بسمه تعالي

پردازش

در پردازش تصاوير رقمي معمولا“از شيوه هاي كه به شكل الگوريتم بيان مي شود استفاده مي گرددبنابراين غير از تصويربرداري و نمايش تصوير مي توان اغلب عمليات پردازش تصوير را با نرم افزار  اجرا كرد تنها علت استفاده از سخت افزار ويژه پردازش تصوير نياز به سرعت بالا دربعضي كاربردها و يا غلبه بر بعضي محدوديت هاي اساسي رايانه است.مثلا“يك كاربرد مهم از تصويربرداري رقمي ؛ريزبيني درنوركم است براي كاهش نويز تصوير بايد چند متوسط گيري روي تصاوير متوالي با نرخ قالب(غالبا“30قاب در ثانيه)انجام شود.شاختار بزرگراه در غالب رايانه ها جز چند رايانه بسيار كارآمد نمي تواند به سرعت داده مورد نيازبراي اجراي اين عمل دست يابد بنابراين  سامانه هاي پردازش تصوير امروزي تركيبي از رايانه هاي متداول و سخت افزارهاي ويژه پردازش تصوير است كه كارهمه آنها به وسيله نرم افزار در حال اجرا روي رايانه اصلي هدايت مي شود./

مدلهاي متعدد سامانه هاي پردازش تصوير كه در حدود نيمه دهه 80در سراسر دنيا به فروش رسيد وسايل جانبي نسبتا“بزرگي بود كه به رايانه هاي ميزبان با همان بزرگي متصل مي شد.درانتهاي دهه 80و ابتداي دهه 90سخت افزارهاي تجاري پردازش تصوير به شكل بردهاي تكي كه براي سازگاري با بزرگراه هاي استاندارد صنعتي و انطباق با كارگاه هاي كوچك مهندسي و رايانه هاي شخصي طراحي شده بود تغيير يافت .اين تغيير علاوه بركاهش هزينه ها يكي از عوامل تاسيس شركت هاي زيادي با تخصص توليد نرم افزار پردازش تصوير بود.

گرچه هنوز هم سامانه هاي پردازش تصوير بزرگ براي كاربردهاي نظير پردازش تصاوير ماهواره اي به فروش مي رسندحركت به سوي كوچك سازي وايجاد رايانه هاي كوچك همه منظوره كه به سخت افزار پردازش تصوير مجهز است همچنان ادامه دارد.سخت افزار لصلي تصويربرداري كه به اين رايانه ها افزوده مي شود تركيبي از يك ((رقمي ساز و بافرقاب ))براي رقمي سازي و ذخيره موقت تصوير يك ((واحد محاسبه و منطق))(ALU)براي اجراي عمليات حسابي ومنطقي درنرخ قاب و يك يا چند((بافرقاب))براي دستيابي سريع به داده هاي تصوير در طول پردازش است.امروزه مي توان نرم افزارهاي پردازش تصويرفراهم مي شود وسايل نمايش و نرم افزارهاي كارآمد پردازش كلمه و توليد گزارش ارائه نتايج را تسهيل مي كند اغلب نتايج به دست آمده با چنين سامانه هايي به بردهاي پردازش تصوير سريع و خاصي كه بابزرگراه مورد استفاده سازگارند انتقال مي يابد.

يكي از مشخصه هاي علم پردازش تصويرعدم استفاده از يك راه حل براي كاربردهاي متفاوت است بنابراين فنوني كه دريك مورد خوب كار مي كنند ممكن است در ديگري كاملا“ضعيف باشند تنها فايده وجود سخت افزار قوي ونرم افزارپايه درحال حاضر اين است كه نقطه شروع كار نسبت به يك دهه پيش  بسيار پيشرفته تر (وبازار صرفا“كسري از هزينه آن موقع)مي باشد.به طوركلي هنوز هم پيدا كردن راه حل واقعي براي يك مساله خاص نيازمند تحقيق و توسعه فراوان است مباحثي كه درفصول بعدي مطرح مي شود فقط براي اين نوع فعاليت ها ابزارهايي را ارائه مي كند.

مخابرات

استفاده ازمخابرات در پردازش تصوير رقمي معمولا“درمورد ارسال داده هاي تصويري است و اغلب شامل مخابره محلي بين رسانه هاي پردازش تصوير ومخابره را دور از يك نقطه به نقطه ديگر مي باشدبراي اغلب رايانه ها سخت افزار ونرم افزار مخابره محلي به آساني در دسترس است بيشتر كتب راجع به شبكه هاي رايانه اي به روشني توافق هاي مخابره استاندارد را توضيح مي دهند.

اگرداده هاي تصويري فشرده نشده در فواصل طولاني مخابره شوند مشكل جدي تري ايجاد مي شود تاكنون بايد اين موضوع روشن شده باشد كه تصاوير رقمي حاوي مقادير بزرگي از داده ها هستند اما يك خط تلفن صوتي حداكثر مي تواند9600بيت بر ثانيه را انتقال دهد؛بنابراين ارسال يك تصوير 8بيتي 512×512با اين نرخ بيت تقريبا“پنج دقيقه طول مي كشد.ارتباط بيسيم با استفاده از ايستگاه هاي مياني نظير ماهواره ها بسيار سريعتر است گرچه هزينه بيشتري دارد نكته اين است كه دربسياري مواقع ارسال تصاوير كامل درفواصل طولاني مورد نياز است درفصل 6نشان خواهيم داد كه فشرده سازي وافشرده سازي و (انبساط)داده ها نقش اصلي را در حل اين مشكل بر عهده دارد.

نمايش

نمايشگرهاي تك رنگ و رنگي تلويزيوني ابزار اصلي نمايش درسيستم هاي پردازش تصوير امروزي است نمايشگرها با خروجي هاي واحد سخت افزاري نمايش تصوير كه در برد اصلي رايانه ميزبان قرارداد ويابخشي از سخت افزارپردازشگر تصويري مي باشد راه اندازي مي شود همچنين مي توان سيگنالهاي خروجي ازواحد نمايش رابه يك وسيله ثبت تصوير داد تاتصويري چاپي (اسلايد؛عكس ياورق شفاف)ازآنچه روي نمايشگر ديده مي شود توليد كند لامپ هاي اشعه كاتدي (CRT)بادستيابي تصادفي و دستگاه هاي چاپ نيز به عنوان وسايل نمايش استفاده مي شود.

درنمايشگر هاي CRTرايانه با توليد سيگنال هاي راه انداز مورد نياز محل اشعه الكتروني را در هر لحظه معين مي كند تاتصوير ايجاد شود.درهرنقطه يك ولتاژكه متناسب با مقدار روشنايي نقطه متناظر درآرايه عددي است شدت پرتو رامدوله مي كند مقدار شدت پرتو حاصل بين صفر براي نقاط سياه تا مقدار بيشينه براي نقاط سفيد متغير است يك دوربين عكاسي كه روي صفحه CRTمتمركز است الگوي نوري باشدت متغير حاصل را ظبط مي كند.

وسايل چاپ تصوير اغلب براي پردازش تصوير با تفكيك پايين مفيد است يك روش ساده براي توليد تصاوير خاكستري روي كاغذ استفاده از قابليت چند ضربه اي چاپگر خطي استاندارد است.

مي توان با تعداد و چگالي نويسه هاي روي هم چاپ شده درهرنقطه تصوير سطح خاكستري آن نقطه را تنظيم نمود.باانتخاب مناسب مجموعه نويسه ها مي توان با يك برنامه رايانه اي ساده و نويسه هاي نسبتا“كم به توزيع هاي خوب سطح خاكستري دست يافت.ضميمه الف حاوي مثالهايي از اين روش است چند وسيله متداول ديگر براي ثبت تصوير روي كاغذ چاپگرهاي ليزري وسايل داراي كاغذ حساس به حرارت و دستگاه هاي جوهر افشان است.

فشرده سازي تصوير

وقتي براي توليد يك تصوير رقمي ؛تابع شدت نور دوبعدي متناظر نمونه برداري و چندي مي شودمقادير بي شماري ((داده))توليد مي گردد.درواقع مقدار داده هاي توليد شده ممكن است آنقدر بزرگ باشد كه ذخيره سازي ؛پردازش ومخابره آن غير عملي باشد.درچنين حالاتي به نمايش هايي غير از نمونه برداري دوبعدي و چندي سازي ساده نياز است به عنوان مثال براي نمايش دايره المعارف Encyclopaedie Britannice درشكل رقمي بيش از 25 گيگابايت (10×25بايت)داده مورد نياز است.

فشرده سازي تصوير به موضوع كاهش مقدار داده هاي مورد نياز براي نمايش تصوير رقمي مي پردازد.اساس فرآيندكاهش حذف داده هاي زايد است از نقطه نظر رياضي اين فرآيند معادل تبديل يك آرايه پيكسلي دوبعدي به يك مجموعه داده ناهمبسته آماري است كه معمولا“اين تبديل قبل از ذخيره سازي يا ارسال تصوير انجام مي شود.تصوير فشرده در زماني ديگر يا در مقصد وافشرده مي شود تا تصوير اوليه با تقريبي ازآن بازسازي شود.

توجه به فشرده سازي تصوير بيش از25سال سابقه دارد در ابتدا تحقيقات در اين موضوع روي توسعه روش هاي آنالوگ براي كاهش عرض باند ارسال ويديو كه فشرده سازي عرض باند خوانده مي شود متمركز بود گرچه اختراع رايانه هاي رقمي و بدنبال آن توسعه مدارهاي مجتمع پيشرفته باعث شد كه توجه از روش هاي فشرده سازي آنالوگ به روش هاي رقمي معطوف شود اخيرا“با پذيرش جهاني چند استاندارد فشرده سازي تصوير زمينه رشد اين موضوع از طريق كاربرد عملي كارهاي نظري شروع شده از دهه 1940فراهم گرديد شانون و همكارانش در اين دهه براي اولين بار روابط احتمالاتي را براي ميزان اطلاعات و نمايش ارسال و فشرده سازي داده ها بيان كردند.

نياز به فشرده سازي تصوير درطول سال هاي اخير بتدريج رشد كرده است به طوري كه اكنون اين مبحث به عنوان يك ((فناوري فعال ساز))شناخته مي شود.به عنوان مثال همواره فشرده سازي تصوير در افزايش محاسبات چند رسانه اي (يعني استفاده از رايانه هاي رقمي در چاپ و نشر و توليد و توزيع ويديو)بسيار موثر بوده وهست.بعلاوه ؛فشرده سازي تصوير ؛فناوري
كار باتفكيك مكاني افزايش يافته در حسگرهاي تصوير بردار امروزي واستاندارد هاي درحال تكامل پخش تلويزيون است گذشته از اين فشرده سازي تصوير نقش خيلي مهمي در بسياري از كاربردهاي مهم و گوناگون شامل گردهمايي تصويري از راه دور ؛سنجش از راه دور(استفاده از تصويربرداري ماهواره اي در كاربردهاي هوايي وسايركاربردهاي زميني )تصويربرداري اسناد تصوير برداري پزشكي ؛ارسال دورنگار و كنترل وسايل هدايت از راه دور دركاربردهاي نظامي ؛فضايي ومواد زائد خطرناك بازي مي كند خلاصه اين كه تعداد روبه افزايشي ازكاربردها به پردازش ذخيره سازي و ارسال پر بازده تصاوير دودويي خاكستري يا رنگي نياز دارند.

