ضغط الصور

يُعدّ ضغط الصور نوعًا من أنواع ضغط البيانات يُطبّق على الصور الرقمية لتقليل تكلفة تخزينها أو نقلها . قد تستفيد الخوارزميات من الإدراك البصري والخصائص الإحصائية لبيانات الصور لتقديم نتائج أفضل مقارنةً بطرق ضغط البيانات العامة المستخدمة مع البيانات الرقمية الأخرى. ^{[ 1 ]}

قد يكون ضغط الصور مع فقدان للبيانات أو بدون فقدان . يُفضل الضغط بدون فقدان للبيانات لأغراض الأرشفة، وغالبًا ما يُستخدم في التصوير الطبي، والرسومات الفنية، والصور الجاهزة ، والقصص المصورة. أما طرق الضغط مع فقدان للبيانات، خاصةً عند استخدامها بمعدلات بت منخفضة ، فتُسبب تشوهات بصرية . تُعد هذه الطرق مناسبة بشكل خاص للصور الطبيعية، مثل الصور الفوتوغرافية، في التطبيقات التي يكون فيها فقدان طفيف (أحيانًا غير محسوس) في جودة الصورة مقبولًا لتحقيق انخفاض كبير في معدل البت. يُمكن تسمية الضغط مع فقدان للبيانات الذي يُنتج اختلافات ضئيلة بالضغط بدون فقدان مرئي.

طرق الضغط مع فقدان البيانات :

• ترميز التحويل - هذه هي الطريقة الأكثر استخدامًا.
  • تحويل جيب التمام المنفصل (DCT) - الشكل الأكثر شيوعًا لضغط البيانات مع فقدانها. وهو نوع من التحويلات المرتبطة بتحويل فورييه ، وقد طُوِّر في الأصل على يد ناصر أحمد ، وتي. ناتاراجان، وكيه. آر. راو عام 1974. ^{[ 2 ]} يُشار إلى تحويل جيب التمام المنفصل أحيانًا باسم "DCT-II" ضمن مجموعة تحويلات جيب التمام المنفصلة (انظر تحويل جيب التمام المنفصل ). وهو عمومًا الشكل الأكثر كفاءة لضغط الصور.
    • يتم استخدام DCT في JPEG ، وهو تنسيق الضغط المضغوط الأكثر شيوعًا، وفي HEIF الأحدث .
  • كما يتم استخدام تحويل المويجات الذي تم تطويره مؤخرًا على نطاق واسع، يليه التكميم وتشفير الإنتروبيا .
• تكميم الألوان - تقليص مساحة الألوان إلى عدد قليل من الألوان "التمثيلية" في الصورة. تُحدد الألوان المختارة في لوحة الألوان الموجودة في رأس الصورة المضغوطة. يشير كل بكسل إلى فهرس لون في لوحة الألوان. يمكن دمج هذه الطريقة مع التمويه اللوني لتجنب التشويه اللوني .
  • لوحة ألوان الصورة الكاملة، والتي تتكون عادةً من 256 لونًا، وتستخدم في تنسيقات ملفات GIF و PNG.
  • لوحة الألوان، عادةً ما تكون لونين أو 4 ألوان لكل كتلة من 4x4 بكسل، وتستخدم في BTC و CCC و S2TC و S3TC .
• أخذ عينات فرعية من اللون . يستفيد هذا من حقيقة أن العين البشرية تدرك التغيرات المكانية للسطوع بشكل أكثر حدة من تلك الخاصة باللون، وذلك عن طريق حساب متوسط ​​أو حذف بعض معلومات اللون في الصورة.
• الانضغاط الفركتلي .
• في الآونة الأخيرة، طُبقت أساليب تعتمد على التعلم الآلي ، باستخدام الشبكات العصبية متعددة الطبقات ، والشبكات العصبية الالتفافية ، والشبكات التوليدية التنافسية ^{[ 3 ]} ، ونماذج الانتشار ^{[ 4 ]} . وتتوفر تطبيقات لهذه الأساليب في مكتبات OpenCV و TensorFlow وأداة معالجة الصور في MATLAB (IPT)، ومشروع ضغط الصور التوليدي عالي الدقة (HiFiC) مفتوح المصدر ^{[ 5 ] .}

طرق الضغط بدون فقدان البيانات :

• ترميز طول التشغيل - يُستخدم كطريقة افتراضية في PCX وكأحد الخيارات الممكنة في BMP و TGA و TIFF
• الترميز التنبؤي - المستخدم في DPCM
• ترميز الإنتروبيا – أكثر تقنيات ترميز الإنتروبيا شيوعًا هي الترميز الحسابي وترميز هوفمان
• خوارزميات القاموس التكيفية مثل LZW - المستخدمة في GIF و TIFF
• DEFLATE - يستخدم في PNG و MNG و TIFF
• رموز السلسلة

إن الحصول على أفضل جودة للصورة بمعدل ضغط معين (أو معدل بت معين ) هو الهدف الرئيسي لضغط الصور، ومع ذلك، هناك خصائص أخرى مهمة لأنظمة ضغط الصور:

تشير قابلية التوسع عمومًا إلى تقليل الجودة من خلال معالجة تدفق البتات أو الملف (دون فك الضغط وإعادة الضغط). ومن الأسماء الأخرى لقابلية التوسع: الترميز التدريجي أو تدفقات البتات المضمنة . وعلى الرغم من طبيعتها المتناقضة، يمكن أيضًا إيجاد قابلية التوسع في برامج الترميز غير المضغوطة، وعادةً ما تكون على شكل مسح بكسلات من الخشن إلى الدقيق. تُعد قابلية التوسع مفيدة بشكل خاص لمعاينة الصور أثناء تنزيلها (مثلًا، في متصفح الويب) أو لتوفير وصول بجودة متغيرة إلى قواعد البيانات، على سبيل المثال. وهناك عدة أنواع من قابلية التوسع:

• الجودة التدريجية أو الطبقات التدريجية: يقوم تدفق البتات بتحسين الصورة المعاد بناؤها بشكل متتابع.
• تحسين الدقة التدريجي : يتم أولاً ترميز صورة بدقة أقل، ثم يتم ترميز الفرق إلى دقة أعلى. ^{[ 6 ] [ 7 ]}
• المكون التدريجي : أولاً، يتم ترميز النسخة الرمادية؛ ثم إضافة الألوان الكاملة.

ترميز منطقة الاهتمام . يتم ترميز أجزاء معينة من الصورة بجودة أعلى من غيرها. ويمكن دمج ذلك مع قابلية التوسع (ترميز هذه الأجزاء أولاً، ثم الأجزاء الأخرى لاحقاً).

البيانات الوصفية . قد تحتوي البيانات المضغوطة على معلومات حول الصورة يمكن استخدامها لتصنيف الصور أو البحث عنها أو تصفحها. قد تتضمن هذه المعلومات إحصائيات اللون والملمس، وصور معاينة صغيرة ، ومعلومات عن المؤلف أو حقوق النشر.

قوة المعالجة . تتطلب خوارزميات الضغط كميات متفاوتة من قوة المعالجة للترميز وفك الترميز. بعض خوارزميات الضغط العالي تتطلب قوة معالجة عالية.

غالبًا ما تُقاس جودة طريقة الضغط بنسبة ذروة الإشارة إلى الضوضاء . فهي تقيس مقدار الضوضاء الناتجة عن الضغط الفاقد للصورة، ومع ذلك، يُعتبر التقييم الذاتي للمشاهد أيضًا معيارًا مهمًا، وربما يكون المعيار الأهم.

بدأ ترميز الإنتروبيا في أواخر الأربعينيات من القرن العشرين مع تقديم ترميز شانون-فانو ، ^{[ 8 ]} وهو الأساس لترميز هوفمان الذي نُشر في عام 1952. ^{[ 9 ]} يعود تاريخ ترميز التحويل إلى أواخر الستينيات من القرن العشرين، مع تقديم ترميز تحويل فورييه السريع (FFT) في عام 1968 وتحويل هادامارد في عام 1969. ^{[ 10 ]}

كان تحويل جيب التمام المنفصل (DCT) تطورًا هامًا في ضغط بيانات الصور، وهو تقنية ضغط مع فقدان للبيانات اقترحها ناصر أحمد ، وتي. ناتاراجان، وكيه آر راو لأول مرة عام 1973. ^{[ 11 ]} أُطلق تنسيق JPEG من قِبل مجموعة خبراء التصوير المشتركة (JPEG) عام 1992. ^{[ 12 ]} يضغط JPEG الصور إلى أحجام ملفات أصغر بكثير، وأصبح تنسيق ملفات الصور الأكثر استخدامًا على نطاق واسع . ^{[ 13 ]} كان لـ JPEG دور كبير في الانتشار الواسع للصور الرقمية ، ^{[ 14 ]} حيث تم إنتاج مليارات الصور بتنسيق JPEG يوميًا حتى عام 2015. ^{[ 15 ]}

خوارزمية ليمبل-زيف-ويلش (LZW) هي خوارزمية ضغط بدون فقدان للبيانات، طوّرها أبراهام ليمبل وجاكوب زيف وتيري ويلش عام 1984. وتُستخدم في صيغة GIF التي طُرحت عام 1987. ^{[ 16 ]} أما خوارزمية DEFLATE ، وهي خوارزمية ضغط بدون فقدان للبيانات طوّرها فيل كاتز وتم تحديد مواصفاتها عام 1996، فتُستخدم في صيغة رسومات الشبكة المحمولة (PNG). ^{[ 17 ]}

طُوِّر معيار JPEG 2000 بين عامي 1997 و2000 من قِبَل لجنة JPEG برئاسة توراج إبراهيمي (الذي أصبح لاحقًا رئيسًا لـ JPEG). [ 18 ^{] وعلى عكس} خوارزمية تحويل جيب التمام المنفصل (DCT) المستخدمة في تنسيق JPEG الأصلي، يستخدم JPEG 2000 خوارزميات تحويل المويجات المنفصلة (DWT). فهو يستخدم تحويل المويجات CDF 9/7 (الذي طورته إنغريد دوبيشيز عام 1992) لخوارزمية الضغط مع فقدان البيانات، ^{[ 19 ]} وتحويل المويجات Le Gall–Tabatabai (LGT) 5/3 ^{[ 20 ] [ 21 ]} (الذي طوره ديدييه لو غال وعلي ج. طباطبائي عام 1988) ^{[ 22 ]} لخوارزمية الضغط بدون فقدان البيانات. ^{[ 19 ]} تم اختيار تقنية JPEG 2000 ، والتي تتضمن امتداد Motion JPEG 2000 ، كمعيار ترميز الفيديو للسينما الرقمية في عام 2004. ^{[ 23 ]}