تشوه ناتج عن الضغط

الموسوعة الحرة

صورة أصلية، مع حواف نص جيدة وتدرج لوني ممتاز.
فقدان وضوح الحواف وضبابية اللون في ضغط JPEG الشديد

في مجال الحوسبة ، تُعرف تشوهات الضغط بأنها تشوه ملحوظ في الوسائط الرقمية (بما في ذلك الصور والصوت والفيديو ) ناتج عن تطبيق ضغط البيانات مع فقدان جزء من البيانات . يتضمن هذا النوع من الضغط حذف بعض بيانات الوسائط لتقليل حجمها بما يكفي لتخزينها في مساحة القرص المطلوبة أو إرسالها ( بثها ) ضمن النطاق الترددي المتاح (المعروف بمعدل نقل البيانات أو معدل البت ). إذا لم يتمكن برنامج الضغط من تخزين بيانات كافية في النسخة المضغوطة، فستكون النتيجة فقدانًا للجودة أو ظهور تشوهات. قد لا تكون خوارزمية الضغط ذكية بما يكفي للتمييز بين التشوهات ذات الأهمية النسبية الضئيلة وتلك التي تُزعج المستخدم.

تُعدّ كتل DCT من أكثر عيوب الضغط الرقمي شيوعًا، وهي ناتجة عن خوارزمية ضغط تحويل جيب التمام المنفصل (DCT) المستخدمة في العديد من معايير الوسائط الرقمية ، مثل تنسيقات ملفات الفيديو JPEG و MP3 و MPEG . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] تظهر هذه العيوب عند تطبيق ضغط مكثف، [ 1 ] وتكثر في الوسائط الرقمية الشائعة، مثل أقراص DVD ، وتنسيقات ملفات الكمبيوتر الشائعة مثل JPEG وMP3 وMPEG، وبعض بدائل القرص المضغوط ، مثل تنسيق MiniDisc من سوني . أما الوسائط غير المضغوطة (مثل أقراص الليزر ، وأقراص الصوت المضغوطة ، وملفات WAV ) أو الوسائط المضغوطة بدون فقدان للبيانات (مثل FLAC أو PNG ) فلا تعاني من عيوب الضغط.

يُعدّ تقليل التشوهات الملحوظة هدفًا رئيسيًا في تطبيق خوارزمية الضغط مع فقدان البيانات. مع ذلك، تُنتَج هذه التشوهات أحيانًا عمدًا لأغراض فنية، وهو أسلوب يُعرف باسم فن الخلل [ 4 ] أو تشويه البيانات [ 5 ] .

من الناحية التقنية، تُعدّ شوائب الضغط نوعًا خاصًا من أخطاء البيانات، وهي عادةً نتيجة للتكميم في ضغط البيانات مع فقدان البيانات. وعند استخدام ترميز التحويل ، فإنها عادةً ما تتخذ شكل إحدى الدوال الأساسية لفضاء تحويل المُشفِّر.

صور

توضيح لتأثير ضغط JPEG على صورة مشوشة قليلاً تحتوي على مزيج من النصوص والمساحات البيضاء. النص عبارة عن لقطة شاشة من محادثة على ويكيبيديا مع إضافة تشويش (شدة 10 في برنامج Paint.NET). تم حفظ إطار واحد من الرسوم المتحركة كصورة JPEG (جودة 90) ثم إعادة تحميله. بعد ذلك، تم تكبير كلا الإطارين بمقدار 4 أضعاف (باستخدام تقنية الاستيفاء لأقرب جار).

عند إجراء ترميز تحويل جيب التمام المنفصل القائم على الكتل (DCT) [ 1 ] للتكميم ، كما هو الحال في الصور المضغوطة بصيغة JPEG ، يمكن أن تظهر عدة أنواع من القطع الأثرية.