مباني

عبارت فشرده سازي داده به فرآيند كاهش مقدار داده هاي مورد نياز براي بيان يك مقدار معين از اطلاعات اشاره مي كند تفاوت آشكار بين داده و اطلاعات هستند وازمقادير متفاوتي داده مي توان براي نمايش يك مقدار ثابت اطلاعات استفاده كرد يك مثال آن حالتي است كه فرد ((پرحرف))ويك فرد ((كم حرف))هردو بخواهند يك داستان را تعريف كنند دراين مورد اطلاعات مورد علاقه داستان است و كلمات داده هاي مورد استفاده براي بيان اطلاعات هستند.اگر اين دونفر تعداد متفاوتي از كلمات را براي تعريف داستان به كاربرند دونسخه متفاوت از داستان ايجاد مي شود و حداقل يكي از دونقل داراي داده هاي غيرضروري است يعني داراي داده ها (باكلماتي)است كه ياهيچ اطلاعات مرتبطي را ارائه نمي كنند يا فقط چيزهايي را كه قبلا“معلوم بوده اند دوباره بيان مي كنند.بنابراين گفته مي شودكه اين نقل ؛افزونگي داده دارد.افزونگي داده مهمترين مورد در فشرده سازي تصوير رقمي است.

مدلهاي فشرده سازي تصوير

سامانه هاي عملي فشرده سازي تصوير معمولا“ازتركيب اين روش ها بوجود مي آيند.دراين بخش مشخصات كلي چنين سامانه اي رابررسي مي كنيم و يك الگوي كلي براي نمايش آن ارائه مي نماييم.

همانطوركه شكل يك نشان مي دهد يك سامانه فشرده سازي تصويرداراي دوبلوك ساختاري جداگانه است يك رمز گذار و يك رمزبردارتصوير ورودي (x-y)fبازسازي مي شود.درحالت كلي ممكن است (x-y)fنسخه دوم دقيقي از

(x-y)fباشديانباشد.درحالت مثبت ؛سامانه بدون خطا يا نگهدار اطلاعات است اگر چنين نباشد مقداري اعوجاج درتصوير بازسازي شده وجود دارد.

رمزگذار ورمزبردار هردو داراي دوتابع يازير بلوك نسبتا“مستقل هستند.رمزگذار از رمزگذار منبع كه افزونگي هاي ورودي را حذف مي كند ورمزگذار كانال كه امنيت نويز خروجي رمزگذار منبع را افزايش مي دهد تشكيل مي شود همان طور كه انتظار مي رود رمز بردار نيز شامل يك رمزبردار كانال و به دنبال آن يك رمزبردار منبع است. اگر كانال بين رمزگذار و رمزبردار بدون نويز باشد(درمعرض خطا نباشد)رمزگذار و رمزبردار كانال حذف مي شوند ورمزگذار و رمزبردار كلي بترتيب معادل رمزگذار و رمزبردار منبع مي شوند.

رمزگزار ورمزبردار منبع

رمزگذار منبع مسؤول كاهش ياحذف هريك ازافزونگي هاي رمزنگاري ؛بين پيكسلي يا روان بصري در تصوير ورودي است كاربرد مورد نظر وميزان كيفيت مورد نياز تصوير بهترين روش رمزگذاري را تعيين مي كند معمولا“اين فرآيندرامي توان با دنباله ي از سه عمل مستقل مدل نمود.همانطور كه (الف)نشان مي دهد هريك از اعمال براي كاهش يكي از سه نوع افزونگي مشروح طراحي مي شوند شكل2رمزبردار منبع متناظر آن رانشان مي دهد.

درمرحله اول فرآيند رمزگذاري منبع نگاشت گر داده هاي ورودي را به يك قالب (معمولا“غير بصري)كه براي كاهش افزونگي هاي بين پيكسلي تصوير ورودي طراحي شده است ؛تبديل مي كند.اين عمل درحالت كلي معكوس پذير است و ممكن است مقدار داده مورد نياز براي نمايش تصوير را كاهش بدهد ياندهد.رمزنگاري طول دنباله (RL)(بخش هاي2.1.6و2.4.6)مثالي از يك نگاشت است كه درمرحله اول فرآيند كلي رمزگذاري منبع باعث فشرده سازي داده ها مي شودونمايش تصويربوسيله مجموعه اي از ضرايب تبديل مثالي ازحالت مخالف است دراين حالت نگاشت گر تصوير را به آرايه اي از ضرايب تبديل مي نمايد تا افزونگي هاي بين پيكسلي آن براي فشرده سازي درمراحل بعدي رمزگذاري قابل دسترس تر بشوند.

رمزگذارورمزبردار كانال

وقتي كانال شكل نويزدار يا درمعرض خطا باشد رمزگذار ورمزبرداركانال نقش مهمي درفرآيند كلي رمزگذاري –رمزبرداري بازي مي كنند اين دوبلوك براي كاهش اثر نويز كانال بوسيله افزودن يك شكل كنترل شده از افزونگي به داده هاي رمز شده منبع طراحي مي شوند گرچه خروجي رمزگذار منبع مقدار كمي افزونگي دارد اما بدون اضافه شدن افزونگي كنترل شده فوق اين خروجي نسبت به نويز انتقال بسيار حساس خواهد بود.

يكي از مفيدترين روش هاي رمزگذاري كانال بوسيله همينگ (1950)طراحي شد اين روش بر اساس افزودن بيت هاي كافي به داده هايي كه رمز مي شوند مي باشد طوري كه اطمينان مي دهد به ميزان حداقل لازم بين كلمات رمز معتبر تفاوت (فاصله)وجود داردبراي مثال همينگ نشان داد كه اگر 3بيت افزونگي به يك كلمه 4بيتي اضافه شود طوري كه فاصله بين هردو كلمه رمز معتبر 3باشد تمام خطاهاي يك بيتي رامي توان كشف و تصحيح كرد(با افزودن بيت هاي افزونگي بيشتر مي توان خطاهاي چند بيتي را كشف و يا تصحيح كرد.)

فشرده سازي بدون خطا

دركاربردهاي متعددي فشرده سازي بدون خطا تنهاوسيله مناسب براي كاهش داده ها است يكي از اين كاربردها بايگاني اسناد پزشكي يا تجاري مي باشدكه درآنها معمولا“به دلايل قانوني فشرده سازي با اتلاف ممنوع است كاربر ديگر پردازش تصاوير دريافتي ازLANDSATاست كه دراين مورد نوع استفاده وهزينه جمع آوري داده ها هر اتلافي را نامطلوب مي سازد.كاربر ديگر پرتونگاري رقمي است كه اتلاف اطلاعات مي تواند دقت تشخيص را به مخاطره اندازد.دراين موارد و موارد ديگر كاربرد مورد نظر و طبيعت تصاوير مورد بررسي نياز به فشرده سازي بدون خطا را مطرح مي سازند.

دراين بخش برروي روش هاي اصلي فشرده سازي بدون خطا كه اكنون استفاده مي شوند.متمركز مي شويم اين روش معمولا“نسبت هاي فشرده سازي بين 2تا 10را فراهم مي آورندگذشته از اين كاربرد يكساني درتصاوير دودويي و خاكستري دارند.همان طور كه نشان داده شد روش هاي فشرده سازي بدون خطا معمولا“تركيبي از دوعمل نسبتا“مستقل هستند:1-طرح يك نمايش ديگر از تصويري كه افزونگي هاي پيكسلي آن بايد كاهش يابند2-رمزنگاري اين نمايش طوري كه افزونگي هاي رمزنگاري حذف شوند اين مراحل متناظر با مراحل نگاشت ورمزنگاري نماد در مدل رمزگذاري منبع هستند.

رمزنگاري طول متغير

ساده ترين روش فشرده سازي بدون خطاي تصوير اين است كه فقط افزونگي رمزنگاري را كاهش دهيم معمولا“در رمزنگاري دودويي طبيعي سطوح خاكستري تصوير افزونگي رمزنگاري وجود دارد مي توان با رمزنگاري سطوح خاكستري طوري كه معادله حداقل شود افزونگي هاي رمزنگاري راحذف نمود انجام اين كار نيازمند استفاده از يك رمزطول متغير كه كوتاه ترين كلمات رمزممكن رابه متحمل ترين سطوح خاكستري نسبت دهد مي باشد دراينجا چند روش بهينه و نزديك بهينه براي ايجاد چنين رمزي را بررسي مي كنيم روابط اين روش هابه زبان نظريه اطلاعات نوشته مي شوند.نمادهاي منبع در عمل ممكن است خود سطوح خاكستري تصوير يا خروجي يك نگاشت سطح خاكستري (مثلا“تفاضل پيكسل ها ؛طول دنباله هاي ثابت و غيره)

رمزنگاري هافمن

متداول ترين روش براي حذف افزونگي رمزنگاري هافمن است(Huffman[1951])هنگام رمزنگاري تك به تك نمادهاي يك منبع اطلاعات رمزنگاري هافمن كوچكترين تعداد ممكن نماد رمز برنماد منبع را نتيجه مي دهد ازنظر قضيه رمزنگاري بدون نويز رمز حاصل براي يك مقدار ثابت nبااين قيد كه نمادهاي منبع تك به تك رمز شوند بهينه است.

رمزگذاري حسابي

برخلاف رمزهاي طول متغيرمشروح درفوق رمزنگاري حسابي رمزهاي غيربلوكي توليد مي كند.در رمزنگاري حسابي كه مي توان سرمنشاءآن را تاكارEliasردگيري كرد(Abram son[1963]را ببيند)تناظر يك به يك بين نمادهاي منبع و كلمات رمز وجود ندارد .درعوض به يك دنباله كامل از نمادهاي منبع (ياپيام)تنها يك كلمه رمز حسابي منتسب مي شود.خودكلمه رمز بازه اي از اعداد حقيقي بين 1,0را تعريف مي كند.وقتي تعداد نمادها در پيام افزايش مي يابد بازه مورد استفاده براي نمايش آن كوچكتر مي شود وتعداد واحدهاي اطلاعات (مثلا”بيت هاي)مورد نياز براي نمايش بازه بيشتر مي شود.

هرنماد پيام اندازه بازه را طبق احتمال وقوعش كاهش مي دهد.چون اين روش برخلاف روش هافمن نياز ندارد كه هرنماد منبع به يك تعداد صحيح ازنمادهاي رمز ترجمه شود(يعني اين كه نمادها تك تك رمزشوند)لذا به كران تعيين شده بوسيله قضيه رمزنگاري بدون نويزدست مي يابد(البته فقط درجنبه نظري)فرآيند پايه رمزنگاري حسابي رانشان مي دهد دراينجا دنباله يا پيام5 نمادي a a a a a ازيك منبع چهارنمادي رمزمي شود.درشروع فرآيندرمزنگاري فرض مي شودكه پيام تمام بازه (0,1)را اشغال نمايد.همان طور كه جدول يك نشان مي دهد درابتدا اين بازه براساس احتمالات نمادهاي منبع به چهارناحيه تقسيم مي شودمثلا“نمادaبه زيربازه (0,0.2)مربوط مي باشد.چونaاولين نماد پيام است كه رمز مي شود؛بازه پيام در ابتدا به زيربازه (0,0.2) كوچك مي شود.بنابراين زيربازه (0,0.2)به اندازه ارتقاع كامل نمودار ؛انبساط مي يابد ونقاط پاياني ارتفاع نمودار با مقادير پاياني اين زيربازه برچسب زده مي شوند.آنگاه اين زيربازه طبق احتمالات نمادهاي منبع اوليه تقسيم مي شود و فرآيند با نماد پيام بعدي ادامه مي يابد.در اين روش نماد a  زيربازه را به (0.04,0.08)كوچك مي كند a آن را به بازه (0.056,0.072)كوچكتر مي كند و همين طور تا آخر.نماد پيام آخري كه بايد به عنوان شاخص ويژه پايان پيام ذخيره شود محدوده را به بازه (0.06752,0.0688)كوچك مي كند.البته از هرعدد درون اين زيربازه مثلا“0.068 مي توان براي نمايش پيام استفاده كرد.

