التصوير الرقمي

تصوير رقمي

Digital photography -

التصوير الرقمي

رؤوف حمدان

لمحة تاريخية

مفاهيم التصوير الرقمي ومصطلحاته

أساسيات معالجة الصور الرقمية

تطبيقات وآفاق مستقبلية

يستخدم التصوير الرقمي digital photography التقانة الرقمية لمعالجة الصور من دون معالجة كيميائية، ويمتاز التصوير الرقمي بقلة الكلفة وسرعة التأكد من سلامة الصورة وجودتها قبل التخزين والطبع، من دون الحاجة إلى أفلام ضوئية أو عمليات تظهير كيميائي مكلفة وضارة بالبيئة. كما يُعدُّ التصوير الرقمي حلاً لمشكلة تدني نوعية الصور مع الزمن، إضافة إلى إمكان معالجة الصور رقمياً وآنياً. ويُعدُّ التصوير الرقمي من التقانات التي أحدثت تغيرات بالغة الأهمية في الحياة اليومية خلال العقد المنصرم.

تعتمد آلة التصوير الرقمية أساساً على استعمال مصفوفة من حساسات أنصاف النواقل التي تحوّل الضوء إلى إلكترونات بدلاً من الفيلم التقليدي. ومن هذه الحساسات نوعان مشهوران من أنصاف النواقل هما:

- الأداة المقترنة بالشحنة (عنصر قرن شحني) Charge Coupled Device (CCD).

- ونصف الناقل أكسيد المعدن المتمم Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) (الشكل 1).

الشكل (1)

يقوم حساس الضوء بتحويل الضوء الداخل عبر العدسة إلى إشارة رقمية يمكن معالجتها وحفظها، وهو مستطيل لا تتجاوز مساحته بضعة مليليمترات، ومصنوع من شريحة نصف ناقل مكونة من عدد هائل من عناصر نقطية لتحويل فوتونات الضوء إلى إلكترونات مشحونة تُحوّل بعد ذلك إلى صورة رقمية.

تعتمد تقانة الصور النقطية bitmap على تجزئة الصورة إلى مصفوفة ثنائية البعد من النقاط المربعة تسمى بكسلات pixels اختصاراً لــــِ عنصر صورة picture element (الشكل 2).

الشكل (2)

تجدر الإشارة هنا إلى تمايز هذه الصور عن تلك التي يجري توليدها في الحاسوب، وتعرف بــالصور المتجهة vector graphics، وهي صور تتألف من خطوط ومنحنيات يجري تحديدها ورسمها باستخدام معادلات رياضية، حيث يُحفظ موقع كلِّ خط ولونه.

لمحة تاريخية

عُرفت تقانات معالجة الصور الرقمية منذ ستينيّات القرن الماضي؛ إلا أن الحصول على الصور الرقمية كان يتم في تلك الفترة بمسح الصور الضوئية وتحويلها إلى صور رقمية بوساطة المرقمنات digitizers. والمعروف أن تطور تقانة التصوير الرقمي اعتمد بالأصل على التطور المتسارع في مجال الحاسوب، حيث تنتشر اليوم المصورات (الكاميرات) الرقمية انتشاراً واسعاً بعد أن أصبحت أمراً شائعاً في الهواتف الذكية والحواسيب اللوحية. ولكن السؤال الذي يطرح نفسه هو كيفية وصولها إلى هذا المستوى؟

وفيما يلي أهم النقاط المميزة في تاريخ التصوير الضوئي وصولاً إلى التصوير الرقمي:

• أول من أشار إلى تأثير ثقب الإبرة هو الفيلسوف الصيني مو تي Mo Ti ومن بعده أرسطو، وسماها إقليدس الحجرة ذات الثقب pinhole camera .

• وصف الحسن بن الهيثم (965-1039) مبادئ الضوء في كتابه "المناظر"، ووصف أثر مرور الضوء من ثقب صغير في حجرة مظلمة.