  • رنين
  • تحديد ملامح الوجه
  • إضفاء الطابع الملصقي
  • ضوضاء الدرج ( التشويه ) على طول الحواف المنحنية
  • التكتلات في المناطق "المزدحمة" (تشوهات حدود الكتل، والتي تسمى أحيانًا التكتل (الكبير)، أو الترقيع، أو رقعة الشطرنج)

تُعدّ الخوارزميات الأخرى التي تستخدم مطابقة الأنماط لإزالة الرموز المتشابهة، والتي تُسبب فقدان البيانات، عُرضةً لإدخال أخطاء يصعب اكتشافها في النصوص المطبوعة. على سبيل المثال، قد يتم استبدال الرقمين "6" و"8". وقد لوحظ حدوث ذلك مع خوارزمية JBIG2 في بعض آلات التصوير. [ 6 ] [ 7 ]

آثار حدود الكتل

تشوهات ترميز الكتل في صورة JPEG. تنتج الكتل المسطحة عن التكميم الخشن. تظهر الانقطاعات عند حدود كتل التحويل.

عند معدلات بت منخفضة، تُدخل أي خوارزمية ترميز قائمة على الكتل مع فقدان البيانات تشوهات مرئية في كتل البكسل وعلى حدود الكتل. قد تكون هذه الحدود حدود كتل التحويل، أو حدود كتل التنبؤ، أو كليهما، وقد تتطابق مع حدود الكتل الكبيرة . يُستخدم مصطلح "التكتل الكبير" بشكل شائع بغض النظر عن سبب التشوه. ومن الأسماء الأخرى: التكتل، [ 8 ] والتجانب، [ 9 ] والفسيفساء، والتنقيط، والترقيع، والتشبيك.

تُعدّ تشوهات البُنى نتيجةً لمبدأ ترميز تحويل البُنى نفسه . يُطبّق التحويل (مثل تحويل جيب التمام المنفصل) على مجموعة من البكسلات، ولتحقيق ضغط مع فقدان البيانات، تُكمّم معاملات التحويل لكل بُنى . كلما انخفض معدل البت، كلما كان تمثيل المعاملات أقل دقة، وزاد عدد المعاملات التي تُكمّم إلى الصفر. إحصائيًا، تحتوي الصور على محتوى منخفض التردد أكثر من محتوى عالي التردد، لذا فإن المحتوى منخفض التردد هو ما يتبقى بعد التكميم، مما ينتج عنه بُنى ضبابية ومنخفضة الدقة. في أسوأ الحالات، يُحتفظ فقط بمعامل التيار المستمر، أي المعامل الذي يُمثّل متوسط ​​لون البُنى، وتصبح بُنى التحويل بلون واحد فقط بعد إعادة البناء.

نظراً لأن عملية التكميم هذه تُطبق بشكل فردي في كل كتلة، فإن الكتل المتجاورة تُكمّم المعاملات بشكل مختلف. وهذا يؤدي إلى انقطاعات عند حدود الكتل. وتكون هذه الانقطاعات أكثر وضوحاً في المناطق المسطحة، حيث تقل التفاصيل التي تُخفي هذا التأثير.

تقليل تشوهات الصور

طُرحت مناهج مختلفة للحد من تأثيرات ضغط الصور، ولكن لاستخدام تقنيات ضغط/فك ضغط موحدة والحفاظ على مزايا الضغط (مثل انخفاض تكاليف النقل والتخزين)، تركز العديد من هذه الطرق على "المعالجة اللاحقة" - أي معالجة الصور عند استلامها أو عرضها. لم تُثبت أي تقنية من تقنيات المعالجة اللاحقة قدرتها على تحسين جودة الصورة في جميع الحالات؛ وبالتالي، لم تحظَ أي منها بقبول واسع النطاق، على الرغم من تطبيق بعضها واستخدامها في أنظمة خاصة. على سبيل المثال، تحتوي العديد من برامج تحرير الصور على خوارزميات مدمجة خاصة بها للحد من تشوهات JPEG. غالبًا ما تُطلق الأجهزة الاستهلاكية على هذه المعالجة اللاحقة اسم " تقليل ضوضاء MPEG" . [ 10 ]