در پيام رمز حسابي شده شكل 4سه رقم دهدهي براي نمايش پيام پنج نمادي استفاده مي شود كه معادل 3/5 يا 0.6رقم دهدهي بر نماد منبع است و به خوبي با آنتروپي منبع كه طبق معادله ي(6 .3-3)برابر 0.58رقم دهدي يا واحد دهگاني برنماد مي باشد قابل مقايسه است .وقتي طول رشته اي كه بايد رمزشود افزايش مي يابد.رمزحسابي حاصل به كران تعيين شده بوسيله قضيه رمزنگاري بدون نويز نزديك مي شود.درعمل دوعامل باعث مي شوند كه كارآيي رمزنگاري نتواند به آن كران برسد1-افزودن شاخص پايان پيام كه براي جداسازي يك پيام از ديگري لازم است2-استفاده از محاسبات با دقت محدود.در پياده سازيهاي عملي رمزنگاري حسابي با كاربرد روشهاي مقياس كردن وگرد كردن(Langdon Rissanen[1981])عامل دوم اجرا مي شود.عمل مقياس كردن قبل از تقسيم هر زيربازه طبق احتمالات نماد آن را به زيربازه (0,1)تراز مي كند عمل گرد كردن تضمين كردنهاي مربوط به محاسبات با دقت محدود مانع نمايش دقيق زيربازه هاي رمزنگاري نمي شود

رمز نگاري بيت-صفحه اي

پس از بررسي روشهاي اصلي حذف افزونگي رمزنگاري اكنون يكي از چند روش فشرده سازي بدون خطا را كه افزونگي هاي بين پيكسلي تصوير را نيز حذف مي كندبررسي مي نماييم اين روش كه رمزنگاري بيت-صفحه اي خوانده مي شود.براساس تجزيه يك تصوير چند سطحي (تكرنگ يارنگي )به مجموعه اي از تصاوير دودويي و سپس فشرده سازي هريك ازتصاوير دودويي با يكي از چند روش فشرده سازي دودويي مي باشد.دراين بخش متداولترين روشهاي تجزيه را شرح مي دهيم و مروري نيز بر تعدادي از روشهاي فشرده سازي متداول خواهيم داشت.

رمزنگاري ناحيه ثابت

يك روش ساده اما مؤثربراي فشرده سازي تصوير دودويي يا بيت-صفحه استفاده ار كلمات رمزمخصوص براي شناساندن نواحي بزرگ يك ها يا صفرهاي پيوسته مي باشد.درچنين روشي كه رمزنگاري ناحيه ثابت خوانده مي شودتصويربه بلوك هايي با ابعادn×m پيكسل تقسيم مي شودكه اين بلوك ها به عنوان تمام سفيد ؛تمام سياه يا مختلط گروه بندي مي شوند.آنگاه به متحمل ترين يا مكررترين گروه كلمه رمز يك بيتي 0 وبه دوگروه ديگر رمزهاي دوبيتي11,10منتسب مي شود.با اين روش تصوير فشرده مي شود؛زيرا mn بيت كه معمولا“براي نمايش يك ناحيه ثابت استفاده مي گردند؛با يك كلمه رمزدوبيتي يا يك بيتي جايگزين مي شوند.البته رمزمنتسب شده به گروه باشدت مختلط به عنوان يك پيشونداستفاده مي شود؛كه به دنبال آن الگوي m بيتي بلوك قرار مي گيرد.

هنگام فشرده سازي اسناد متني غالبا“سفيد يك روش ساده تر اين است كه نواحي تمام سفيد را با 0 و تمام بلوك هاي ديگر(ازجمله بلوكهاي تمام سياه)را با1 كه به دنبال آن الگوي بيتي بلوك قرار مي گيرد رمز كنيم .اين روش پرش از بلوك سفيد (WBS)خوانده مي شود.چون تعداد كمي نواحي تمام سياه مورد انتظارهستند؛اين نواحي نيز درگروه نواحي باشدت مختلط قرار مي گيرند؛درنتيجه اين كار ؛استفاده ازكلمه رمزيك بيتي براي نواحي سفيد بسيار متحمل ممكن مي شود.يك بهبود دراين روال(با بلوك هاي n ×1)رمزگذاري خطوط تمام سفيد با 0 ورمزگذاري ساير خطوط با 1 كه به دنبال آن دنباله رمز WBSمعمولي آن خط قرار دارد مي باشد.بهبود ديگر به كارگيري  يك روش تكراري است كه تصوير دودويي يابيت-صفحه را به زير بلوك هاي متواليا“كوچكتر و كوچكترتجزيه كند.در بلوك هاي دوبعدي ؛هر بلوك تمام سفيد با0 رمز مي شود و سايربلوك ها به زير بلوك هايي تقسيم مي شوندكه پيشوند1 به آنهامنتسب گرديده و به روش مشابهي رمز مي شوند.يعني اگريك زيربلوك تمام سفيد باشد؛پيشوند 1 به رمزآن داده مي شودكه دلالت براين دارد كه اين زيربلوك حاصل اولين تقسيم بلوك مي باشد و به دنبال آن 0 قرار مي گيردكه نشانه تمام سفيد بودن آن مي باشد اگر زير بلوك تمام سفيد نباشد؛فرآيند تجزيه آنقدر تكرارمي شود تابه زيربلوك هايي با ابعاد نسبتا“كوچك (ازپيش گزيده)برسيم ودر اين مرحله هر زيربلوك اگر تمام سفيد باشدبا 0 وگرنه 1همراه با الگوي بيتي بلوك رمز مي شود.