• استفاد الفنانون التشكيليون في عصر النهضة من الأخيلة من ثقب صغير في حجرة معتمة لرسم لوحات عنها.

• أول من استعان بعدسة هو الإيطالي غيامباتستا دلا بورتا Giambattista della Porta.

• أول من صنع صورة ضوئية شمسية مطبوعة هو جوزيف نيبس Joseph Nicéphore Niepce في عام 1822.

• ابتكر جورج إيستمانEastman أفلام التصوير الضوئي الجافة photographic film في عام 1889.

• بداية تصوير الحركة، إدوارد مويبريدج Eadweard Muybridge.

• بدايات السينما، الأخوان لوميير Lumière Brothers 1895.

• التصوير الملون color photography، الأخوان لوميير 1908.

• بدايات التلفاز television في عشرينيّات القرن العشرين.

• أول كاميرا رقمية بشريحة CCD من شركة سوني Sony Mavica في عام 1981؛ لكنها لم تطرح على نحو واسع في الأسواق.

• أول كاميرا تصوير رقمية كاملة first fully digital camera في عام 1990 من شركة كوداك Kodak DCS100 ولكنها كانت عالية الكلفة ومنخفضة الدقة.

  كانت شركة كوداك وحتى نهاية الستينيات الرائدة في مجال التصوير الضوئي وصناعة الأفلام التقليدية، وكانت تشغّل على نحو أساسي مهندسي الميكانيك والكيمياء، ومع بداية سبعينيات القرن العشرين بدأت بتوظيف بعض المتخصِّصين بالكهرباء لتطوير أنظمة تحكم إلكترونية للكاميرات. عمل المهندس الكهربائي ستيفن ساسون Steven Sasson في شركة كوداك منذ العام 1973، وكانت مهمته اختبار مدى فائدة رقائق الـ CCD في الشركة؛ فقرر أن أفضل طريقة لدراسة الرقائق هي بناء كاميرا تحتوي عليها. وفي عام 1975 نجح ذلك المهندس في مختبرات الشركة في اختبار نموذجه الأولي والتقاط أول صورة.

  لم تتابع شركة كوداك استثمارها في مجال الكاميرات الرقمية على النحو المطلوب؛ وإنما تابعت التركيز على صناعة الكاميرات التقليدية المعتمدة على الأفلام، الأمر الذي أدى إلى تراجع مبيعاتها لتعلن إفلاسها فيما بعد.

  شهدت صناعة الكاميرات الرقمية بعد ذلك نمواً متسارعاً خلال تسعينيات القرن الماضي؛ ففي عام 1995 طرحت شركة كاسيو أول كاميرا رقمية بشاشة الكريستال السائل Liquid Crystal Display (LCD) تسمح للمستخدم بمعاينة الصور، وفي عام 1997 طُرح نموذج لأول هاتف محمول بكاميرا رقمية جرى استخدامها لالتقاط الصور.

  وتعد شركتا نيكون Nikon وكانون Canon من الشركات الرائدة في مجال صناعة الكاميرات الرقمية والاستثمار في مجال التصوير الرقمي، ومن ثمّ توافرت لهما إمكانات السيطرة على أكثر من 90% من السوق العالمية في هذا المجال.

  تُوفِّر كاميرات التصوير الرقمية الحديثة العديد من البرامج الأساسية لتحرير الصور ومعالجتها، مثل: التحسين التلقائي للصور image enhancement، إزالة الضجيج noise removal، وتصحيح النقاء اللوني hue، ميزات التقريب zoom، القص cropping ودمج الصور، وكذلك التحويلات الهندسية، مثل: الإزاحة والدوران وغيرها، إضافة إلى قائمة من المؤثرات الخاصة التي تطبق يدوياً أو تلقائياً.

  مثال على ذلك تقانة المعالجة البسيطة للصور كتعرف الوجوه تلقائياً في أجهزة التصوير الرقمية أو الكشف عنها (الشكل 3).

  الشكل (3) كشف الوجوه تلقائياً.

  مفاهيم التصوير الرقمي ومصطلحاته

• عمق الحقل depth of field: هي المسافة التي تكون الكائنات في الصورة واضحة وحادة التفاصيل، وتعتمد هذه المسافة على فتحة العدسة؛ فإذا كانت فتحة العدسة صغيرة تكون مسافة عمق الحقل كبيرة، وكلما كبرت الفتحة قلَّ عمق الحقل (الشكل 4). تركز عدسة الكاميرا الأشعة في نقطة تدعى المحرق focal point، وتقع هذه النقطة على مسافة f خلف مستوي العدسة؛ فيما تحدد الفتحة aperture ذات القطرD مجال الأشعة التي تدخل الحساس.

  الشكل (4)

  يؤثر تغيير الفتحة أو البعد المحرقي في عمق الحقل كما في الشكل (5)، حيث جرى التركيز focus على صورة الأزهار وفصلها عن الخلفية في الجزء العلوي من الشكل، وذلك بتكبير فتحة العدسة (ومن ثمَّ عمق حقل صغير)؛ فيما جرى تكبير عمق الحقل ليشمل الخلفية في الجزء السفلي من الشكل.

  الشكل (5)

• سرعة الغالق shutter speed: هي الفترة الزمنية التي يفتح خلالها المغلاق الحاجز بين العدسة وحساس الضوء، ومن ثمَّ يسمح للضوء بالدخول عبر العدسة والاصطدام بحساس الضوء، وتقاس هذه السرعة بأجزاء الثانية، ويمكن تغييرها باختيار سرعة من عدة سرعات متوفرة في الكاميرا، وتبدأ في بعض الكاميرات من نحو دقيقتين (أبطأ سرعة) إلى نحو أربعة بالألف من الثانية (الأسرع). تزوَّد كاميرات التصوير التقليدية بمغلاق ميكانيكي عادي؛ في حين تشتمل الكاميرات الرقمية على مغلاق إلكتروني، ويتوقف اختيار سرعة الغالق على فتحة العدسة وثبات الكاميرا ونوع الهدف المراد تصويره، ويمكن أن تختار سرعة الغالق البطيئة في التصوير الليلي، فيما تستخدم السرعة العالية لتجميد حركة المشاهد السريعة مثل سباق السيارات.

• التعريض للضوء exposure: تنظم إعدادات التعريض في الكاميرات الرقمية أو العادية كمية الضوء اللازمة لتشكيل الصورة، ويتحدد ذلك بسرعة الغالق وفتحة العدسة. ويعد التعريض الآلي نظاماً إلكترونياً يحدد إعدادات سرعة الغالق وفتحة العدسة المناسبة للمشهد المراد تصويره.

• فتحة العدسة aperture: وهي فتحة قابلة للتعيير يدخل الضوء من خلالها إلى الكاميرا، وتعمل عمل قزحية العين عند الإنسان؛ فكلما كانت الفتحة أكبر كان الضوء الداخل من خلال العدسة أشد، ويُرمز إلى فتحة العدسة بــــF-number؛ وكلما قلّ هذا الرقم زادت فتحة العدسة. وتجدر الإشارة هنا إلى أن الفتحة الصغيرة تعطي عمقاً أكبر لحقل التصوير، كما أن مقدار الفتحة يجب أن يتوازن مع سرعة المغلاق؛ فكلما ازدادت سرعة المغلاق كانت فتحة مرور الضوء أكبر والعكس بالعكس (الشكل 6).

  الشكل (6) الرقم الأكبر للفتحة (f16) يعني فتحة صغيرة، ومن ثم كمية ضوء قليلة تدخل عبر العدسة.

