سنقوم في هذا الدرس بالتعرف على أساسيات الأشارات والأنظمة ألضرورية لفهم عمليات معالجة الصورة ألرقمية.

معالجة الصور ألرقمية - الأشارات والأنظمة

Digital Image Processing - Signals and Systems

سنقوم في هذا الدرس بالتعرف على أساسيات الأشارات والأنظمة ألضرورية لفهم عمليات معالجة الصورة ألرقمية.

الأشارة Signal:

في الهندسة الكهربائية تسمى الكمية الأساسية لتمثيل بعض المعلومات أشارة Signal. وتكون هذه المعلومات عبارة عن معلومات تناظرية أو رقمية،اّذن الأشارة هي دالة لنقل المعلومات. في حقيقة الأمر،يمكن أعتبار أي كمية قابلة للقياس عبر الوقت الممتدة عبر الفراغ أو أي بعد أعلى هي أشارة.يمكن أن تكون الأشارة ذات أي بعد ويمكن أن تتخذ أي شكل من الأشكال.

الأشارات ألتناظرية Analog Signals:

يمكن أن تكون الأشارة التناظرية هي أشارة مستمرة Continuous Signal ذات كمية تناظرية،أي أنها كمية متعلقة بالزمن. يتم تحديد هذه الأشارات عبر المتغيرات المستقلة المستمرة Continuous independent variables.
وتكون هذه الأشارات صعبة التحليل،وذلك بسبب أنها تحتوي على العديد من ألقيم،وأيضاً دقيقة جداً بسبب أحتواءها على عدد كبير جداً من القيم. من أجل تخزين هذه الأشارات،نحتاج الى ذاكرة لانهائية بسبب أنها تحوي على قيم لانهائية من المتغيرات ويتم التعبير عن الأشارات التناظرية بواسطة الموجات الجيبية Sin waves. ومن الأمثلة على الأشارات التناظرية هو الصوت البشري.

الأشارات ألرقمية Digital Signals:

أذا قمنا بمقارنة بسيطة بين الأشارات ألرقمية والتناظرية،فمن السهل جداً تحليل الأشارات ألرقمية وذلك بسبب أنها أشارات متقطعة لأنها تحتوي على عدد محدد من القيم.
تعني كلمة (ألرقمي أو ألرقمية Digital) ألقيم ألمنفصلة أو المتقطعة discrete values،يعني أنها تستخدم قيماً محددة لتمثيل أي معلومة.في الأشارة ألرقمية يتم أستخدام قيمتين رقميتين فقط لتمثيل شيء ما هما 0 و1.
الأشارات الرقمية أقل دقة من الأشارات التناظرية،وذلك لأنها عينات منفصلة (أو متقطعة) تم أخذها من أشارات تناظرية على مدى فترة من الزمن.لكن الأشارات ألرقمية لا تتعرض ألى الضوضاء،لذا فهي تدوم طويلاً ويسهل تفسيرها، ويُشار ألى الأشارات الرقمية دائماً بالموجات المربعة Square Waves.ومن الأمثلة على الأشارات ألرقمية هي اِلأشارات ألتي تولدها لوحة مفاتيح الكومبيوتر عند ألضغط على أحد الأزرار.

مقارنة بين الأشارات ألتناظرية وألرقمية: 

عنصر المقارنة	الأشارات ألتناظرية	الأشارات ألرقمية
ألتحليل	صعب تحليلها	ممكن تحليلها
ألتمثيل	مستمر	متقطع
ألدقة	أكثر دقة	أقل دقة
سعة الخزن	صعوبة خزنها	سهولة خزنها
ألتعرض ألى الضوضاء	نعم	كلا
طريقة ألتسجيل	يتم الأحتفاظ بلأشارة الأصلية	يتم أخذ عينات من الأشارة الأصلية
أمثلة	ألصوت ألبشري،ألثرمومتر	ألكومبيوترات،ألهواتف ألرقمية

الأنظمة Systems:

يتم تعريف ألنظام System بنوع المدخلات وألمخرجات ألتي يتعامل معها،ولأننا نتعامل مع الأشارات بذلك سيكون ألنظام ألذي لدينا هو عبارة عن نموذج رياضي،أو عبارة عن برنامج Software،أو جهازاً مادياً،أو صندوق أسود ألذي يتم أدخال أليه أشارة معينة ويقوم بأجراء بعض عمليات المعالجة عليها ومن ثم وألمخرج سيكون أشارة أيضاً.

في الصورة أعلاه، تكون ألمدخلات والمخرجات في ألنظام عبارة عن أشارات،لكن الأشارة ألمدخلة هي تناظرية Analog والمخرجة رقمية Digital.هذا يعني أن وظيفة هذا النظام هي تحويل الأِشارة ألتناظرية ألى أشارة رقمية.
والان لنرى ماهي ألعمليات ألداخلية ألتي تُجرى داخل هذا الصندوق الأسود لغرض تحويل بين نوعي هذه الأشارات: سنناقش ألمفهومين الرئيسين ألمتعلقين بعملية التحويل من الأشارات ألتناظرية ألى رقمية وهما:
1-أخذ ألعينات Sampling.
2-ألتكميم Quantization.

أخذ ألعينات Sampling:

وتقوم هذه ألعملية بأخذ عينات من الأشارة ألتناظرية على ألمحور الأفقي x.ويتم أخذ هذه ألعينات للمتغير ألمستقل independent variable

وينقسم أخذ ألعينات ألى نوعين هما أخذ ألعينات للأعلى Up-sampling وأخذ للعينات للأسفل Down-sampling.أذا كان مدى ألقيم على ألمحور الأفقي x قليل،سيتم زيادة أخذ ألعينات،عندها يكون لدينا ألنوع الأول (أخذ ألعينات للأعلى Up-sampling) والعكس بالعكس سيكون لدينا ألنوع ألثاني.

ألتكميم Quantization:

يمكن تعريف مفهوم التكميم على أنه عملية تقسيم ألى كميات (أو أقسام).وتتم هذه ألعملية على ألمتغير غير ألمستقل dependent variable،أي أنه عكس عملية أخذ ألعينات Sampling.
في حالة ألمعادلة ألرياضية y=sin(x)،ستُجرى عملية ألتكميم على ألمتغير y وألتي ستتم على ألمحور ألرأسي y.

   لماذا نحتاج إلى تحويل الأشارة تناظرية إلى إشارة رقمية؟

السبب الأول هو أن معالجة الصور ألرقمية تتعامل مع الصور ألرقمية (وهذا واضح من الأسم) ألتي تعتبر أشارات رقمية.لذلك عند ألتقاط صورة بواسطة ألكاميرا،يتم تحويلها ألى شكل رقمي ثم تُجرى عليها شتى عمليات ألمعالجة.
ألسبب ألثاني وهو الأهم هو أنه من أجل أجراء عمليات ألمعالجة على أشارة تناظرية بأستخدام كمبيوتر رقمي،يجب علينا تخزين هذه الأشارة ألتناظرية في ذاكرة ألكومبيوتر.ولتخزين هكذا نوع من الأشارات تحتاج ألى ذاكرة لامتناهية في سعة ألتخزين لخزنها.ولأن هذا غير ممكن،لذلك نقوم بتحويا الأشارة ألتناظرية ألى رقمية ثم تخزينها في ذاكرة ألكومبيوتر ألرقمي ثم أجراء ألعمليات ألمطلوبة عليها.

ألنظام ألمستمر Continuous System:

ويُطلق على نوع ألنظام ألذي يكون الأدخال input والأخراج output فيه عبارة عن أشارات تناظرية.

ألنظام ألمنفصل(ألمتقطع) Discrete System:

ويُطلق على نوع ألنظام ألذي يكون الأدخال input والأخراج output فيه عبارة عن أشارات رقمية.

ألى هنا نصل ألى نهاية ألدرس ألثاني من سلسلة دروس (معالجة الصور الرقمية (Digital Image Processing أنتظرونا في ألدرس ألقادم.

م.م رسول حسن