استانداردهاي فشرده سازي تصوير

بسياري از روش هاي فشرده سازي بدون خطا و با اتلاف كه تاكنون توصيف شدند نقش مهمي در توسعه و پذيرش استانداردهاي اصلي فعلي براي فشرده سازي تصوير بازي كرده اند دراين بخش اين استانداردهارا كه در بيشتر موارد باهمكاري مشترك سازمان استاندارد جهاني(ISO)و كميته مشورتي تلفن و تلگراف جهاني(CCITT)وضع شده اند بررسي مي كنيم .اين استانداردها به فشرده سازي تصوير پيوسته (تك رنگي ورنگي)همچنين تصاوير تك قاب يادنباله  قاب(متحرك)مي پردازند.

فشرده سازي يك بعدي

در روش فشرده سازي يك بعدي گروه3 CCITT هرخط تصوير به صورت دنباله اي از كلمات رمزبا طول متغير كه اين كلمات رمز بيانگر طول دنباله هاي سفيد و سياه در پيمايش چپ وراست آن خط هستند رمزمي شود.خود كلمات رمز؛دونوع هستند.اگرطول دنباله كمتر از63باشد بايك رمزپايان دهنده از رمزهافمن تغيير يافته جدول 2رمز مي شود.اگر طول دنباله بزرگتر از63باشد؛بزرگترين رمزتركيبي ممكن (كه ازطول دنباله تجاوز نمي كند)ازجدول3همراه با يك رمزپايان دهنده كه بيانگر تفاضل بين رمزتركيبي و طول دنباله واقعي است استفاده مي شود.دراين استانداردلازم است كه هرخط با يك كلمه رمزRLسفيد كه ممكن است 00110101 يعني رمزدنباله سفيد به طول صفرباشد شروع شود.نهايتا“يك كلمه رمزپايان خط) EOL)000000000001 براي پايان دادن هرخط ونيز اعلام اولين خط هر تصوير جديد استفاده مي شود.انتهاي يك دنباله از تصاوير باشش EOL متوالي نشان داده مي شود.

فشرده سازي دوبعدي

روش فشرده سازي دوبعدي اتخاذ شده براي هردو استاندارد گروه3و4CCITTيك روش خط به خط است كه درآن محل هرگذر از دنباله سياه به سفيد يا برعكس برحسب موقعيت عنصر مرجع aكه روي خط درحال رمزنگاري قراردارد رمز مي شود خط قبلا“رمز شده خط مرجع خوانده مي شود خط مرجع براي اولين خط هر تصوير جديد يك خط سفيد فرضي است.

فشرده سازي تصاوير تكرنگ و رنگي دنباله اي

تنها استاندارد رسمي براي فشرده سازي و افشرده سازي تصاوير دنباله اي استاندارد H.261(كه باعنوان64×Pنيز اشاره مي شود) دواستاندارد ديگر كه MPEGIوMPEG IIخوانده مي شوند بوسيله گروه متخصصان تصوير متحرك CCITTوISOدرحال تهيه هستند.

استاتدارد H.261براي كاربردهاي گردهمايي راه دور تصويري مي باشد كه دراين كاربردها بايد تصوير كاملا“متحرك روي خطوط TIبا تاخيرهاي انتقال كمتر از 150ميلي ثانيه ارسال شود( تاخيرهايي كه متجاوزاز150ميلي ثانيه  باشنداحساس مشاهده مستقيم را براي بينندگان فراهم نمي آورند)برعكس استاندارد MPEGIپيشنهاد شده يك استاندارد فشرده سازي ويديو با كيفيت تفريحي براي ذخيره سازي و بازيابي تصاوير فشرده روي رسانه هاي رقمي نظير CD-ROMهاي امروزي درحدودنرج خطوط انتقال TIهستنداستاندارد MPEGIنرخهاي بيت و كيفيت رمزگذاري بالاتر رانيز پوشش مي دهد درهرحال اين استاندارد روال رمزنگاري خاصي رامشخص نمي كند بلكه فقط يك رشته بيت رمز شده استاندارد و رمزبردار متناظر آن راتعريف مي كند استاندارد MPEG II ازنرخهاي انتقال ويديويي بين 5تا10مگابيت بر ثانيه كه براي پخش تلويزيون كابلي و پخش وسيع ماهواره اي باند باريك مناسب هستند پشتيباني مي كند.