  أساسيات معالجة الصور الرقمية

  شهد مجال معالجة الصور نمواً واسعاً في السنوات الأخيرة، ويعد حتى تاريخه محورَ بحثٍ فعّالاً نظراً للتطور التقني المتسارع في صناعة الحواسيب؛ ممّا جعل الحواسيب الشخصية واللوحية متوفرة بأسعار معقولة وبإمكانات حسابية عالية؛ إضافة إلى التطبيقات الواسعة التي لاقتها معالجة الصور في شتى مناحي الحياة، ابتداءً من معالجة الصور الطبية لمساعدة الطبيب في تشخيص الأمراض، مروراً بمعرفة الأشكال والنماذج آلياً، وكذلك معرفة النصوص المطبوعة والمراقبة بالفيديو، والتحكم المؤازر بصرياً، وتمييز الأهداف وتحليل صور السواتل، وانتهاءً بتطبيقاته في التوجيه وبحوث الفضاء.

  يمكن تصنيف عمليات معالجة الصور على نحوٍ مبسط ضمن مجالين: معالجة أولية أو منخفضة المستوى low level processing بهدف تحسين الصور من أجل تطبيق معين. أما المجال الثاني فيُعرّف بالمعالجة عالية المستوى بالرؤية الحاسوبية computer vision، وتهدف إلى تحليل الصور وتصنيفها ومعرفة محتواها.

  فيما يلي بعض تقانات المعالجة الأولية حيث دخل هذه المرحلة صورة وخرجها صورة محسنة أو معالجة لهدف ما:

• تحويلات الصورة: من أجل تحسين الصورة وترميزها ووصفها، ومن أهم هذه التحويلات: تحويل فورييه Fourier transform، وتحويل التجيب المتقطع Discrete Cosine Transform (DCT)، وغيرها الكثير من التحويلات.

• تحسين الصور image enhancement: ويهدف إلى إنتاج صورة أكثر ملاءمة من الصورة الأصلية لتطبيق معين، وذلك بإبراز سمات معينة في الصورة. يمكن أن تجري عملية التحسين في المجال الحيزي spatial domain أو المجال الترددي frequency domain. وهذه أمثلة من عمليات التحسين في المجال الحيزي التي تعمل مباشرة على عناصر الصورة مثل: مد التباين contrast stretching (الشكل 7)، وتعديل المخطط البياني (الهستوغرام histogram)، وتنعيم الصورة image smoothing، وزيادة حدة تفاصيل الصورة image sharpening، والترشيح الأوسطي median filtering.

• الشكل (7) مد التباين.

• ضغط الصور image compression: بهدف خفض كمية البيانات التي تمثل الصورة، ومن ثمّ تقليل حجم الملف ومساحة التخزين، وهذا مناسب لتلبية متطلبات التخزين والإرسال عبر البريد الإلكتروني والشابكة (الإنترنت)؛ حيث يمكن نقل الصور المضغوطة على نحو أسرع، أو نقل الصور في قنوات اتصال ذات سعة منخفضة. تستغرق عملية ضغط الصورة وتخزينها زمناً أقل من الذي تستغرقه عملية تخزين صورة غير مضغوطة. يعتمد ضغط الصور على ترميز الفائضية coding redundancy بين عناصر الصورة interpixels، ومثال ذلك تقانة الضغط القياسية وفق مجموعة خبراء التصوير المشتركة Joint Photographic Experts Group (JPEG)، والتي تعدّ من العوامل التي ساهمت إلى حد كبير في تقدم التصوير الرقمي وانتشاره بالشكل المعروف اليوم؛ لما وفرت من مساحات التخزين على شرائح الذاكرة، ومن عرض الحزمة المطلوب bandwidth خلال عمليات نقل الصور وتبادلها عبر شبكات التواصل (الشكل 8).

• الشكل (8) ضغط الصور.

•  ترميم الصور (استعادة) Image restoration: وهي عملية إعادة بناء أو استرجاع صورة تدنت نوعيتها degraded؛ باستخدام معرفة مسبّقة بالأثر الذي أدى إلى تدني الصورة؛ لذلك فإن تقانات الاستعادة موجهة باتجاه نمذجة عملية التدني وتطبيق العملية المعاكسة لاسترجاع الصورة الأصلية، وتعتمد على نمذجة التدني modeling of degradation والترشيح العكسي inverse filtering. ومثال ذلك ترميم صور التحف الأثرية التي أثرت فيها عوامل الزمن.

