رقم المحاضرة ( 1 )
مقدمة:
تعد معالجة الصور الرقمية digital image processing احد أهم مجالات علوم الحاسبات, كما يعد أيضا من المجالات العلمية المثيرة في وقتنا الحاضر و التي يشار إليها أحيانا بمصطلح computer imaging.
إن الاهتمام بموضوع معالجة الصور الرقمية ينبع من مجالين أساسين :
1- تحسين المعلومات المصورة لتسهيل تفسيرها و فهمها للبشر.
2- معالجة بيانات الصورة لإغراض ( التخزين على أوساط مختلفة, إرسال الصورة من مكان
إلى أخر بأقل عرض نطاق ممكن , الإدراك الآلي للصورة ومحتوياتها بدون مساعدة بشرية ,........الخ)
نشأة المعالجة الرقمية للصور
يرجع البعض نشأة المعالجة الرقمية الصور إلى أوائل العشرينات عندما أرسلت الصورة الرقمية لإنباء الإحداث العالمية لأول مرة بواسطة كابل يجري cable بين نيويورك و لندن. لكن تطبيقات معالجة الصور الرقمية لم تصبح واسعة الانتشار إلا في أواسط الستينات عندما بدأت حواسيب الجيل الثالث تقدم إمكانيات السرعة و الخزن اللازمة للتنفيذ العملي لخوارزميات معالجة الصور. منذ ذلك الوقت شهد هذا المجال نموا نشطا لأنه أصبح موضوع بحث و دراسة متصلين بعدة مجالات. إن نتائج هذه الجهود أثبتت تقنيات أهمية تقنيات معالجة الصور في مسائل متنوعة يمتد مجالها من استعادة وتحسين الصور المرسلة من مجسات فضائية إلى معالجة بصمات الأصابع من اجل المعاملات التجارية.
لقد توسع مجال تطبيقات معالجة الصور حتى شمل مختلف أنشطة الحياة. فأصبح يشمل على سبيل الذكر لا الحصر , الطب و الفضاء و الإذاعة المرئية و الدفاع و بحوث الفضاء, و الاتصالات ..........الخ. و أصبح الإلمام بمبادئ معالجة الصور ليس أمر مرغوبا فحسب بل ضرورة في كثير من الحالات لان المنتجات الصناعية التي تعتمد على معالجة الصور تغزو العالم كله.
إن المعلومات المرئية Visual informationالتي تنقل على هيئة صور رقمية digital image قد أصبحت أسلوب اتصال أساسي في الوقت الحاضر( أي عصر المعلوماتية).
يمكن تعريف مصطلح computer imaging بأنه عملية اكتساب (الحصول على) و معالجة المعلومات المرئية بوساطة الحاسوب.
يمكن تصنيف معالجة الصور الرقمية إلى صنفين أساسين : الرؤية بالحاسوب computer vision و معالجة الصور image processing .
في مجال تطبيقات الرؤية بالحاسوب فان الصور المعالجة والناتجة تكون معدة للاستخدام بواسطة الحاسوب ( معالجة بيانات الصور لإدراكها من قبل الحاسوب )ويتم التركيز على عملية استخلاص معلومات extraction من الصور بشكل ملائم من اجل المعالجة بالحاسوب غالبا ما تحمل هذه المعلومات شبها صغيرا للخصائص المرئية التي تستعمل من قبل البشر في تفسير محتوى الصور. ومن التطبيقات النموذجية في مجال الرؤية بالحاسوب التعرف الآلي على الأحرف الأبجدية, الإنسان الآلي robots , والمعالجة الإلية لبصمات الأصابع و معالجة الآلة للصور الجوية و في المجال العسكري.....الخ.
أما الصنف الأخر فهو تحسين المعلومات المكونة على شكل صور من أجل تفسيرها من قبل الإنسان. إن الهدف من تقنيات هذا المجال هو مساعدة الإنسان في تفسير الصور. و إن تطبيقات هذا المجال تتطلب فهم كيفية عمل نظام الرؤية البشرية Human visual system.
يمتلك نظام الرؤية البشرية Human visual system (HVS) محددات و مقدرات مختلفة عن الحاسوب الذي يعد كنظام رؤية و بالتالي فان موضوع معالجة الصور الرقمية بوساطة الحاسوب يحتاج إلى إدراك وظيفة هذين النظامين المختلفين.
يوضح الشكل رقم (1) الصنفين المذكورين
شكل رقم(1) أصناف معالجة الصور الرقمية
تمثيل الصور الرقمية Digital Image Representation
يشير مصطلح الصورة الرقمية إلى دالة شدة الإضاءة ثنائية الإبعاد two –dimensional light intensity function يرمز لها بالرمز f(x, y) حيث إن y, x يشيران إلى الإحداثيات الحيزية Spatial Coordinates , إن x يمثل الاحداثي الأفقي, و y يمثل الاحداثي العمودي. و تمثل قيمة f شدة لمعان الصور brightness عند تلك النقطة. في بعض الأحيان يتم إظهار
الصورة بشكل دالة مستمرة (بشكل منظوري) حيث يمثل البعد الثالث اللمعان. إذا تم إظهار الصورة بهذه الطريقة فستبدو الصورة على شكل قيم حادة في المناطق التي توجد فيها تغييرات كثيرة في مستويات الشدة وأماكن مستوية في المناطق التي قلما تنوعت فيها مستويات الشدة أو كانت ثابتة.
يتم تحويل الإشارة الفيديوية القياسية analog video signal إلى صورة رقمية بأخذ عينات من الإشارة المستمرة sampling في فترات ثابتة . نلاحظ في الشكل رقم (2) جزء من إشارة فيدوية قد اخذ عينات منها ( أي تمت تحويلها إلى إشارة رقمية)بوساطة قياس الفولتية للإشارة عند فترات زمنية ثابتة.
و بذلك تمثل الصورة الرقمية على هيئة مصفوفة ثنائية الإبعاد من الإعداد الحقيقية وإذا افترضنا إن عدد الصفوف هو M وعدد الأعمدة هو N فانه يمكننا الآن بدلا من استخدام القيم الفعلية لكل من X, y إن نستخدم أعدادا صحيحة متتالية..M-1,0..N-1) (0 , لان الصورة أصبحت الآن مجرد مصفوفة وبافتراض إن أول نقطة هي (x0,y0)=(0,0) يمكننا الآن كتابة دالة الصورة كالتالي:
و تسمى كل قيمة من قيم مصفوفة الصورة بعنصر الصورة (picture element) أو((pixel أو (pel) أو (image element) و الذي يحدد قيمة المستوى الرمادي أو شدة اللون gray-level عند تلك النقطة , و يمكن الآن كتابة المصفوفة المعبرة عن الصورة الرقمية في صورة هي
حيث a(I, j)=f(x=I, y=j) =f(I, j)
من المصفوفة أعلاه نلاحظ إن حجم الصورة هو MxN و الذي يتطلب اتخاذ قرار بخصوص قيمة N,M بالإضافة إلى عدد المستويات الرمادية المسموح بها لكل عنصر صورة (number of gray levels)الذي نرمز له بالرمز G . من المتعارف عليه في معالجة الصور الرقمية إن تجعل هذه الكمية قوى صحيحة للعدد 2 ,أي:
و بذلك فان k تشير إلى عدد البتات المخصصة لتمثيل كل مستوى رمادي. إن مدى المستويات الرمادية G يمتد بين 0, L-1 على السلم الرمادي و يمكن حساب عدد البتات المطلوبة لخزن صورة رقمية عن طريق المعادلة الآتية:
و في هذه الحالة تسمى الصورة بالـ k bit image فمثلا الصورة التي تحوي 256 مستوى رمادي تسمى بالـ8-bit image.
مثال/ إذا كان لديك مصفوفة صورة إبعادها و فيها 64 مستوى رمادي, جد عدد البتات المطلوبة لخزن كل مستوى رمادي و كذلك عدد البتات المطلوبة لخزن هذه الصورة.
الجواب/
درجة ثبات الصورة Image Resolution
يشير مصطلح ثبات الصورة Resolution إلى القابلية على الفصل بين عنصري صورة متجاورين فإذا استطعنا ملاحظة عنصريين متجاورين بأنهما قابلان للفصل, عند ذلك يمكن القول إننا نستطيع فصل الاثنين. إن درجة ثبات صورة ما يعتمد على قيمة N وk المذكورتين في المعادلتين 2 و 3 على التوالي. فكلما زادت قيمة هذين المقدارين, كلما مثلت المصفوفة الرقمية للصورة الأصلية بشكل أفضل لكن ذلك سيؤثر على المعادلة 4 و التي تشير بوضوح إلى الخزن و بالتالي متطلبات المعالجة و تزداد متأثرة بزيادة mو N.
يوجد هنالك ثلاثة أنواع من ثبات الصورة:
1- الثبات العمودي Vertical Resolution و هو عدد الصفوف M في الصورة Image Scan Line .
2- الثبات الأفقي Horizontal Resolution و هو عدد الأعمدة N في الصورة.
3- ثبات التردد ألحيزي Spatial Frequency Resolution و هو يمثل حاصل ضرب MxN و هو اقرب إلى مفهوم التردد ألحيزي Spatial-Frequency و الذي يشير إلى كيفية تغيير الإشارة بسرعة في الإحداثيات الحيزية. لذلك فان ثبات الصورة العالي يعطي تفاصيل أكثر high frequency .
أنواع الصور Images Types
يتم تمثيل الصورة الرقمية f(x,y) على شكل مصفوفة بيانات ثنائية الإبعاد ، إذ تطابق قيمة كل عنصر قيمة لمعان الصورة عند النقطة (x, y) لذا فان قيمة و طول العنصر f(x,y) يتغير من صورة إلى أخرى لذلك تقسم الصور إلى أنواع هي:-
1- الصور الثنائيةBinary image
هي ابسط أنواع الصور و تأخذ قيمتين هما الأبيض 1 و الأسود 0 يتم تمثيل عنصر الصورة في هذا النوع من الصور برقم ثنائي واحد ( 1 binary digit) وان ابسط مثال عليها هو النصوص (text) و هي صور الكتابة في نظام الـ word . يتم تكوينها غالبا من صور ذات gray scale image بواسطة عملية العتبة threshold فإذا تجاوزت قيمة العنصر الصورة عتبة معينة (أي كانت اكبر من العتبة) فإنها تستبدل باللون الأبيض ( أي القيمة 1) و إذا كانت اقل من العتبة فإنها تستبدل باللون الأسود.
2- الصور ذات التدرج الرمادي gray scale image
يشار إلى هذه الصور بالصور الأحادية اللون monochrome يحتوي هذا النوع من الصور على معلومات عن اللمعان فقط و ليتضمن معلومات عن اللون . يستعمل عدد البتات المخصصة لكل عنصر صورة في تحديد عدد مستويات اللمعان الموجودة تتضمن الصور النموذجية لهذا النوع على 8 بتات لكل عنصر صورة و الذي يعطينا 256 مستوى مختلف من اللمعان (gray levels) .
Gray-scale Image
3- الصور الملونة color images
يمكن تمثيل هذا النوع من الصور على شكل بيانات أحادية اللون مكونة من ثلاث حزم (three bands monochrome image data) بحيث تمثل كل حزمة لون مختلف . تمثل الصورة الملونة باستعمال ثلاث حزم من الألوان هي الأحمر red , الأخضر green و الأزرق blue التي تمزج لتكون الصورة الملونة. إن كل عنصر صورة يكون مكون من 24 ثنائية (24 bits/pixels) و تسمى هذه الصور احيانا بالصور ذات الالوان الحقيقية true images .
Color images
4- الصور ذات الطيف المتعدد Multiscale images
تحتوي الصور ذات الطيف المتعدد على معلومات تقع خارج مدى إدراك الإنسان الاعتيادي .ويتضمن هذا النوع على بيانات تحت الحمراء infrared) و الفوق البنفسجية (ultraviolet) و أشعة x-ray) و البيانات الصوتية (acoustic) و الرادارية . و هذه هي ليست صور بالمعنى الحقيقي لا صيغة معلوماتها لا يمكن إدراكها من قبل الإنسان . و مع ذلك يمكن لهذه المعلومات إن تمثل في صيغة مرئية بتحويل الحزم الطيفية spectral bands المختلفة إلى المركبات RGB فإذا كان هنالك أكثر من ثلاث حزم من المعلومات في الصور ذات الطيف المتعدد تقلل الأبعاد باستعمال عملية تحويل معينة . إن مصادر هذه الصور هي أنظمة البث الفضائي و أنظمة التحسس في أعماق المياه و الرادارات و أنظمة الصور تحت الحمراء و أنظمة التصوير الطبي.
هيئات ملف الصور الرقمية Image File Formats Digital
توجد العديد من هيئات ملف الصور وذلك لوجود العديد من أنواع الصور والتطبيقات المختلفة بعض هيئات ملف الصور القياسية تم تطويرها والبعض الأخر يتم تحويلها إلى الهيئات القياسية باستخدام برمجيات خاصة بعملية التحويل. الحقل الذي له علاقة مع معالجة الصور الرقمية هو
المادة المعروضة اعلاه هي مدخل الى المحاضرة المرفوعة بواسطة استاذ(ة) المادة . وقد تبدو لك غير متكاملة . حيث يضع استاذ المادة في بعض الاحيان فقط الجزء الاول من المحاضرة من اجل الاطلاع على ما ستقوم بتحميله لاحقا . في نظام التعليم الالكتروني نوفر هذه الخدمة لكي نبقيك على اطلاع حول محتوى الملف الذي ستقوم بتحميله .