همه‌‌چیز درباره‌ گاموت‌های رنگی؛ sRGB و DCI-P3 و Rec.2020

بازنمایی رنگ روی نمایشگرها فرایندی پیچیده است؛ اما اگر به‌دنبال تصاویر باکیفیت هستید، ارزش بررسی را دارد. اگر در فروشگاه لوازم الکترونیکی به تلویزیون‌ قرارگرفته در‌کنار یکدیگر با دقت نگاه کنید، ممکن است متوجه تفاوت‌هایی شوید. اگر یک تصویر یکسان را روی تمام آن‌ها به‌نمایش دربیاورید، خروجی‌های رنگی متفاوت خواهند بود.

به‌طورکلی، اصطلاح گاموت به تمام رنگ‌هایی گفته می‌شود که چشم می‌تواند آن‌ها را ببیند‌. گاموت معمولا با شکلی نعل‌اسبی به نام نمودار کروماتیسیتی xy نمایش داده می‌شود. همچنین، نمایشی سه‌بعدی برای آن وجود دارد. با‌این‌حال، در صنعت گرافیک کامپیوتری، گاموت نشان‌دهنده‌ی قابلیت‌های تنظیم رنگ نمایشگر است. به‌بیان‌‌ساده، مقیاسی از رنگ‌هایی است که هر نمایشگر می‌تواند تولید کند.

گاموت‌های رنگی نمایشگر زیرمجموعه‌ای از نمودار کروماتیسیتی xy هستند که همیشه به‌شکل مثلث نمایش داده می‌شود. به‌بیان‌دیگر، نمایشگرها می‌توانند بخشی از کل رنگ‌های مرئی را نمایش دهند. sRGB متداول‌ترین گاموت رنگی نمایشگر است که در نمودار زیر نشان داده شده است. نمایشگر sRGB نمی‌تواند هر رنگی خارج از مثلث را تولید کند.

بخش بزرگ‌تر مثلث بدین‌معنی است که گاموت نمایشگر درصد بیشتری از طیف مرئی را پوشش می‌دهد. هرچه هم‌پوشانی بین گاموت رنگی نمایشگر و قدرت تفکیک چشم بیشتر باشد، خروجی بهتری تولید خواهد شد. هیچ‌کدام از نمایشگرهای کنونی بازار نمی‌توانند کل طیف مرئی را پوشش دهند؛ اما این مسئله مشکل‌ساز نیست.

قبل از آنکه درباره‌ی انواع گاموت‌های رنگی صحبت کنیم، بهتر است به درکی از چگونگی تولید رنگ در نمایشگرها برسیم. به‌طورکلی، نمایشگرها از زیرپیکسل‌های آبی و قرمز و سبز تشکیل شده‌اند که برای تولید رنگ دلخواه با یکدیگر ترکیب می‌شوند. این زیرپیکسل‌ها برای چشم‌ها دیدنی نیستند؛ اما می‌توانید زیر میکروسکوپ آن‌ها را ببینید.

گاموت رنگی وسیع، تنها معیار لازم برای خوب به‌نظر‌رسیدن تصویر نیست. همچنین، نمایشگرها باید بتوانند فام‌های منحصر‌به‌فرد قرمز و سبز و آبی را در محدوده‌ی گاموت رنگی خود تولید کنند. از عمق بیتی می‌توانیم برای اندازه‌گیری تعداد فام‌های منحصر‌به‌فرد قابل‌تولید برای نمایشگر استفاده کنیم. به‌بیان‌ساده، عمق بیت برابر با مقدار داده‌هایی است که برای نمایش سطح درخشش هر زیرپیکسل به‌کار می‌رود. نمایشگری با عمق بیت ۸ بیت، دو به توان ۸ یا ۲۵۶ فام از هر رنگ اصلی ایجاد می‌کند (آبی و قرمز و سبز). در‌مجموع، ۱۶/۷ میلیون رگ تولید می‌شود. نمایشگر ۱۰ بیتی نیز می‌تواند ۱۰۲۴ فام یا در‌مجموع ۱/۰۷ میلیارد رنگ تولید کند.

عمق بیت بیشتر تضمین می‌کند که نمایشگر می‌تواند گذارها یا گرادیان‌های دقیقی را بین رنگ‌ها ایجاد کند. این امر به‌ویژه برای نمایشگرهای گاموت عریض اهمیت دارد. نمایش عمق بیتی را می‌توانید در تصویر بالا ببینید. امروزه، تعریف‌های تخصصی‌تری برای گاموت‌های رنگی وجود دارد که در‌ادامه، چند نمونه از آن‌ها را معرفی می‌کنیم.

sRGB یا RGB استاندارد قدیمی‌ترین و متداول‌ترین فضای رنگی کنونی است. در دهه‌ی ۱۹۹۰، کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیکی (IEC) این گاموت را برای نمایشگرهای CRT طراحی کرد. از آن زمان نیز، برای LCD‌ها و دیگر فناوری‌های نمایشگر تطبیق پیدا کرد.

با اینکه sRGB محبوبیت زیادی دارد، تنها بخشی از طیف نوری مرئی را پوشش می‌دهد. به‌بیان‌ساده، نمایشگر ساده‌ی sRGB می‌تواند ۲۵ تا ۳۳ درصد از رنگ‌های قابل‌درک برای چشم را بازتولید کند. با بررسی نمودار کروماتیسیتی، مشاهده می‌کنید که بخش زیادی از نواحی خارجی رنگ‌های اصلی در این فضا وجود ندارند.

با اینکه sRGB شامل طیفی از رنگ‌های قرمز و سبز و آبی است، بخش‌های اشباع‌تر را پوشش نمی‌دهد. این موضوع به‌ویژه با بررسی نواحی سبز رنگ بیشتر احساس می‌شود؛ به‌همین‌دلیل، درخشش و سرزندگی رنگ کاهش می‌یابد و ممکن است رنگ‌ها مات‌تر از آنچه هستند، به‌نظر برسند.

sRGB رابطه‌ی نزدیکی با گاموت Rec. 709 دارد. در‌واقع، این دو استاندارد ناحیه‌ی یکسانی از نمودار کروماتیسیتی را پوشش می‌دهند و تنها تفاوتشان این است که sRGB از مقدار گامای کمتری درمقایسه‌با Rec.709 استفاده می‌کند. گامای کمتر sRGB به بهبود ادراک رنگ در اتاق‌های روشن مثل فضاهای اداری منجر می‌شود.

Rec.709 برای تلویزیون‌ها و نمایشگرها در فضاهای کم‌نور طراحی شده است. ازآنجا‌که اغلب نمایشگرها امکان تنظیم مقدار گاما را می‌دهند، تفاوت بین sRGB و Rec.709 نامحسوس است. sRGB با وجود پوشش رنگی محدود، به استاندارد غالب نمایشگرها با انواع شکل‌ها و اندازه‌ها تبدیل شده است. اغلب سیستم‌‌عامل‌های PC، از‌جمله ویندوز برای sRGB تنظیم شده‌اند. به‌طور مشابه، اغلب وب‌سایت‌ها و محتوای آن‌ها منطبق با استاندارد sRGB هستند.

AdobeRGB همان‌طورکه از نامش پیدا است، فضایی رنگی است که شرکت ادوبی آن را توسعه داد و به محبوبیت رسید. این فضا از sRGB وسیع‌تر است و تقریبا ۵۰ درصد از طیف رنگی مرئی را پوشش می‌دهد. AdobeRGB برخلاف اغلب دیگر فضاهای رنگی، برای ویدئو به‌کار نمی‌رود؛ بلکه به‌طور خاص برای عکاسی طراحی شده است. برای درک این موضوع، پرینترهای رنگی را در نظر بگیرید.

شاید متوجه شده باشید که پرینترها جوهر آبی یا قرمز یا سبز (RGB) را برای تولید پرینت رنگی ترکیب نمی‌کنند؛ بلکه اغلب تجهیزات پرینت رنگی از مدل رنگی CMYK (مخفف فیروزه‌ای، ارغوانی، زرد و سیاه) استفاده می‌کنند. در سال ۱۹۹۸، ادوبی فضای AdobeRGB را برای پوشش این فضای رنگی توسعه داد تا عکاسان کنترل بیشتری روی تصاویر چاپی خود داشته باشند. همچنین، AdobeRGB پوشش محدود sRGB از رنگ‌های فیروزه‌ای و سبز را دربر می‌گیرد که با نگاهی به نمودار کروماتیسیتی متوجه آن خواهید شد.

با اینکه بدون شک AdobeRGB فضای مناسبی برای عکاسی است، اغلب دوربین‌ها به‌صورت پیش‌فرض از فضای رنگی sRGB استفاده می‌کنند. دلیل این امر نیز آن است که اغلب تصاویر روی نمایشگرها به‌صورت دیجیتالی نمایش داده می‌شوند. علاوه‌بر‌این، حتی روی نمایشگرهای تطبیق‌پذیر اغلب برنامه‌ها نمی‌توانند خروجی AdobeRGB بگیرند. برای مثال، اگر وب‌سایتی شامل فایل AdobeRGB باشد، مرورگرهای وب به‌صورت خودکار آن را منطبق با فضای sRGB نمایش می‌دهند. با‌این‌حال، این فرایند تبدیل بی‌نقص نیست و اغلب اوقات نتیجه ظاهر بدتری از تصویر sRGB پیدا خواهد کرد.

به‌طور خلاصه، تنظیم محتوای AdobeRGB مستلزم استفاده از ابزارها و نرم‌افزارهای مختص تصویر است. اگر فایلی به‌صورت نامناسب تنظیم شده باشد، ممکن است با تصویر کم‌کیفیت sRGB روبه‌رو شوید. علاوه‌بر‌این، تقاضای کم مصرف‌کننده برای این فضا در سال‌های گذشته بدین‌معنی است که AdobeRGB گاموت رنگی محبوبی نیست. باوجوداین، برخی از انواع مانیتور پروفایل تصویری اختصاصی دارند که برای این فضا کالیبره شده‌اند.

DCI-P3 مخفف اقدام سینمای دیجیتال پروتکل ۳ است که صنعت سینما آن را به‌عنوان جایگزینی برای sRGB ساخت. این فضا ۲۷ درصد از ناحیه‌ی نمودار کروماتیسیتی را پوشش می‌دهد که بسیار مشابه AdobeRGB است. با‌این‌حال برخلاف انحراف سبز، فیروزه‌ای AdobeRGB فضای P3 روی سه رنگ اصلی توزیع شده است. در‌عمل، این یعنی نمایشگرهای DCI-P3 می‌توانند رنگ‌های زنده‌تر و اشباع‌تری را نمایش دهند.

ازآنجا‌که DCI-P3 برای استفاده در رسانه‌ی دیجیتالی طراحی شد، درمقایسه‌با AdobeRGB منعطف‌تر است. همچنین، تقریبا تمام انواع دستگاه‌های دیجیتالی از تلویزیون‌ها تا گوشی‌های هوشمند حداقل بخشی از این فضای رنگی را پوشش می‌دهند. افزون‌براین، نمایشگرهای باکیفیت‌تر تا ۹۰ درصد این فضا را پوشش می‌دهند.

Rec.2020 و 2100 جدیدترین گاموت‌های این فهرست هستند. Rec.2020 علاوه‌بر‌اینکه بزرگ‌ترین ناحیه‌ی نمودار کروماتیستی را پوشش می‌دهد، به تعریف استاندارد UHDTV (تلویزیون با وضوح بسیار زیاد) هم کمک کرد. به‌بیان‌ساده، اولین استانداردی است که از نمایشگرهای ۱۰ و ۱۲ بیتی و وضوح‌های بیشتری مثل 4K و 8K پشتیبانی می‌کند. این تعریف سرعت رفرش بیشتر بین 60Hz تا 120Hz را نیز شامل می‌شود.

گاموت Rec. 2020 نزدیک به ۷۵ درصد از طیف نور مرئی را پوشش می‌دهد که ۴۰ درصد از DCI P3 بیشتر است و حتی گام بزرگی درمقایسه‌با sRGB به‌شمار می‌رود. در‌‌واقع، این گاموت رنگی به‌حدی وسیع است که حتی بهترین نمایشگرها تنها ۶۰ تا ۸۰ درصد آن را پوشش می‌‌دهند. پیشرفت در فناوری میکرو LED و نمایشگر نقطه‌ی کوانتومی به بهبود قابلیت‌های تولید رنگی در طولانی‌مدت منجر می‌شوند.

Rec.2100 نسخه‌ی توسعه‌یافته‌ی Rec.2020 است؛ اما برخی پارامترهای آن مثل پوشش رنگی ثابت مانده‌اند. تنها مزیت آن پشتیبانی از داینامیک رنج بالا (HDR) از‌طریق دو فناوری است: گاما لاگ هایبریدی (HLG) و Perceptual Quantization. فناوری دوم مبنای فرمت‌های HDR مثل HDR10 و Dolby Vision را تشکیل می‌دهد و HLG نیز به‌صورت انحصاری برای پخش تلویزیونی به‌کار می‌رود.

با اینکه گاموت رنگی وسیع کاملا مطلوب است، تنها معیار کافی برای کیفیت نمایشگر نیست. قبلا درباره‌ی تأثیر طول گاما و عمق رنگی بر تصویر دریافتی صحبت کردیم. از این لحاظ، هیچ دو نمایشگری یکسان نیستند؛ حتی اگر گاموت‌های رنگی تقریبا یکسانی داشته باشند. دلیل این موضوع نیز وجود معیارهای مختلفی است که باعث تغییر در قابلیت رندر رنگی نمایشگر می‌شوند. معمولا این مشخصات را در اغلب نمایشگرها پیدا نمی‌کنید. علاوه‌بر پوشش رنگی، باید دو معیار دیگر را هم درنظر گرفت: Delta E و دمای رنگی.

Delta E را می‌توانید روشی برای اندازه‌گیری خطاها در خروجی رنگی نمایشگر در نظر بگیرید؛ اما خطای نمایشگر در عمل چگونه است؟ برای مثال، فرض کنید نمایشگر رنگ قرمز را نارنجی تیره نمایش می‌دهد. دراین‌میان، Delta E تفاوت بین خروجی رنگ نمایشگر و گاموت‌های استانداردی مثل sRGB را اندازه‌گیری می‌کند. به‌عنوان نمونه، نمودار زیر شاخص نمایشگر One Plus 8 Pro را در‌مقابل استاندارد sRGB نمایش می‌دهد. نتیجه نشان می‌دهد نمایشگر به‌جز برخی بخش‌های زرد و نارنجی، در اغلب نقاط به‌خوبی کالیبره شده است. میانگین Delta E (تفاوت بین خروجی و مرجع) در این نمونه تقریبا برابر با ۲/۸ است.

مقدار Delta E زیر یک نشان‌دهنده‌ی خطای درک‌نشدنی حداقل برای چشم انسان است. متخصصانی که از نمایشگرهای کالیبره استفاده می‌کنند، حداکثر Delta E برابر با ۲.۰ را ترجیح می‌دهند. هر مقداری بیشتر از این مقدار و تغییر دقت رنگی به‌وضوح تشخیص‌دادنی است.

نقطه‌ی سفید که با عنوان دمای رنگی هم شناخته می‌شود، تأثیر زیادی بر ظاهر رنگ‌های سفید نمایشگر می‌گذارد. به‌عنوان مثال، تصویر زیر نشان می‌دهد هر سفید در نمایشگرها مختلف چگونه به‌نظر می‌رسد. معمولا دمای رنگی را براساس کلوین اندازه‌گیری می‌کنیم و مقادیر دمای رنگ در طیف ۴۰۰۰ تا ۷۰۰۰ کلوین قرار می‌گیرند؛ اما چرا از کلوین استفاده می‌کنیم؛ درحالی‌که درباره‌ی دمای واقعی نمایشگر صحبت نمی‌کنیم؟ زیرا این مقیاس متناظر با رنگ نوری است که از شیء فلزی درخشان و داغ منتشر می‌شود. برای نمونه، گاز شعله در طیف زرد دیده می‌شود و در یک سر دیگر طیف آبی است. در نمایشگرها معمولا رنگ سفید دارای پوشش آبی را سفید سردتر می‌خوانیم.

استانداردهای رنگی نمایشگر نقطه‌ی سفید ۶۵۰۰ کلوین را مناسب ارزیابی می‌کنند که با نام D65 هم شناخته می‌شود. این در حالی است که دمای رنگی نور خورشید بین ۵۰۰۰ و ۶۰۰۰ کلوین است. اگر مقادیر Delta E یا نقطه‌ی سفید از مرز مشخصی عبور کنند، امکان کالیبره‌سازی مجدد نمایشگر وجود دارد. در‌واقع، نمایشگرهای با‌کیفیت که به‌صورت مناسب از کارخانه کالیبره‌ شده باشند، ممکن است در بلندمدت دچار انحراف شوند. افزون‌براین، ابزارهای کالیبره‌سازی ارزان نیستند و صرفا متخصصان می‌توانند خطاهای کوچک را احساس کنند.

چشم ما در طول دهه‌های گذشته به گاموت محدود sRGB عادت کرده است؛ با‌این‌حال، دلیل این موضوع آن است که تا همین چند سال پیش، تنها تعداد کمی از نمایشگرها به گاموت‌های رنگی وسیع‌تر مجهز بودند. صنعت نمایشگر د‌رنهایت به نقطه‌ای رسید که امروزه، پنل‌هایی با گاموت‌های رنگی وسیع به‌آسانی دردسترس مردم هستند. در‌عین‌حال، پیشرفت در فناوری دوربین باعث شده است فیلم‌سازان جزئیات رنگی بیشتری را ثبت کنند. ترکیب این دو مزیت باعث شده است گاموت‌هایی مثل DCI-P3 مقرون‌به‌صرفه و در‌دسترس باشند.

بسیاری از گوشی‌های هوشمند پرچم‌دار و میان‌رده نیز پوشش خوبی از فضای رنگی DCI-P3 را ارائه می‌دهند. برخی پرچم‌دارها مثل سونی ایکسپریا ۱ و آیفون ۱۳ فیلم‌ها را در گاموت رنگی وسیع‌تر ضبط می‌کنند. به‌طور مشابه، تلویزیون‌ها و نمایشگرها از sRGB عبور کرده‌اند. ازلحاظ نرم‌افزاری، سیستم‌عامل‌های موبایل و دسکتاپ هم از فضاهای رنگی بیشتر از sRGB پشتیبانی می‌کنند.

به‌طور‌کلی، هدف HDR نزدیک‌تر‌کردن تصاویر به واقعیت است. همان‌طور‌که انتظار می‌رود، نمایش پالت‌های رنگی درخشان به رسیدن به این هدف کمک می‌کند. اغلب فرمت‌های HDR از‌جمله Dolby Vision و HDR10+ مستلزم نمایشگرها و محتوایی هستند که حداقل فضای رنگی DCI-P3 را پوشش دهند. هدف صنعت نمایشگر پوشش کامل فضاهای رنگی گسترده‌تری مثل Rec. 2020 در آینده‌ای نزدیک است.