  من تقانات المعالجة المنخفضة المستوى أيضاً: تجزيء الصور image segmentation، المعالجة الشكلية للصور morphological image processing، كشف الحواف edge detection وغيرها.

  من مواضيع معالجة الصور العالية المستوى، والتي تندرج تحت إطار الرؤية الحاسوبية ما يلي: تحليل التتابع الزمني للصور واستخراج معلومات الحركة، وتقدير الحركة motion estimation، والملاحقة tracking، وتعرّف الحركة motion recognition، وإعادة بناء النماذج الثلاثية الأبعاد من الصور 3D reconstruction، والتصوير المجسم stereo imaging، وتعرف النماذج pattern recognition، ومثال ذلك تعرف الوجوه face recognition.

  تطبيقات وآفاق مستقبلية

  تلقى معالجة الصور تطبيقات واسعة في جميع المجالات؛ من علوم الفضاء إلى معالجة الصور الطبية وغيرها. وعُدت قواعد الصور الضخمة- بعد أن توفرت أدوات تحصيلها- من كاميرات رقمية وأجهزة الهاتف المحمول وأجهزة الحاسوب اللوحي وغيرها (يجري يومياً تحليل ملايين الصور على مواقع التواصل الاجتماعي)؛ أرضيةً خصبةً للباحثين في مجال معالجة الصور لتطوير خوارزميات وتطبيقات جديدة، وتقديم خدمات أثرت على نحو واضح في جوانب الحياة المختلفة. وفيما يلي بعض من تطبيقات الصور الرقمية والرؤية الحاسوبية:

• دخول نظم التشغيل باستخدام تعرّف الوجوه (الشكل 9).

• الشكل (9) الدخول باستعمال تعرّف الوجوه.

• استخدام قزحية العين iris لتعرّف هوية الأشخاص في المطارات، والذي أثبت أنه من أدق طرائق التعرف البيولوجية مقارنة بتعرّف الوجوه أو البصمة أو التوقيع (الشكل 10).

• الشكل (10) تعرّف الأشخاص عبر قزحية العين.

• لا تكاد تخلو السيارات الحديثة من أجهزة التصوير الرقمي، وبعضها يعتمد الصور الرقمية لمساعدة السائق وتحذيره من الاصطدام بالمارة أو السيارات القريبة؛ ولقيادة المركبة تلقائياً (الشكل 11).

• الشكل (11) أدوات مساعدة تستعمل تصويراً رقمياً

• بناء نماذج ثلاثية الأبعاد من مجموعة صور (الشكل 12).

الشكل (12) بناء نموذج ثلاثي الأبعاد.

• من المواضيع ذات الصلة الوثيقة بموضوع الصور الرقمية- ويمكن عدّها معالجة متقدمة- البحث في قواعد معطيات الصور الضخمة مثل Flickr و ImageNet، وغيرها من قواعد صور الوب؛ واسترجاع الصور بحسب المحتوى. مثال ذلك البحث في محرك البحث المعروف Google باستخدام محتوى صورة.

  مراجع للاستزادة: - سكوت كيلبي، التصوير الرقمي، أسرار التصوير الرقمي، الدار العربية للعلوم، بيروت 2015 ترجمة عن: - Scott Kelby, The Digital Photography, Peachpit Press, 2010. - R. Gonzalez, R. Woods, Digital Image Processing, Pearson, 2017. - B. Jähne, Digital Image Processing and Image Formation, Springer, 2022. - C-W. Kok, W-S. Tam, Digital Image Interpolation in Matlab, ‎ Wiley-IEEE Press, 2018. - Q. Shan, et al.,The Visual Turing Test for Scene Reconstruction, 3DV, 2013.

التصنيف : كهرباء وحاسوب

النوع : كهرباء وحاسوب

المجلد: المجلد الثامن

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية