تويت
الصور (معالجة ـ)
معالجة الصورة هي تطبيق عملية أو مجموعة من العمليات الحسابية أو المنطقية عليها بحيث تصبح أفضل كأن تصبح الصورة أكثر وضوحاً أو أقل ضجيجاً. ومن الجدير ذكره أنه لا يمكن إجراء أي عملية معالجة مهمة على الصور إن لم تكن صوراً رقميةdigital images.
لمحة تاريخية
يرجع الاهتمام بمعالجة الصور الرقميةdigital image processing إلى أوائل العشرينيات من القرن العشرين، عندما أرسلت الصور الرقمية لأنباء الأحداث العالمية لأول مرة بوساطة كبل بحري بين لندن ونيويورك. لكن تطبيقات معالجة الصور لم تنتشر على نطاق واسع إلاّ في أواسط الستينيات عندما بدأت حواسيب الجيل الثالث توفر إمكانات السرعة والتخزين اللازمة للتنفيذ العملي لخوارزميات معالجة الصور. منذ ذلك الوقت شهد هذا المجال نموّاً نشطاً وأصبح موضوعَ بحثٍ ودراسة، ومتصلاً بعدة مجالات مثل علوم الهندسة والحواسيب الإلكترونية والمعلومات والإحصاء والفيزياء والكيمياء والبيولوجيا والطب. وقد أثبتت النتائج العملية أهمية تقنيات معالجة الصور في مسائل متنوعة يمتد مجالها من ترميم صور المجس الفضائي وتحسينها إلى معالجة بصمات الأصابع من أجل المعاملات التجارية.
الهدف الأساسي من معالجة الصور وتطبيقاتها
تهدف معالجة الصور إلى:
ـ تحسين المعلومات التصويرية من أجل تفسيرها من قبل الإنسان، كتحسين التباين، وإزالة الضجيج، والمعالجة بالألوان الزائفةpseudo colors، وترميم الصور باستعادة بعض المعلومات المفقودة منها (كما في الصور الفضائية).
ـ معالجة بيانات الصور لفهمها وإدراكها من قبل الحاسوب في تطبيقات عديدة مثل قراءة الحاسوب للنصوص المطبوعةcomputer text reading، وتشخيص الصور الطبية، وتفسير الصور الفضائية والجيولوجية.
تمثيل الصورة والصورة الرقمية
تمثيل الصورة: يتطلب صياغة عمليات معالجة الصور رياضيّاً وتصميم خوارزمياتها وضع تمثيل مناسب لها، وتعرًّف الصورة أساساً بأنها تابع شدة إضاءة ثنائي الأبعادf(x,y) حيث يشير المتحولان x وy إلى الإحداثيين الحيزيين الأفقي والعمودي على التوالي، وتتناسب قيمة f عند أية نقطة مع اللمعان (أو السوية الرمادية gray level) للصورة. ومن المفيد أحياناً تمثيل الصورة بشكل منظوري حيث يمثل المحور الثالث شدة الإضاءة.
