عمق رنگ در مانیتورها و تلویزیون‌های امروزی معمولاً ۸ بیت است اما گاهی با نمایشگرها و تلویزیون‌هایی که رنگ‌های ۱۰ بیتی  یا ۱۲ بیتی را پشتیبانی می‌کنند، مواجه می‌شویم و این سوال مطرح می‌شود که تفاوت چقدر است و اصولاً منظور از ۸ بیت و ۱۰ بیت و ۱۲ بیت در مشخصات نمایشگر یا تلویزیون چیست؟

در این مقاله به مفهوم عمق رنگ یا Color Bit Depth می‌پردازیم و سپس گستره‌ی رنگ sRGB را با BT2020 و DCI-P3 مقایسه می‌کنیم تا تفاوتی که در تنوع و تعداد رنگ‌ها وجود دارد روشن شود. اگر در مورد Dolby Vision‌ و فناوری HDR10 در تلویزیون‌ و مانیتور کنجکاو هستید، با سیاره‌ی آی‌تی همراه شوید.

مفهوم Bit Depth چیست؟

در دنیای کامپیوتر و نرم‌افزار، متغیرها را می‌توان با فرمت‌های مختلف ذخیره کرد و برای هر متغیر تعدادی بیت در نظر گرفت. هر بیت ۲ حالت ۰ و ۱ دارد و برای بیان کردن اعداد کوچک می‌توان از ۸ بیت داده استفاده کرد که مجموعاً ۲ به توان ۸ حالت یا معادل ۲۵۶ حالت مختلف دارد. بنابراین می‌توان اعداد صحیح بین ۰ تا ۲۵۵ را با متغیری که یک بایت (هر بایت معادل ۸ بیت است) فضا اشغال می‌کند، بیان کرد.

برای مشخص کردن رنگ یک پیکسل از سه ساب‌پیکسل قرمز یا Red و سبز یا Green و آبی یا Blue استفاده می‌شود و برای هر یک از این سه ساب‌پیکسل، ۸ بیت در نظر گرفته می‌شود. بنابراین غلظت رنگ قرمز و سبز و همین‌طور آبی، ۲۵۶ حالت مختلف دارد. با تنظیم کردن شدت روشنایی هر یک از ساب‌پیکسل‌ها می‌توان مجموعاً ۲۵۶ به توان ۳ حالت مختلف برای رنگ یک پیکسل ایجاد کرد که معادل ۲ به توان ۸ ضربدر ۳ حالت است. ۲ به توان ۲۴ حالت حدود ۱۶ میلیون حالت است و لذا ممکن است در بیان مشخصات، از عدد ۱۶ میلیون رنگ مختلف استفاده شود.

و اما مقوله‌ی تعداد بیت یا عمق بیت یا همان Bit Depth این است که برای هر متغیر چند بیت داده استفاده می‌شود. رنگ سبز یک متغیر است و اگر برای مشخص کردن شدت روشنایی رنگ سبز از ۸ بیت استفاده کنیم، اصطلاحاً گفته می‌شود که عمق رنگ یا عمق بیت رنگ معادل ۸ بیت است.

بنابراین اگر در مشخصات نمایشگری عدد ۱۶ میلیون رنگ یا عمق رنگ 8 bit را مشاهده کردید، این دو از نظر مفهوم یکسان هستند.

تفاوت عمق رنگ ۸ بیت با عمق رنگ کمتر در چیست؟

با توضیحاتی که در مورد عمق رنگ یا Bit-depth‌ رنگ‌ها دادیم، روشن است که هر چه عمق رنگ بیشتر باشد، تعداد حالت‌ها و در واقع تنوع رنگ‌ها بیشتر است.

قبلاً در معرفی مفاهیم اینکدر و دیکدر برای فشرده‌سازی ویدیو به مقوله‌ی عمق رنگ و اهمیت آن اشاره کردیم:

با یک مثال ساده می‌توان اهمیت عمق رنگ را به راحتی درک کرد. فرض کنید در فتوشاپ می‌خواهید از ابزار Gradient استفاده کنید و گرادیان رنگ قرمز روشن به قرمز تیره و حتی سیاه ایجاد کنید. اگر عمق رنگ مانیتور را از طریق تنظیمات ویندوز روی حالت ۸ بیت تنظیم کنید، نتیجه این است که شما تصویر سمت چپ را مشاهده می‌کنید که اصلاً شبیه به تغییر آرام رنگ‌ها از قرمز روشن به سیاه نیست!

حالت وسط مثل حالت سمت چپ است و از عمق رنگ ۸ بیت استفاده شده با این تفاوت که با ایجاد نویز مصنوعی تلاش شده که تغییر رنگ به نظر آرام و تدریجی برسد. حالت سمت راست حالتی است که از ۲۴ بیت داده برای توصیف سه رنگ قرمز و آبی و سبز استفاده شده و در واقع رنگ قرمز به تنهایی دارای ۲۵۶ حالت است. در نتیجه تغییرات رنگ بسیار آرام است و هیچ مرز یا نویز خاصی مشاهده نمی‌کنیم.

در گستره‌ی رنگ sRGB که تا چند سال پیش در اغلب محصولات استفاده می‌شد، برای هر رنگ ۸ بیت در نظر گرفته شده است که در آزمایشات بینایی انسان، ممکن است برخی متوجه تغییرات جزئی رنگ‌های مشابه شوند و به همین جهت مبحث بهبود عمق رنگ مطرح شده است و استانداردهای جدیدتر مثل HDR10 و Dolby Vision به وجود آمده است.

نمایشگرهای HDR و عمق رنگ بالاتر از ۱۰ بیت

در برخی تلویزیون‌ها و نمایشگرهای پیشرفته‌ی امروزی از فناوری HDR استفاده شده است. توجه کنید که عبارت HDR در مقوله‌ی عکاسی و نمایشگر و حتی صدا و اسپیکر کاربرد دارد و مخفف High Dynamic Range به معنی محدوده‌ی دینامیکی بالا یا در واقع محدوده‌ی تغییرات گسترده است. در واقع اگر از HDR پشتیبانی شده باشد، تفاوت بالاترین سطح و پایین‌ترین سطح یک کمیت بیشتر می‌شود.

به عنوان مثال HDR در عکاسی به معنی تفاوت بین روشنایی روشن‌ترین نقاط و سیاهی سیاه‌ترین نقاط تصویر است که قبلاً به توضیحات بیشتر در مورد آن پرداختیم:

البته نباید جزئیات بخش‌های تاریک یا روشن از بین برود. به نمونه تصاویر HDR و معمولی دقت کنید، در حالت HDR با توجه به اینکه تنوع رنگ‌های نزدیک به سفید یا سیاه بیشتر است، جزئیات این بخش‌ها را می‌توان تشخیص داد:

عکس با پرتوگیری کم
عکس با پرتوگیری زیاد
عکس HDR
عکس HDR‌بهینه شده

در نمایشگرها برای نمایش رنگ‌هایی که از نظر روشنایی تنوع بیشتری دارند، علاوه بر اینکه نمایشگر باید پیشرفته‌تر و باکیفیت‌تر باشد، عمق رنگ نیز می‌بایست بالاتر باشد. در پاسخ به این سوال که چه عمق رنگی برای فناوری HDR در نمایشگرها کافی و ضروری است، از Barten Threshold استفاده می‌شود که حاصل مطالعه در مورد نحوه‌ی ادراک چشم انسان از کنتراست در روشنایی است. کمپانی معروف Dolby در تدوین استاندارد HDR که در Dolby Vision و HDR10 لحاظ شده، به این نتیجه رسیده که Bit-depth حداقل باید ۱۰ بیت باشد و حتی با استفاده از ۱۰ بیت هم چشم انسان به سختی تغییرات جزئی بین دو حالت مجاور را تشخیص می‌دهد. اگر عمق رنگ ۱۲ بیت باشد، تشخیص کوچک‌ترین تغییرات هم غیرممکن می‌شود و لذا در نمایشگرهای HDR امروزی از عمق رنگ ۱۰ یا ۱۲ بیت استفاده می‌شود.

توجه کنید که در استاندارد Dolby Vision عمق رنگ ۱۲ بیت ذکر شده و لذا نمایشگری که از دالبی ویژن پشتیبانی می‌کند، باکیفیت‌تر است. البته تفاوت‌ها بسیار کم است و شاید اگر به صورت بسیار اغراق‌آمیز مثالی بزنیم، تصویر زیر مناسب باشد!

بنابراین در نمایشگرهای HDR برای هر پیکسل می‌بایست سه بسته‌ی ۱۰ بیتی داده که مشخص‌کننده‌ی روشنایی رنگ‌های قرمز و سبز و آبی است، فراهم شود و این نقش کارت گرافیک و تنظیمات مربوط به نمایشگر در سیستم عامل است. به عبارت دیگر می‌توانید تلویزیون یا مانیتور HDR خریداری کنید اما عمق رنگ را مثل قبل ۸ بیت انتخاب کنید که انتخاب بهینه‌ای برای مانیتور جدید و باکیفیت شما نیست.

آیا با افزایش تنوع رنگ‌ها، تعداد رنگ‌های جدید هم بیشتر شده است؟

با افزایش تعداد رنگ‌هایی که به کمک فناوری HDR می‌توان نمایش داد، این سوال مطرح می‌شود:

آیا در حال حاضر سیاه‌ترین و روشن‌ترین حالت رنگی مثل قرمز هم تغییر کرده است یا صرفاً تعداد رنگ‌های مابین سیاه و قرمز کاملاً نورانی بیشتر شده است؟

در پاسخ به این سوال باید به مفهوم گستره‌ی رنگ اشاره کنیم. Color Gamut یا گستره‌ی رنگ را می‌توان در فضای رنگ یا Color Space تعریف و نمایشی گرافیکی از آن ارایه کرد. فضای رنگ XYZ که هر رنگ اصلی قرمز و آبی و سبز به عنوان یک محور مختصات نشان داده می‌شود، پیچیده به نظر می‌رسد لذا از فضای رنگ YUV استفاده می‌شود.

در فضای رنگ YUV هر یک از رنگ‌ها دارای سیاهی و سفیدی و همین‌طور فام رنگ هستند. گویی که یک تصویر سیاه و سفید را با دو تصویر رنگی ترکیب کنیم. مزیت YUV این است که در تلویزیون‌ها و مانیتورهای سیاه و سفید و سایر تجهیزات مثل پرینترها هم می‌توان به راحتی از آن استفاده کرد.

  • Y معادل روشنایی کلی است که از ضرب کردن سه ضریب در مقدار سه رنگ محاسبه می‌شود.
  • U و V دو کمیت برای مشخص کردن فام رنگ هستند که با استفاده از سه ضریب برای سه رنگ اصلی محاسبه می‌شوند.

صرف‌نظر از اینکه ضرایب ذکر شده چه اعدادی هستند، نتیجه‌ی نهایی این است که گستره‌ی رنگ sRGB در فضای رنگ YUV به صورت مثلثی در تصویر زیر است:

در حال حاضر برای توصیف رنگ‌ها از دو گستره‌ی رنگ DCI-P3 و BT2020 استفاده می‌شود که هر دو گسترده‌تر از sRGB محسوب می‌شوند. گستره‌ی رنگ P3 از نظر تعداد رنگ‌ها کمی کمتر از ۲ برابر sRGB است و BT2020 هم کمی بیشتر از ۲ برابر گستره‌ی رنگ sRGB است. در تصویر زیر مقایسه‌ای بین این سه استاندارد داشته باشید و توجه کنید که Rec. 709‌ معادل sRGB است:

بنابراین پاسخ سوالی که در مورد معرفی رنگ‌های جدید ذکر شد، مثبت است. در تلویزیون‌های HDR10‌ و دالبی ویژن می‌توان رنگ‌های جدیدی را مشاهده کرد که کم و بیش غلیظ‌تر از غلیظ‌ترین رنگ‌های قرمز و آبی و سبز در مانیتورها و تلویزیون‌های قدیمی‌تر هستند. این تفاوت را نمی‌توان با تصاویر به صورت واقعی بیان کرد اما به صورت اغراق‌آمیز، تفاوت به این صورت است: