استاندارد HDR چیست و تفاوت عمق رنگ ۸بیت با ۱۰بیت چیست؟

اگر اخبار دنیای فنی تلویزیون را دنیال کرده باشید قطعا نام HDR و عمق رنگ ده بیت | 10Bit را شنیده اید، اما عمق رنگ چیست و چه تفاوتی با یکدیگر دارند. در ادامه این مقاله همراه باشید

• HDR واقعا چیست؟

اصطلاح HDR مخفف عبارت High Dynamic Range به‌مفهوم محدوده‌ی دینامیکی گسترده است و درمقابلِ SDR به‌مفهوم محدوده‌ی دینامیکی استاندارد قرار دارد. بسیار مهم است برای درک کامل مفهوم HDR، عملکرد چشم انسان در نمایش رنگ‌ها را متوجه شویم. در علم فیزیک، رنگ‌ها گستره‌ای از طول‌موج‌های الکترومغناطیسی با نام طیف مرئی هستند که با چشم رؤیت ‌می‌شوند. طول‌موج طیف مرئی بین ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر و بسامد این امواج بین ۴۰۰ تا ۷۰۰ تراهرتز است. در این طیف، رنگ قرمز بیشترین طول موج را درحدود ۶۲۰ تا ۷۵۰ نانومتر دارد و رنگ بنفش با ۳۸۰ تا ۴۵۰ نانومتر، کمترین طول موج و بیشترین بسامد را دارد. 

• چگونگی ارتباط رنگ‌ها با ویژگی HDR

اساسا رنگ‌ها چه‌ ربطی به HDR یا SDR دارند؟ دراصل، آنچه بین این موارد ارتباط برقرار می‌کند، گاموت‌های رنگ است. گاموت رنگ محدوده‌ای از رنگ‌ها است که می‌توان با ساب‌پیکسل‌های رنگ آبی و قرمز و سبز دردسترس ایجاد کرد. هر رنگی بین این سه رنگ اصلی را می‌توان تولید کرد؛ اما رنگ‌های خارج از این محدوده تولیدکردنی نیستند.

همان‌گونه‌ که در نمودار پایین مشاهده می‌کنید، یکی از دو مفهومی که فناوری HDR دنبال می‌کند، گسترش مثلث کوچکِ محدوده‌ی رنگ BT یا 709 یا SDR که در مانیتورهای معمولی دردسترس است، به حیطه‌ای است که تمامی رنگ‌های قابل‌مشاهده‌ی انسان را شامل شود. هدف نهایی HDR رسیدن به محدوده‌ی مثلث تعریف‌شده با نام BT.2020 است. مشکل فعلی این است که تنها راه ساخت رنگ‌هایی که در این گاموت رنگ وجود دارد، استفاده از لیزرها است که آن هم شدنی نیست. به عبارت دیگر، پروژکتورهای لیزری گران‌قیمت، تنها دستگاه‌هایی هستند که در‌حال‌حاضر قابلیت نمایش تمامی رنگ‌ها را دارند و تنها تعداد محدودی از این پروژکتورها، طول‌موج‌هایی در محدوده‌ی گاموت BT.2020 منتشر می‌کنند.

صفحه‌نمایش‌های امروزی که به فناوری HDR مجهز هستند، به‌جای فضای رنگ BT.2020 از گاموت محدودتر DCI-P3 پشتیبانی می‌کنند که این طیف از رنگ، در  LCDها و OLEDها و پروژکتورها قابلیت بازتولید‌ دارد. با وجود آنکه گاموت مذکور کوچک‌تر از طیف کامل BT.2020 است، به‌صورت چشمگیری، رنگ‌های بیشتری را در مقایسه با گاموت SDR پوشش می‌دهد. DCI-P3 محدوده‌ی رنگی است که به‌تازگی در ساخت و ویرایش فیلم‌های سینمایی از آن استفاده می‌شود. به بیان بهتر، اکنون در بازار دستگاه و محتوایی که از این گاموت گسترده‌ی رنگ پشتیبانی کند، به‌وفور یافت می‌شود.

اگرچه این احتمال وجود دارد تا در آینده، گاموت BT.2020 همه‌گیر شود چنانچه اکنون نیز شبکه UHD آزمایشی صداوسیما از این نوع گاموت بهره می‌برد، البته تا زمان پشتیبانی واقعی صفحه‌نمایش‌های رایج از این فناوری که آماج HDR است، باید منتظر ماند. البته همان‌گونه که پیش‌تر اشاره شد، فناوری HDR دو مفهوم اساسی دنبال می‌کند که یکی از آن‌ها پشتیبانی نمایشگر از تاریک‌ترین سیاهی‌ها و روشن‌ترین سفیدی‌ها است.

• روشنایی و قابلیت HDR

هدفی که فناوری HDR دنبال می‌کند، ساده‌ است: ایجاد تصاویری با روشنایی شدید. دالبی اولین شرکتی بود که در این مسیر گام نهاد و آزمایش‌هایی به‌منظور ایجاد استانداردی برای HDR آغاز کرد و ۱۰ هزار نیت روشنایی را به‌عنوان حد روشنایی پذیرفتنی در آزمایش‌های خود به‌کار بست. به همین دلیل، توابع انتقال الکترواپتیکال رایج یا به‌اختصار EOTF را که تمامی استانداردهای HDR به‌کار می‌گیرند، سرحد ۱۰ هزار نیت روشنایی دارند. EOTF تابعی ریاضی برای انتقال سیگنال الکترونیکی به سیگنال نوری مدنظر است؛ یعنی تبدیل تابع دیجیتال به آنالوگ.

در مقام مقایسه، گاموت BT.709 با حداکثر ۱۰۰ نیت روشنایی برآورده می‌شود؛ پس براساس مقیاسی که در این مقاله به‌کار رفته است، صفحه‌نمایش‌های HDR باید ۶/۵ نقطه‌ی ایستایی بیشتر از نمایشگر SDR نور تولید کند. به بیان بهتر، سیطره‌ی روشناییِ صفحه‌نمایش‌های SDR بین ۱ تا ۱۰۰ نیت یا ۶/۵ نقطه‌ی ایستایی است (لگاریتم ۱۰۰ برپایه‌ی دو). در همین حال، HDR در حالت ایده‌آل می‌تواند به‌اندازه‌ی ۱۳/۵ نقطه‌ی ایستایی روشنایی تولید کند؛ از‌این‌رو، با توجه به اطلاعات به‌دست‌آمده، روشنایی صفحه‌نمایش‌های HDR دست‌کم دوبرابر SDR است. 

تمامی اطلاعات درباره‌ی نور و رنگ‌ باید برای پخش در خروجی نمایشگر در محتوای ویدئویی ذخیره شوند و نمایشگر امکان پردازش محتوای ذخیره‌شده را داشته باشد. اطلاعات رنگ‌ها و سطوح روشنایی در دنیای دیجیتال، به‌صورت اعداد باینری در قالب محتوای ویدئویی ذخیره‌شده، هنگام پخش پردازش و در خروجی داده می‌شوند. بنابراین، عدد X که تعداد بیت‌ها به‌ازای هر رنگ یا به‌اصطلاح عمق رنگ است، مقدار متناسب Y از اطلاعات را عرضه می‌کند (بیت‌ها صفر و یک‌های دیجیتالی هستند).

ازآنجاکه با افزایش تعداد بیت‌ها (افزایش حجم رنگ‌ها و اطلاعات مربوط به روشنایی) باندینگ کمتر می‌شود، باید به تعداد بیت‌های ذخیره‌ی محتوای ویدئویی و امکان پشتیبانی نمایشگر از آن بیشتر توجه کنیم. باندینگ درواقع جهش‌هایی در رنگ‌ها و روشنایی است که به‌دلیل کافی‌نبودن اطلاعات رنگ‌ و روشنایی (نبود اطلاعات کافی از رنگ‌های میانه، برعکس آنچه در مثال چشم انسان توضیح داده‌ شد)، باعث می‌شود انتقال روانی میان پیکسل‌ها صورت نپذیرد. 

• تفاوت عمق رنگ ۱۰ بیت با ۸ بیت

هدف HDR این است که با کمترین تعداد بیت ممکن، رنگ و روشنایی مطلوب را بدون باندینگ نمایش دهد. در محدوده‌ی رنگ SDR، عمق هر رنگ یا تعداد بیت برای بیان آن هشت بیت است؛ بنابراین در هر صحنه، برای نمایش هر پیکسل (متشکل از سه رنگ آبی و سبز و قرمز) ۲۴ بیت داده موردنیاز است. خوشبختانه اعداد باینری نیز برپایه‌ی لگاریتم دو هستند؛ پس با اضافه‌شدن هر یک بیت، میزان اطلاعات ذخیره‌شدنی دوبرابر می‌شود. در تصویر زیر، با افزایش عمق رنگ از هشت بیت به ۱۰ بیت، اطلاعات بسیار بیشتری از نور و روشنایی در خروجی بازتاب می‌یابد و انتقال میان رنگ‌ها روان‌تر است و باندینگ قابل‌مشاهده تقریبا از بین رفته است.

در صفحات HDR آنچه اهمیت دارد، میزان واقعی از روشنایی منتقل شده است. آستانه‌ای از تعداد بیت‌های هر پیکسل که در آن باندینگ متوقف می‌شود، برابر با ۱۰ بیت است و آستانه‌ی بارتِن نام دارد. بنابراین، تعداد بیت‌ها (عمق رنگ) در HDR دست‌کم باید ۱۰ بیت باشد. همچنین، عمق رنگ ۱۲ بیت برای نمایش سیگنال‌های HDR به‌خوبی بسنده می‌کند و می‌تواند اطلاعات مربوط به گاموت REC ۲۰۲۰ را کاملا پوشش دهد. پردازش چنین حجمی از اطلاعات نیازمند سخت‌افزار و نرم‌افزاری قدرتمند با قابلیت پشتیبانی واقعی از HDR است. تا لحظه انتشار این مقاله تنها شبکه سه سیما در نسخه HEVC HD از عمق رنگ 10 بیت استفاده می کند

تا اینجای مقاله، مشخص است فناوری HDR حیطه‌ی وسیع‌تری از رنگ‌ها را پوشش می‌دهد و روشنایی بیشتری ایجاد می‌کند؛ اما آیا نمایشگرهای موجود در بازار تمامی این قابلیت‌ها را دارند؟ درابتدا، بهتر است نگاهی مختصر به استانداردهای تعریف‌شده‌ی HDR بیندازیم.

HDR10

۲۷ اوت ۲۰۱۵، انجمن فناوری مصرف‌کنندگان استاندارد HDR10 را به‌وجود آورد. این استاندارد از گاموت REC.2020 وسیع بهره می‌برد و عمق رنگ تعریف‌شده‌ی آن ۱۰ بیت است. تابع انتقال در این استاندارد SMPTE ST 2084 یا PQ است. بعدها گاموت BT.2100 جایگزین گاموت یادشده در این استاندارد شد. این استاندارد ۱۰۰۰ نیت روشنایی را در صفحه‌نمایش‌ها نوید می‌دهد. استاندارد HDR10 استانداردی متن‌باز است که طیف گسترده‌ای از سازندگان نمایشگرهای کامپیوتر یا تلویزیون ازجمله ال‌جی، سامسونگ، دل، سونی و اپل از آن استفاده می‌کنند.

دالبی‌ویژن

دالبی‌ویژن همان‌گونه که پیش‌تر گفته شد، استانداردی اختصاصی از آزمایشگاه‌های دالبی است. تولیدکنندگان در دستگاه‌هایشان می‌توانند از این استاندارد به‌صورت اختیاری بهره ببرند که به‌ازای هر نمایشگر هزینه‌ای سه‌دلاری را به این تولیدکنندگان تحمیل خواهد کرد. عمق رنگ در این استاندارد ۱۲ بیت است و روشنایی صفحاتی که از این استاندارد پشتیبانی می‌کنند، ۱۰ هزار نیت یا کاندلا در مترمربع است. استاندارد ذکرشده از متادیتای پویا و داینامیک برای بهبود روشنایی و کنتراست فریم‌به‌فریم بهره می‌برد. شرکت‌هایی مانند ال‌جی و TCL و Vizio در دستگاه‌های خود از این استاندارد پشتیبانی می‌کنند.

Hybrid Log-Gamma یا به‌اختصار HLG

HLG یکی از استانداردهای HDR است که BBC و NHK آن را به‌طور مشترک ساخته‌اند. اگرچه این استاندارد به عمق رنگ ۱۰ بیتی نیاز دارد، با نمایشگرهای محدوده‌ی دینامیکی استاندارد (SDR) سازگار است. HLG تابع انتقال الکترواپتیکال یا به‌اختصار OETF غیرخطی را معرفی می‌کند که در آن نیمی از مقادیر سیگنال از منحنی گاما و نیمه‌ی بالایی مقادیر سیگنال از منحنی لگاریتمی استفاده می‌کنند. استاندارد HLG بدون حق امتیاز و با نمایشگرهای SDR سازگار است. در مطالب قبل بطور کاملتر در خصوص HLG توضیح داده ایم که می‌توانید آن را از اینجا مشاهده کنید.

+HDR10

۲۰ آوریل ۲۰۱۷، سامسونگ و آمازون استاندارد +HDR10 را خلق کردند. این شرکت‌ها با اضافه‌کردن متادیتای پویا و داینامیک که می‌تواند برای تنظیم دقیق‌تر میزان روشنایی به‌صورت صحنه‌به‌صحنه و فریم‌به‌فریم به‌کار رود، استاندارد HDR10 را به +HDR10 به‌روز‌رسانی کردند. ویژگی ذکر‌شده همانی است که پیش‌تر در استاندارد دالبی‌ویژن شاهد بودیم. حق امتیاز این فناوری با پرداخت هزینه دراختیار شرکت‌هایی خواهد بود که با استاندارد +HDR10، محصولات خود را تولید می‌کنند.

استانداردهای VESA

سازمان استاندارد VESA پیش‌گام ایجاد استانداردهایی برای نمایشگرهای HDR با عنوان DisplayHDR شده و آن‌ها را با سطوح مختلفی از این استاندارد طبقه‌بندی می‌کند. نزدیک به ۲۰ شرکت ازجمله سامسونگ، انویدیا، ایسوس، دل و اچ‌پی در این پروژه همکاری می‌کنند. استانداردهای DisplayHDR در درجات ۴۰۰ و ۶۰۰ و ۱۰۰۰ برای صفحه‌نمایش‌ها و درجاتی دیگر برای صفحات OLED صادر می‌شوند که در آینده قابلیت HDR خواهند داشت. این استانداردها کمک شایانی به تشخیص صفحات HDR می‌کنند. برای مثال، اگر شرکتی بر قابلیت‌های HDR در نمایشگرهای خود تأکید می‌ورزد؛ درحالی‌که هیچ اشاره‌ای به گواهینامه‌ی استاندارد DisplayHDR سازمان VESA نمی‌کند، مشخص است باید دور صفحه‌نمایش‌های این شرکت را خط کشید.

صفحه‌نمایش‌هایی که مدعی‌اند از قابلیت HDR پشتیبانی می‌کنند، درصورت نداشتن برچسب استاندارد VESA، به‌احتمال زیاد هیچ تجربه‌ای از HDR واقعی را به‌ کاربران القا نخواهند کرد. کاربران هنگام خرید باید دقت کنند و تمامی آنچه این صفحات ارائه می‌دهند، ازجمله عمق رنگ و گاموت رنگی و دیگر موارد را بررسی کنند. درضمن، مصرف‌کنندگان مطابق با آنچه ذکر شد، نباید صفحه‌نمایش‌هایی بخرند که برچسب DisplayHDR 400 دارند. این استاندارد به‌هیچ‌وجه مزایای HDR واقعی را ارائه نمی‌کند و تنها تصاویر را اندکی روشن‌تر از قبل جلوه می‌دهد. شاید تولیدکنندگان پشتیبانی از گاموت رنگ گسترده‌تری برای نمایشگرهایی با این استاندارد در نظر بگیرند؛ اما برای به‌دست‌آوردن نشان DisplayHDR 400 حتی هیچ اجباری برای این کار وجود ندارد.

• قابلیت پشتیبانی از ورودی HDR یا پشتیبانی از HDR10

برخی از شرکت‌ها چنین عناوینی را برای بازاریابی محصولات خود به‌کار می‌گیرند. برای مثال، در سال‌های ابتداییِ پیدایش فناوری HD برخی از تولیدکنندگان محصولات خود را با برچسب HD ready می‌فروختند؛ اما صفحه‌نمایش‌هایشان تنها قابلیت دریافت سیگنال‌های HD را داشت و از  نمایش محتوای HD عاجز بود. گفتن اینکه صفحه‌‌نمایش می‌تواند از ورودی HDR یا منابع HDR10 پشتیبانی کند، کاملا بی‌معنی و برای مصرف‌کننده گمراه‌کننده است. قابلیت پشتیبانی از ورودی HDR به خودیِ‌خود خوب است؛ اما صفحه‌نمایش نیز باید بتواند محتوای HDR را پخش کند. در بازار بسیاری از صفحه‌نمایش‌ها را با برچسب HDR می‌توان یافت که توانایی نمایش محتوایی با دامنه‌ی داینامیک گسترده یا هیچ‌چیزی را ندارند که به HDR ربط پیدا کند. تلاش‌های دیگری نیز برای گمراه‌کردن مصرف‌کنندگان، مانند ایجاد نشان‌های HDR اختصاصی و طرح‌های نام‌گذاری دروغین، ممکن است در محصولات موجود در بازار دیده شود؛ اما بازهم هیچ‌یک از این دستگاه‌ها، عملکرد ویژه‌ی HDR را ارائه نمی‌دهند. لازم است هنگام خرید صفحه‌نمایش‌ها، به استانداردهای روی محصول توجه ویژه‌ای کنید و جزئیات کاتالوگ آن را با دقت بیشتری بخوانید.