستیابی به این هدف در آینده نزدیک ممکن است.