يمكن تحويل تشوهات الحدود في صور JPEG إلى "حبيبات" أكثر جاذبية، تشبه تلك الموجودة في أفلام التصوير الفوتوغرافي ذات حساسية ISO العالية. فبدلاً من ضرب المعاملات الكمية بخطوة التكميم Q المتعلقة بالتردد ثنائي الأبعاد، يمكن إضافة ضوضاء ذكية على شكل رقم عشوائي في الفترة [-Q / 2; Q /2] إلى المعامل غير الكمي. يمكن إضافة هذه الطريقة كجزء لا يتجزأ من برامج فك ضغط صور JPEG التي تعمل على تريليونات الصور الحالية والمستقبلية. ولذلك، فهي ليست تقنية "معالجة لاحقة". [ 11 ]

يمكن تقليل مشكلة الرنين أثناء عملية التشفير عن طريق تجاوز قيم تحويل جيب التمام المنفصل (DCT)، مما يؤدي إلى إزالة الرنين. [ 12 ]

لا يحدث التشويه عادةً إلا في الجودة المنخفضة، عندما تُعطى قيم التيار المستمر أهمية ضئيلة للغاية. ويساعد ضبط جدول التكميم في ذلك. [ 13 ]

فيديو

مثال على صورة بها تشوهات ناتجة عن خطأ في الإرسال

عند استخدام التنبؤ بالحركة، كما هو الحال في MPEG-1 أو MPEG-2 أو MPEG-4 ، تميل تشوهات الضغط إلى البقاء على عدة أجيال من الإطارات غير المضغوطة، وتتحرك مع التدفق البصري للصورة، مما يؤدي إلى تأثير غريب، يقع في مكان ما بين تأثير الرسم و"الأوساخ" التي تتحرك مع الأشياء في المشهد.

قد تؤدي أخطاء البيانات في تدفق البتات المضغوط، والتي قد تنتج عن أخطاء في الإرسال، إلى أخطاء مشابهة لأخطاء التكميم الكبيرة، أو قد تعطل تحليل تدفق البيانات كليًا لفترة وجيزة، مما يؤدي إلى تشوه الصورة. عند حدوث أخطاء جسيمة في تدفق البتات، تستمر أجهزة فك التشفير في تطبيق التحديثات على الصورة التالفة لفترة قصيرة، مما يُنشئ تأثير "الصورة الشبحية"، إلى حين استلام الإطار المضغوط التالي بشكل مستقل. في ترميز صور MPEG، تُعرف هذه الإطارات باسم " إطارات I "، حيث يرمز الحرف "I" إلى "داخلي". إلى حين وصول إطار I التالي، يمكن لجهاز فك التشفير إخفاء الأخطاء .

تشوهات حدود كتلة تعويض الحركة

قد تحدث انقطاعات في حدود الكتل عند حواف كتل التنبؤ بتعويض الحركة . في ضغط الفيديو مع تعويض الحركة، يتم التنبؤ بالصورة الحالية عن طريق إزاحة كتل (كتل كبيرة، أو أقسام، أو وحدات تنبؤ) من البكسلات من الإطارات التي تم فك تشفيرها مسبقًا. إذا استخدمت كتلتان متجاورتان متجهات حركة مختلفة، فسيحدث انقطاع عند الحافة بينهما.

ضجيج البعوض

تشمل تشوهات ضغط الفيديو النتائج التراكمية لضغط الصور الثابتة المكونة لها، فعلى سبيل المثال، تظهر التشويشات أو غيرها من تشوهات الحواف في الصور الثابتة المتتالية على شكل ضبابية متلألئة من النقاط حول الحواف، تُعرف باسم " ضوضاء البعوض "، لأنها تشبه أسراب البعوض التي تحوم حول الجسم. [ 14 ] [ 15 ] وتنتج ما يُسمى بـ"ضوضاء البعوض" عن خوارزمية ضغط تحويل جيب التمام المنفصل (DCT) القائمة على الكتل، والمستخدمة في معظم معايير ترميز الفيديو ، مثل تنسيقات MPEG . [ 3 ]

تقليل تشوهات الفيديو

يمكن تقليل التشوهات عند حدود الكتل بتطبيق مرشح إزالة التشويش . وكما هو الحال في ترميز الصور الثابتة، من الممكن تطبيق مرشح إزالة التشويش على مخرجات وحدة فك الترميز كمعالجة لاحقة.

في ترميز الفيديو المُعتمد على التنبؤ بالحركة باستخدام حلقة تنبؤ مغلقة، يستخدم المُشفِّر مُخرَج المُفكِّك كمرجع للتنبؤ بالإطارات اللاحقة. ولتحقيق ذلك، يدمج المُشفِّر مُفكِّكًا ضمنيًا. إذا قام هذا "المُفكِّك" بإزالة التشويش، تُستخدم الصورة المُزالة منها التشويش كصورة مرجعية لتعويض الحركة، مما يُحسِّن كفاءة الترميز بمنع انتشار التشويش عبر الإطارات. يُشار إلى هذا باسم مُرشِّح إزالة التشويش داخل الحلقة. تشمل المعايير التي تُحدِّد مُرشِّح إزالة التشويش داخل الحلقة: VC-1 ، و H.263 الملحق J، و H.264/AVC، و H.265/HEVC .

صوتي

تعتمد تقنية ضغط الصوت مع فقدان البيانات عادةً على نموذج نفسي صوتي ، وهو نموذج لإدراك السمع البشري. تتضمن هذه التقنية عادةً استخدام تحويل في مجال الزمن/التردد، مثل تحويل جيب التمام المنفصل المعدل . يستغل النموذج النفسي الصوتي تأثيرات الحجب، مثل حجب التردد والحجب الزمني، بحيث لا تُسجل الأصوات التي يفترض ألا تُسمع. على سبيل المثال، لا يستطيع الإنسان عمومًا إدراك نغمة خافتة تُعزف في الوقت نفسه مع نغمة مماثلة ولكن أعلى صوتًا. قد تحدد تقنية ضغط الصوت مع فقدان البيانات هذه النغمة الخافتة وتحاول إزالتها. كما يمكن "إخفاء" ضوضاء التكميم حيثما تُحجب بأصوات أكثر وضوحًا. مع الضغط المنخفض، يُستخدم نموذج نفسي صوتي متحفظ بأحجام كتل صغيرة.

عندما يكون النموذج النفسي الصوتي غير دقيق، أو عندما يكون حجم كتلة التحويل محدودًا، أو عند استخدام ضغط قوي، فقد ينتج عن ذلك تشوهات ناتجة عن الضغط. تظهر هذه التشوهات عادةً في الصوت المضغوط على شكل رنين، أو صدى مسبق ، أو تشويش، أو انقطاعات، أو خشخشة، أو تذبذب، أو رنين معدني، أو إحساس تحت الماء، أو أزيز، أو تشويش.

من أمثلة تشوهات الضغط في الصوت صوت التصفيق في ملف صوتي مضغوط بدرجة عالية نسبيًا (مثل  ملف MP3 بسرعة 96 كيلوبت/ثانية). عمومًا، تتميز النغمات الموسيقية بأشكال موجية متكررة وتغيرات أكثر قابلية للتنبؤ في مستوى الصوت، بينما يكون صوت التصفيق عشوائيًا في جوهره، مما يجعل ضغطه صعبًا. قد يحتوي مقطع صوتي مضغوط بدرجة عالية من التصفيق على "رنين معدني" وتشوهات ضغط أخرى.

الاستخدام الفني

قد تُستخدم تشوهات الضغط عمدًا كأسلوب بصري، يُعرف أحيانًا باسم " فن الخلل ". تستخدم روزا مينكمان في فن الخلل تشوهات الضغط ، [ 16 ] وخاصةً كتل تحويل جيب التمام المنفصل (كتل DCT) الموجودة في معظم تنسيقات ضغط بيانات الوسائط الرقمية مثل صور JPEG الرقمية وملفات الصوت الرقمية MP3 . [ 2 ] في الصور الثابتة، مثال على ذلك صور JPEG للمصور الألماني توماس روف ، والتي تستخدم تشوهات JPEG المتعمدة كأساس لأسلوب الصورة. [ 17 ] [ 18 ]

في فن الفيديو ، تُستخدم تقنية "تشويش البيانات" (Datamoshing )، حيث يتم دمج مقطعي فيديو بحيث تُستخلص الإطارات الوسيطة من مصدرين منفصلين. وتتضمن تقنية أخرى ببساطة تحويل ترميز الفيديو من صيغة مضغوطة إلى أخرى، مستغلةً الاختلاف في كيفية معالجة برامج الترميز المختلفة لمعلومات الحركة واللون. [ 19 ] وقد طوّر هذه التقنية الفنانون برتراند بلانيس بالتعاون مع كريستيان جاكيمين عام 2006 باستخدام برنامج DivXPrime، [ 20 ] وسفين كونيغ، وتاكيشي موراتا ، وجاك بيركونت ، وبول ب. ديفيس بالتعاون مع Paperrad ، ومؤخرًا استخدمها ديفيد أورايلي في فيديوهات موسيقية لفرقة Chairlift ، ونبيل إلديركين في فيديو " Welcome to Heartbreak " لكانييه ويست . [ 21 ] [ 22 ]

يوجد أيضاً نوع من الميمات على الإنترنت حيث يتم ضغط صور غير منطقية في كثير من الأحيان بشكل كبير، وأحياناً عدة مرات، لتحقيق تأثير كوميدي. غالباً ما يُشار إلى الصور التي تم إنشاؤها باستخدام هذه التقنية باسم "المقلية". [ 23 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 كاتساجيلوس، أنجيلوس ك.؛ باباجان، س. ديرين؛ تشون-جين، تساي (2009). "الفصل 15 - استعادة الصور التكرارية". الدليل الأساسي لمعالجة الصور . دار النشر الأكاديمية . الصفحات 349-383 . ISBN  9780123744579.
  2. 1 2 عليخاني، داريا (1 أبريل 2015). "ما وراء الدقة: فن الخلل لروزا مينكمان" . بوست ماتر . مؤرشف من الأصل في 19 أكتوبر 2019. تم الاسترجاع في 19 أكتوبر 2019 .
  3. 1 2 "ضجيج البعوض" . مجلة الكمبيوتر الشخصي . تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 أكتوبر 2019 .
  4. ↑ جير، دنكان (13 ديسمبر 2011). "فن الخلل الناتج عن 'ثني البيانات'"" . Wired . تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 ديسمبر 2011 .
  5. ↑ بيكر-سميث، بن (28 أبريل 2009). "تشويه البيانات - جمال الخلل" . Bitsynthesis.com. مؤرشف من الأصل في 16 نوفمبر 2010. تم الاطلاع عليه في 28 أبريل 2009 . 
  6. ↑ "أجهزة تصوير/نسخ زيروكس تُغيّر الأرقام في المستندات الممسوحة ضوئيًا بشكل عشوائي" . 2 أغسطس 2013. تم الاطلاع عليه بتاريخ 4 أغسطس 2013 .
  7. ↑ "خبير يكتشف أن آلات تصوير زيروكس المرتبكة تعيد كتابة المستندات" . بي بي سي نيوز . 6 أغسطس 2013. تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 أغسطس 2013 .
  8. ↑ أميري، سكنى أسدي؛ حسن بور، حامد (1 أبريل 2018). "ضغط الصور باستخدام JPEG مع تقليل تأثيرات الحجب عبر تقليل حجم العينة التكيفي وتمثيل الصور المتفرقة ذاتي التعلم" . أدوات وتطبيقات الوسائط المتعددة . 77 (7): 8677-8693 . doi : 10.1007/s11042-017-4763-1 . ISSN 1573-7721 . تاريخ الاسترجاع: 8 مارس 2024 . 
  9. ^ واتكينسون، جون (2004). كتيب MPEG لجون واتكينسون . تايلور وفرانسيس. رقم ISBN 9780240805788.
  10. ↑ "مجلة الكمبيوتر الشخصي، تعريف القطع الأثرية المُسببة للتشويش" . مؤرشف من الأصل في 7 أكتوبر 2012. تم الاطلاع عليه في 23 سبتمبر 2020 .
  11. ^ هدسون ، جراهام. ليجر، آلان؛ نيس، بيرجر. سيبيستيان، إستفان؛ فابين، يورغن (31 أغسطس 2018). "معيار JPEG.1 لمدة 25 عامًا: أسباب النجاح في الماضي والحاضر والمستقبل" . مجلة التصوير الالكتروني . 27 (4): 1. دوى : 10.1117/1.JEI.27.4.040901 . S2CID 52164892 . 
  12. ↑ ريختر، توماس (سبتمبر 2016). "JPEG على المنشطات: تقنيات التحسين الشائعة لضغط صور JPEG". المؤتمر الدولي لمعالجة الصور IEEE لعام 2016 (ICIP) . الصفحات 61-65 . doi : 10.1109/ICIP.2016.7532319 . ISBN  978-1-4673-9961-6. S2CID 14922251 . 
  13. ↑ "كورنيلسكي/jpeg-ضاغط" . جيثب . 16 نوفمبر 2020.
  14. ↑ لي دين، فوك-تو؛ باتري، جاك. "تشوهات ضغط الفيديو وتقليل ضوضاء MPEG" . مضمن . تم الاسترجاع في 19 فبراير 2016 .
  15. ↑ " 3.9 ضوضاء البعوض: شكل من أشكال تشوه حواف الصورة المرتبط أحيانًا بالحركة، ويتسم بظهور أجزاء متحركة و/أو أنماط ضوضاء متقطعة متراكبة على الأجسام (تشبه بعوضة تحلق حول رأس وكتفي شخص ما)." ITU-T Rec. P.930 (08/96) مبادئ نظام مرجعي لتشوه الصورة للفيديو
  16. ↑ مينكمان، روزا (أكتوبر 2011). لحظة الخلل (ملف PDF) . معهد ثقافات الشبكة. ISBN 978-90-816021-6-7تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 أكتوبر 2019 .
  17. ↑ صور JPEG ، توماس راف ، أبيرتشر ، 31 مايو 2009، 132 صفحة، رقم ISBN 978-1-59711-093-8
  18. ↑ مراجعة: صور بصيغة JPEG من توماس روف ، بقلم يورغ كولبيرغ ، 17 أبريل 2009
  19. ^ أنونيم زي (19 فبراير 2009). "من أداة الضغط إلى التصفية" . روزا مينكمان.blogspot.com . تم الاسترجاع 23 ديسمبر 2011 .
  20. ^ جاكمين، كريستيان (2008). "Le bug dans l'oeuvre DivXPrime de Bertrand Planes: Invention et Mutation. In، Ivan Toulouse و Daniel Danétis، محرران، Eurêka: Le moment de l'invention، un حوار بين الفن والعلوم، L'Harmattan، Paris" (PDF) . ص 245 – 256 . تم الاسترجاع 5 نوفمبر 2012 . 
  21. ↑ بيكسل بليد ، بقلم جون مايكل بولينج. رايزوم . 25 فبراير 2009.
  22. ↑ رودريغيز، جايسون (18 فبراير 2009). "كانييه ويست يُسرع بنشر فيديو جديد على موقعه الإلكتروني - أخبار إم تي في" . Mtv.com. مؤرشف من الأصل في 19 فبراير 2009. تم الاطلاع عليه في 23 ديسمبر 2011 . 
  23. ↑ ماتساكيس، لويز (30 أغسطس 2017). "كيفية قلي ميم" . فايس . تم الاسترجاع في 27 يوليو 2021 .