الصورة الرقمية: الصورة الرقمية هي صورة f(x,y) قطِّعت في كل من الإحداثيين الحيزيين وشدة الإضاءة بحيث تصبح شبكة من المربعات، يسمى كل مربع منها عنصر صورة pixel، يحدد إحداثياه موقعه في الصورة، وتحدد قيمته شدة إضاءة تلك النقطة من الصورة. وتمثَّل الصورة الرقمية هذه ضمن الحاسوب بمصفوفة (صفيفة) array يحدد دليلي صفها وعمودها مكان النقطة في الصورة، وتحدد قيمة عنصر المصفوفة الموافق السوية الرمادية عند تلك النقطة. يسمى تقطيع الصورة في الإحداثيات الحيزية الاعتيان (أخذ العينات) sampling، ويسمى تقطيع شدة إضاءة الصورة التكمية quantization. أما عدد النقاط في واحدة الطول (البوصة عموماً) عند التقطيع الحيزي فيسمى «دقة تقطيع الصورة» أو «المَيْز» resolution، ويتناسب حجم الصورة الناتج مع مربع هذه الدقة، لأن التقطيع يتم أفقياً وعمودياً، وحجم عينات الصورة هو جداء طول الصورة وعرضها. ومن الجدير ذكره أن حجم تخزين الصورة الرمادية ضمن الحاسوب يساوي ثمانية أضعاف حجم الصورة الاثنائية للشكل نفسه، لأنها تحتاج إلى ثمانية بتات (بايت byte واحد) لكل عنصر صورة، بينما تحتاج الصورة الاثنائية إلى «بِت» bit واحد لكل عنصر صورة. أما الصورة الملونة فتحتاج إلى ثلاثة أضعاف الصورة الرمادية للتخزين، كون لون كل عنصر يتم الحصول عليه من مزج ثلاثة ألوان (الأحمر والأخضر والأزرق RGB )، ويحتاج كل لون بايت واحد لتمثيله. يبين الشكل (1ـ آ) شبكة المربعات لصورة الرقم «2» وهي ذات سويَّتي لمعان (أبيض وأسود)، ويسمى هذا النوع من الصور «الصورة الاثنائية» binary image. ويبين الشكل (1ـ ب) صورة ذات سويات رمادية مختلفة للرقم ذاته، ويسمى هذا النوع «الصورة الرمادية» gray image، أما الشكل (1ـ ج) فيبين صورة رقمية ملونة color image، والصور الثلاثة تم تحصيلها بوساطة ماسح الصور بدقة ثلاثمئة نقطة للبوصة (300 dpi).
عناصر نظام معالجة الصور الرقمية
يقوم نظام معالجة الصور بأربع مهام أساسية:
1ـ تحصيل الصورة، أي تحويلها من صورة ضوئية إلى صورة رقمية ضمن ذاكرة الحاسوب.
2ـ تخزين الصورة.
3ـ المعالجة.
4ـ الإظهار.
يبين الشكل (2) مخططاً كتلياً block diagram لنظام معالجة صور عام الأغراض، حيث يقوم المرقمن digitizer بتحويل الصورة الضوئية الناتجة من ماسح صور أو كاميرا إلى صورة رقمية ضمن ذاكرة الحاسوب، ويقوم معالج الصورة بتنفيذ عمليات المعالجة المطلوبة، وغالباً ما يكون معالجاً متخصصاً يستطيع القيام بعمليات المعالجة بسرعة. أما كتلة الإظهار فتؤمن إظهار الصورة بالشكل المناسب وهي عموماً شاشة مراقبة (مرقاب) monitor، وترتبط عادة بجهاز إظهار نسخة ورقية للصورة مثل الطابعة. أما كتلة التخزين بحجم كبير mass storage فهي تؤمن تخزين الصور ذات الاستخدام القليل، وتتميز هذه الوحدة بالبطء النسبي وسعة التخزين العالية، وهي من مرتبة الجيغا بايت. أما الحاسوب فيقوم بتأمين عملية التواصل والتوافق بين المستخدم والكتل المختلفة للنظام عن طريق لوحة المفاتيح، كما يمكن أن يقوم أحياناً بالمعالجة.
تطبيقات معالجة الصور وأهميتها
تمثل الصورة لحظة مهمة تصعب استعادتها، وقد تراوح بين صورة شخص توفي ولا يوجد سوى صورة واحدة غير واضحة له، أو صورة مهمة التقطها مسبار فضائي وبها بعض التشوهات، ولايمكن الوصول إليه لإصلاح العطل، أو صورة تحتاج إلى تحسين، وهي لنتيجة تجربة علمية كلفت أموالاً طائلة. ولهذا تبرز أهمية تطبيقات معالجة الصور لإنتاج صور جيدة الوضوح، خالية من التشوهات، وعظيمة الفائدة.
ـ تحسين الصور: يهدف تحسين الصورimage enhancement إلى إنتاج صورة أفضل من الصورة الأصلية بمعيار ما؛ فالصورة التي أزيل الضجيج منها أفضل من الصورة التي تحوي ضجيجاً، والصورة التي أبرزت تفاصيلها أفضل من صورة باهتة غير واضحة التفاصيل، وهكذا.
يعتمد تحسين الصور أساساً على واحدة من إحدى تقنيتين أساسيتين اثنتين هما: تقنيات المعالجة في المجال الحيزي spatial domain، وتقنيات المعالجة في المجال الترددي frequency domain. وتجدر الإشارة إلى أن لكل تقنية معالجة في المجال الحيزي ما يماثلها في المجال الترددي، ولكن تقنيات المجال الحيزي (مجال عناصر الصورة كما تشاهد في حيز الصورة) أبسط وأكثر وضوحا،ً يبين الشكل (3 ـ آ) صورة غير واضحة، ويبين الشكل (3 ـ ب) الصورة نفسها بعد تحسينها. وإن التحسين الناتج في هذه الصورة واضح للغاية، ويعطي مثالاً على مدى الفائدة من تطبيقه في حالات كهذه.
ـ ترميم الصورimage restoration: تمكِّن هذه التقنية من استعادة التفاصيل المفقودة من الصورة شريطة أن يعرف السبب الذي أدى إلى غياب هذه التفاصيل كإزالة التغبيش من صورة تحركت الكاميرا عند التقاطها، أو تصحيح تشويه في أخرى حصل نتيجة طبيعة الجهاز الذي التقطت به. ويبين الشكل (4 ـ آ) صورة غبِّشت نتيجة حركة خطية منتظمة، ويبين الشكل (4ـ ب) بالصورة بعد ترميمها وإزالة تغبيشها باستخدام معادلة رياضية مناسبة.
ـ تخميد الضجيج: تتعرض بعض الصور لضجيج أثناء إرسالها عبر قناة اتصال، أو نتيجة حصول خلل في الجهاز الذي أنتجها. يمكن أن يخمد الضجيج إلى حد بعيد بحيث تصبح الصورة جيدة الوضوح باستخدام التوسيط averaging أو الترشيح الأوسطي median filtering أو تقنيات أخرى. يبين الشكل (5ـ آ) صورة أصلية والشكل ( 5ـ ب) الصورة نفسها وقد أفسدت بضجيج نبضي، ويبين الشكل (5ـ ج) نتيجة معالجتها بالتوسيط والشكل (5ـ د) نتيجة معالجتها بالترشيح الأوسطي. يظهر ببساطة أن الصورة المفسدة بالضجيج غير صالحة لأي تطبيق مفيد، بينما الصورة المعالجة بالترشيح الأوسطي صالحة لأغلب التطبيقات، والصورة المعالجة بالتوسيط أقل جودة.
تقنيات الذكاء الصنعي ومعالجة الصورArtificial Intelligence techniques and image processing
إن فهم صورة ما يعني معرفة الشيء الذي تمثله، وطبيعة أجزائها المكونة لها، والعلاقات بينها. فعلى سبيل المثال: تمثل الصورة الشخصية صورة إنسان، وجهه ذو نمط عام معين (بيضوي، مستدير، متطاول)، وعيناه واسعتان أو ضيقتان بالنسبة إلى حجم وجهه، و فمه كبير أو صغير نسبيا، وهو كث الشعر أو أصلع الرأس، الخ. ولكي يدرك الحاسوب معانيَ كهذه في صورة ما، فإنه يجب تزويده بتقنيات المعالجة اللازمة لتحسين الصورة، إذا لزم الأمر، وبتقنيات تجزئتها إلى الأجزاء المكونة لها image segmentation، وتقنيات التمثيل والوصفrepresentation and description التي تمثل أجزاء الصورة بطريقة مناسبة للتعامل معها بالحاسوب، ووصف هذه الأجزاء بطبيعتها (طويل، قصير، مستدير، بيضوي، كبير)، وبعلاقاتها relationships البينية (فوق، تحت، يسار، يمين). وللوصول إلى استنتاجٍ وإدراكٍ للمعاني لا بد من استخدام تقنيات الذكاء الصنعي المناسبة في التمثيل كشبكة التمييزdiscrimination net وقواعد الاستنتاجinference rules وشبكات الوصف semantic networks.
آفاق معالجة الصور وأهميتها
تستخدم تطبيقات معالجة الصور في مجالات كثيرة، كالزراعة والصناعة والأتمتة والطب والصيدلة و تصميم الأزياء والهندسة بأنواعها والطباعة والدفاع والقضاء، وقد تزيد استخداماتها مع التقدم التقني الكبير في مجالات المعلوماتية والاتصالات، وكون تقنيات معالجة الصور وتطبيقاتها تقع ضمن مجال التقانات المتقدمة جداً ذات المردود العالي، وقد صارت أدوات تنفيذها (البنية التحتية) متوافرة بأسعار مقبولة، تمكّن الباحثين والهواة من استخدامها.
معن عمار
معالجة الصورة هي تطبيق عملية أو مجموعة من العمليات الحسابية أو المنطقية عليها بحيث تصبح أفضل كأن تصبح الصورة أكثر وضوحاً أو أقل ضجيجاً. ومن الجدير ذكره أنه لا يمكن إجراء أي عملية معالجة مهمة على الصور إن لم تكن صوراً رقميةdigital images.
لمحة تاريخية
يرجع الاهتمام بمعالجة الصور الرقميةdigital image processing إلى أوائل العشرينيات من القرن العشرين، عندما أرسلت الصور الرقمية لأنباء الأحداث العالمية لأول مرة بوساطة كبل بحري بين لندن ونيويورك. لكن تطبيقات معالجة الصور لم تنتشر على نطاق واسع إلاّ في أواسط الستينيات عندما بدأت حواسيب الجيل الثالث توفر إمكانات السرعة والتخزين اللازمة للتنفيذ العملي لخوارزميات معالجة الصور. منذ ذلك الوقت شهد هذا المجال نموّاً نشطاً وأصبح موضوعَ بحثٍ ودراسة، ومتصلاً بعدة مجالات مثل علوم الهندسة والحواسيب الإلكترونية والمعلومات والإحصاء والفيزياء والكيمياء والبيولوجيا والطب. وقد أثبتت النتائج العملية أهمية تقنيات معالجة الصور في مسائل متنوعة يمتد مجالها من ترميم صور المجس الفضائي وتحسينها إلى معالجة بصمات الأصابع من أجل المعاملات التجارية.
الهدف الأساسي من معالجة الصور وتطبيقاتها
تهدف معالجة الصور إلى:
ـ تحسين المعلومات التصويرية من أجل تفسيرها من قبل الإنسان، كتحسين التباين، وإزالة الضجيج، والمعالجة بالألوان الزائفةpseudo colors، وترميم الصور باستعادة بعض المعلومات المفقودة منها (كما في الصور الفضائية).
ـ معالجة بيانات الصور لفهمها وإدراكها من قبل الحاسوب في تطبيقات عديدة مثل قراءة الحاسوب للنصوص المطبوعةcomputer text reading، وتشخيص الصور الطبية، وتفسير الصور الفضائية والجيولوجية.
تمثيل الصورة والصورة الرقمية
تمثيل الصورة: يتطلب صياغة عمليات معالجة الصور رياضيّاً وتصميم خوارزمياتها وضع تمثيل مناسب لها، وتعرًّف الصورة أساساً بأنها تابع شدة إضاءة ثنائي الأبعادf(x,y) حيث يشير المتحولان x وy إلى الإحداثيين الحيزيين الأفقي والعمودي على التوالي، وتتناسب قيمة f عند أية نقطة مع اللمعان (أو السوية الرمادية gray level) للصورة. ومن المفيد أحياناً تمثيل الصورة بشكل منظوري حيث يمثل المحور الثالث شدة الإضاءة.
الصورة الرقمية: الصورة الرقمية هي صورة f(x,y) قطِّعت في كل من الإحداثيين الحيزيين وشدة الإضاءة بحيث تصبح شبكة من المربعات، يسمى كل مربع منها عنصر صورة pixel، يحدد إحداثياه موقعه في الصورة، وتحدد قيمته شدة إضاءة تلك النقطة من الصورة. وتمثَّل الصورة الرقمية هذه ضمن الحاسوب بمصفوفة (صفيفة) array يحدد دليلي صفها وعمودها مكان النقطة في الصورة، وتحدد قيمة عنصر المصفوفة الموافق السوية الرمادية عند تلك النقطة. يسمى تقطيع الصورة في الإحداثيات الحيزية الاعتيان (أخذ العينات) sampling، ويسمى تقطيع شدة إضاءة الصورة التكمية quantization. أما عدد النقاط في واحدة الطول (البوصة عموماً) عند التقطيع الحيزي فيسمى «دقة تقطيع الصورة» أو «المَيْز» resolution، ويتناسب حجم الصورة الناتج مع مربع هذه الدقة، لأن التقطيع يتم أفقياً وعمودياً، وحجم عينات الصورة هو جداء طول الصورة وعرضها. ومن الجدير ذكره أن حجم تخزين الصورة الرمادية ضمن الحاسوب يساوي ثمانية أضعاف حجم الصورة الاثنائية للشكل نفسه، لأنها تحتاج إلى ثمانية بتات (بايت byte واحد) لكل عنصر صورة، بينما تحتاج الصورة الاثنائية إلى «بِت» bit واحد لكل عنصر صورة. أما الصورة الملونة فتحتاج إلى ثلاثة أضعاف الصورة الرمادية للتخزين، كون لون كل عنصر يتم الحصول عليه من مزج ثلاثة ألوان (الأحمر والأخضر والأزرق RGB )، ويحتاج كل لون بايت واحد لتمثيله. يبين الشكل (1ـ آ) شبكة المربعات لصورة الرقم «2» وهي ذات سويَّتي لمعان (أبيض وأسود)، ويسمى هذا النوع من الصور «الصورة الاثنائية» binary image. ويبين الشكل (1ـ ب) صورة ذات سويات رمادية مختلفة للرقم ذاته، ويسمى هذا النوع «الصورة الرمادية» gray image، أما الشكل (1ـ ج) فيبين صورة رقمية ملونة color image، والصور الثلاثة تم تحصيلها بوساطة ماسح الصور بدقة ثلاثمئة نقطة للبوصة (300 dpi).
 |
 |
||
| أ | ب | ج | |
| الشكل (1) | |||
يقوم نظام معالجة الصور بأربع مهام أساسية:
1ـ تحصيل الصورة، أي تحويلها من صورة ضوئية إلى صورة رقمية ضمن ذاكرة الحاسوب.
 |
| الشكل (2) |
3ـ المعالجة.
4ـ الإظهار.
يبين الشكل (2) مخططاً كتلياً block diagram لنظام معالجة صور عام الأغراض، حيث يقوم المرقمن digitizer بتحويل الصورة الضوئية الناتجة من ماسح صور أو كاميرا إلى صورة رقمية ضمن ذاكرة الحاسوب، ويقوم معالج الصورة بتنفيذ عمليات المعالجة المطلوبة، وغالباً ما يكون معالجاً متخصصاً يستطيع القيام بعمليات المعالجة بسرعة. أما كتلة الإظهار فتؤمن إظهار الصورة بالشكل المناسب وهي عموماً شاشة مراقبة (مرقاب) monitor، وترتبط عادة بجهاز إظهار نسخة ورقية للصورة مثل الطابعة. أما كتلة التخزين بحجم كبير mass storage فهي تؤمن تخزين الصور ذات الاستخدام القليل، وتتميز هذه الوحدة بالبطء النسبي وسعة التخزين العالية، وهي من مرتبة الجيغا بايت. أما الحاسوب فيقوم بتأمين عملية التواصل والتوافق بين المستخدم والكتل المختلفة للنظام عن طريق لوحة المفاتيح، كما يمكن أن يقوم أحياناً بالمعالجة.
تطبيقات معالجة الصور وأهميتها
تمثل الصورة لحظة مهمة تصعب استعادتها، وقد تراوح بين صورة شخص توفي ولا يوجد سوى صورة واحدة غير واضحة له، أو صورة مهمة التقطها مسبار فضائي وبها بعض التشوهات، ولايمكن الوصول إليه لإصلاح العطل، أو صورة تحتاج إلى تحسين، وهي لنتيجة تجربة علمية كلفت أموالاً طائلة. ولهذا تبرز أهمية تطبيقات معالجة الصور لإنتاج صور جيدة الوضوح، خالية من التشوهات، وعظيمة الفائدة.
 |
|
| أ | ب |
| الشكل (3) | |
يعتمد تحسين الصور أساساً على واحدة من إحدى تقنيتين أساسيتين اثنتين هما: تقنيات المعالجة في المجال الحيزي spatial domain، وتقنيات المعالجة في المجال الترددي frequency domain. وتجدر الإشارة إلى أن لكل تقنية معالجة في المجال الحيزي ما يماثلها في المجال الترددي، ولكن تقنيات المجال الحيزي (مجال عناصر الصورة كما تشاهد في حيز الصورة) أبسط وأكثر وضوحا،ً يبين الشكل (3 ـ آ) صورة غير واضحة، ويبين الشكل (3 ـ ب) الصورة نفسها بعد تحسينها. وإن التحسين الناتج في هذه الصورة واضح للغاية، ويعطي مثالاً على مدى الفائدة من تطبيقه في حالات كهذه.
 |
|
| أ | ب |
| الشكل (4) | |
 |
|
| الشكل (5) | |
ـ تخميد الضجيج: تتعرض بعض الصور لضجيج أثناء إرسالها عبر قناة اتصال، أو نتيجة حصول خلل في الجهاز الذي أنتجها. يمكن أن يخمد الضجيج إلى حد بعيد بحيث تصبح الصورة جيدة الوضوح باستخدام التوسيط averaging أو الترشيح الأوسطي median filtering أو تقنيات أخرى. يبين الشكل (5ـ آ) صورة أصلية والشكل ( 5ـ ب) الصورة نفسها وقد أفسدت بضجيج نبضي، ويبين الشكل (5ـ ج) نتيجة معالجتها بالتوسيط والشكل (5ـ د) نتيجة معالجتها بالترشيح الأوسطي. يظهر ببساطة أن الصورة المفسدة بالضجيج غير صالحة لأي تطبيق مفيد، بينما الصورة المعالجة بالترشيح الأوسطي صالحة لأغلب التطبيقات، والصورة المعالجة بالتوسيط أقل جودة.
تقنيات الذكاء الصنعي ومعالجة الصورArtificial Intelligence techniques and image processing
إن فهم صورة ما يعني معرفة الشيء الذي تمثله، وطبيعة أجزائها المكونة لها، والعلاقات بينها. فعلى سبيل المثال: تمثل الصورة الشخصية صورة إنسان، وجهه ذو نمط عام معين (بيضوي، مستدير، متطاول)، وعيناه واسعتان أو ضيقتان بالنسبة إلى حجم وجهه، و فمه كبير أو صغير نسبيا، وهو كث الشعر أو أصلع الرأس، الخ. ولكي يدرك الحاسوب معانيَ كهذه في صورة ما، فإنه يجب تزويده بتقنيات المعالجة اللازمة لتحسين الصورة، إذا لزم الأمر، وبتقنيات تجزئتها إلى الأجزاء المكونة لها image segmentation، وتقنيات التمثيل والوصفrepresentation and description التي تمثل أجزاء الصورة بطريقة مناسبة للتعامل معها بالحاسوب، ووصف هذه الأجزاء بطبيعتها (طويل، قصير، مستدير، بيضوي، كبير)، وبعلاقاتها relationships البينية (فوق، تحت، يسار، يمين). وللوصول إلى استنتاجٍ وإدراكٍ للمعاني لا بد من استخدام تقنيات الذكاء الصنعي المناسبة في التمثيل كشبكة التمييزdiscrimination net وقواعد الاستنتاجinference rules وشبكات الوصف semantic networks.
آفاق معالجة الصور وأهميتها
تستخدم تطبيقات معالجة الصور في مجالات كثيرة، كالزراعة والصناعة والأتمتة والطب والصيدلة و تصميم الأزياء والهندسة بأنواعها والطباعة والدفاع والقضاء، وقد تزيد استخداماتها مع التقدم التقني الكبير في مجالات المعلوماتية والاتصالات، وكون تقنيات معالجة الصور وتطبيقاتها تقع ضمن مجال التقانات المتقدمة جداً ذات المردود العالي، وقد صارت أدوات تنفيذها (البنية التحتية) متوافرة بأسعار مقبولة، تمكّن الباحثين والهواة من استخدامها.
معن عمار