هردواستاندارد MPEGو H.261روش فشرده سازي مبتني بر DCTتوصيف شده دربخش قبلي را توسعه مي دهند تا بدين وسيله كاهش افزونگي هاي بين قابي را نيز شامل شود.اين استانداردها ابتدا يك قاب شروع يا مرجع را با استفاده از يك روش شبه JPEGكه مبتني بر DCTباشد فشرده مي سازند سپس قاب فشرده شده را وافشرده مي كنند تا قاب اوليه بازسازي شود حركت اشيا بين قاب بازسازي شده و قاب بعدي را تخمين زده و براساس مقدار حركت تصميم مي گيرند كه آيا قاب بعدي رامستقلا“يا بااستفاده از قاب قبلا“رمز شده فشرده نمايند.مرحله تخمين حركت توعا“شامل لغزاندن هر زير تصوير بازسازي شده حول زير تصويرهاي مجاورش در قاب بعدي و محاسبه يك معيار همبستگي (نظيرجمع مربعات تفاضلهاي پيكسل به پيكسل)مي باشد درواقع اغلب اين فرآيند با استفاده از نموهاي جزءپيكسلي (نظير لغزاندن زير تصوير به اندازه 1/4پيكسل درهربار)انجام مي شود كه اين عمل درو نيابي مقاديرنقاط بين پيكسل هاقبل ار محاسبه معيار همبستگي را الزامي مي كندازنظرمحاسباتي ممكن است اين فرآيند پرهزينه باشد.چون استاندارد MPEGبراي كاربردهايي است كه درآنها ممكن است تغييرات سريع بسياري در صحنه رخ دهد.دراين استانداردلازم است هر پانزده قاب يكي بدون رجوع به قاب قبلش يك رمزي شبه JPEGشود.اين ويژگي براي ويرايش ويديو نيز مفيد است.تفاوت اصلي بين MPEGو H.261در روش تخمين حركت مي باشد.دراستاندارد H.261 بايد هرقاب باقاب قبلش مقايسه شود اما استاندارد MPEG پيشنهاد شده تعداد قابهاي قبلي را كه مي توان درفرآيند تخمين حركت ازآنها استفاده نمود تعريف نمي كنند./

پردازش تصوير رنگي

استفاده از رنگ درپردازش تصوير دوانگيزه اصلي دارد:اولا“درتحليل تصوير خودكار؛رنگ توصيف گر توانايي است كه دراغلب موارد شناسايي واستخراج شيئ از صحنه را ساده مي سازد ثانيا“درمواردي كه تحليل تصوير بوسيله انسان انجام مي شود؛چشم انسان قادر است هزاران سايه و شدت رنگي را درمقايسه با حدود 24سايه خاكستري تشخيص دهد.

پردازش تصوير رنگي به دوحوزه اصلي تقسيم مي شود:پردازش تمام رنگي و پردازش شبه رنگي درگروه اول تصاويرمورد نظر معمولا“با يك حسگر تمام رنگي نظير دوربين تلويزيون رنگي باپيمايش گر رنگي برداشته مي شوند درگروه دوم به هر شدت تكرنگ خاص يامحدوده اي از شدت ها يك سايه رنگي منتسب مي شود تقريبا“تا همين اواخر بيشتر پردازش تصوير رنگي به صورت شبه رنگي انجام مي شد. پيشرفت قابل توجهي كه دردهه 1980انجام شد باعث گرديد حسگرهاي رنگي وسخت افزار لازم براي پردازش تصوير رنگي با قيمت هاي قابل قبولي در دسترس قرارگيرنددرنتيجه اين پيشرفت ها استفاده از روش هاي پردازش تصوير تمام رنگي درمحدوده وسيعي از كاربردها درحال افزايش است.

مباني رنگ

گرچه فرآيند ادراك رنگ درمغز انسان پديده اي رواني-جسمي است كه تاكنون به طور كامل شناخته نشده است ؛اما ماهيت فيزيكي رنگ را مي توان  براساس مجموعه اي از نتايج آزمايشي ونظري بيان كرد.

درسال 1666ميلادي اسحاق نيوتن كشف كرد كه وقتي نورخورشيد ازميان منشور شيشه اي عبور مي كند خروجي آن نورسفيد نيست؛بلكه شامل طيف پيوسته اي ازرنگها در محدوده بنفش تا قرمز مي باشد.همانطور كه پليت I نشان مي دهد طيف رنگي رامي توان به 6ناحيه وسيع تقسيم كرد:

بنفش؛آبي؛سبز؛زرد؛نارنجي وقرمز.هيچ رنگي در طيف يكباره قطع نمي شود؛بلكه هررنگ به آرامي با رنگ بعدي مخلوط مي گردد(پليتII)

به طوركلي رنگ هايي كه انسان ازشيي دريافت مي كندبوسيله ماهيت نور منعكس شده ازآن شيي معين مي شودهمان طوركه درپليتII ديده مي شود؛نورمرئي نوار نسبتا“باريكي درطيف انرژي براي ناظرسفيد ظاهر مي شوداماجسمي كه تنها درمحدوده كوچكي از طيف مرئي به خود انعكاس داشته باشد براي ناظررنگي به نظر مي رسد مثلا“اشياي سبز طول موجهاي نوري درمحدوده ي 500تا 570نانومتر (10 m)رامنعكس مي كنند درحالي كه بيشتر انرژي موجود درساير طول موجها راجذب مي كنند.

توصيف نور ؛اساس علم رنگ است.اگر نورغيررنگي (بدون رنگ) باشد؛تنها مشخصه آن شدت يا مقدارش مي باشد.نور غيررنگي همانند نوري است كه بينندگان روي تلويزيون سياه و سفيد مي بينند و تاكنون نيز به طور ضمني موضوع بحث ما درباره پردازش تصوير بوده است .بنابراين اصطلاح سطح خاكستري به اندازه عددي شدت كه درمحدوده ي سياه تاخاكستري هاو درنهايت تاسفيد تغيير مي كند اشاره دارد.

نور رنگي طيف انرژي الكترو مغناطيسي تقريبا“از400تا700نانومتررامي پوشاند.سه كميت اصلي براي توصيف كيفيت منبع نور رنگي استفاده مي شوند.تشعشع ؛لومينانس وروشني .تشعشع مقدار كل انرژي است كه ازمنبع نور صادرگرديده و اغلب با وات(W)سنجيده مي شود.لومينانس كه برحسب لومن (Im)اندازه گرفته مي شود مقدار انرژي است كه ناظراز منبع نور دريافت مي كندمثلا“نوري كه از منبعي درناحيه انتهايي مادون قرمز طيف صادر مي شود؛ممكن است انرژي (تشعشع)قابل ملاحظه اي داشته باشد اما ناظر به سختي آن را احساس مي كند؛بنابراين لومينانس آن تقريبا“صفر است.درنهايت روشني توصيف گري ذهني است كه اندازه گيري آن عملا“غير ممكن است روشني بخش غير رنگي شدت را مجسم مي كند ويكي از عوامل مهم درتوصيف احساس رنگ است.

بدليل ساختمان چشم انسان تمام رنگ هابه صورت تركيبات مختلف سه رنگ اوليه قرمز(R) ؛سبز(G)وآبي(B)ديده مي شوند.آبي=nm 8/435توجه كنيد كه طبق پليت II هيچ رنگي را به تنهايي نمي توان قرمز؛سبزيا آبي ناميد.بنابراين داشتن سه طول موج رنگي مشخص و استاندارد بدين معنا نيست كه سه مؤلفه ثابتRGB به تنهايي مي توانند تمام رنگ هاي طيف را توليد نمايند.اين موضوع نكته مهمي است زيرا دربسياري موارد به هنگام استفاده از كلمه اوليه؛اين گمان رفته است كه اگر سه رنگ اوليه استاندارد درنسبت هاي مختلف باهم مخلوط شوند؛مي توانند تمام رنگ هاي مرئي را توليد نمايند.اين تعبير درست نيست مگر اين كه طول موج هم امكان تغيير داشته باشد.

تفكيك بين رنگ هاي اوليه نوري و رنگ هاي اوليه مادي ياكلرانت ها مهم است .درمورد اخيررنگ اوليه به عنوان رنگي تعريف مي شودكه رنگ اوليه نوري را جذب يا تفريق مي كندودورنگ ديگر را انعكاس يا عبور مي دهد.بنابراين رنگ هاي اوليه مادي بنفش؛آبي فيروزه اي و زرد  بوده و رنگ هاي ثانويه مادي قرمز ؛سبز؛وآبي هستند.اين رنگ ها درپليت III (ب)ديده مي شوند.تركيب مناسب سه رنگ اوليه مادي؛يايك ثانويه با اوليه متضادش ؛رنگ سياه توليد مي كند.

تصوير تلويزيون رنگي مثال مناسبي از تركيب جمعي رنگ هاي نوري است.بسياري از لامپ هاي تلويزيون رنگي ازآرايه بزرگي از الگوهاي نقطه اي مثلثي ازجنس فسفرحساس به الكترون تشكيل شده اند.هرنقطه درمثلث اگرتحريك شوديكي از رنگ هاي اوليه را توليد مي نمايد.شدت نورنقاط فسفري مولد نور قرمز بوسيله تفنگ الكتروني داخل لامپ مادوله مي شود.اين تفنگ تكانه هايي متناظربا توان نور قرمزكه توسط دوربين تلويزيوني احساس مي شود؛توليد مي كند.نقاط فسفر سبزوآبي درهر تريادنيزبه همين روش مادوله مي شودند.تصويري كه روي گيرنده تلويزيون ديده مي شود ؛حاصل فرآيندمخلوط شدن سه رنگ اوليه توليد شده با هرمثلث فسفري ؛دريافت نورحاصل بوسيله مخروط هاي حساس به رنگ درچشم ؛ودرنهايت درك تصويرتمام رنگي مي باشد.مشاهده 30تصوير متوالي در هر ثانيه درسه رنگ ؛تصوير پيوستگي نمايش تصوير روي صفحه را كامل مي كند.

مشخصاتي كه براي تشخيص يك رنگ از ساير رنگ هابيشتر استفاده مي شوند؛روشني؛اصل رنگ و اشباع هستند همانطور كه قبلا“بيان شد روشني بخش رنگي شدت رامجسم مي كند.اصل رنگ صفت مرتبط با طول موج غالب درتركيب امواج نوري است.بنابراين اصل رنگ بيانگر رنگ غالب كه بيننده دريافت مي كند است؛وقتي شئي را قرمز؛نارنجي يا زرد مي خوانيم ؛درواقع اصل رنگ آن را مشخص مي كنيم .اشباع به خلوص نسبي يا مقدارنورسفيد مخلوط با اصل رنگ مربوط است .رنگ هاي طيفي خالص كاملا“اشباع شده هستند.رنگ هايي نظير صورتي(قرمزبه اضافه سفيد)و بنفش كمرنگ (بنفش به اضافه سفيد)كم اشباع تر هستند.درجه اشباع با مقدار نور سفيد اضافه شده تناسب معكوس دارد.

اصل رنگ و اشباع روي هم ؛رنگينگي ناميده مي شوند بنابراين هررنگ را مي توان با روشني و رنگينگي آن توصيف كرد.مقادير قرمز؛سبزوآبي مورد نيازبراي تشكيل يك رنگ خاص ؛مقاديرمحركه سه گانه ناميده شده و به ترتيب با Z,Y,X  نشان داده مي شوند.

مدلهاي رنگ

هدف از انتخاب مدل رنگ ؛تسهيل مشخص سازي رنگ ها دريك استاندارد است كه معمولا“روش مورد قبولي مي باشد.دراصل ؛مدل رنگ ؛تعيين يك سامانه مختصات سه بعدي و زير فضايي درون آن سامانه است كه درآن سامانه هر رنگ تنها با يك نقطه بيان مي شود.

بيشتر مدل هاي رنگ كه اكنون استفاده مي شوند؛به سمت سخت افزار(مانند نمايشگر ها و چاپگرهاي رنگي)يا كاربردهايي گرايش دارند كه هدف آنهاكار با رنگ ها مي باشد(نظير توليد گرافيك هاي رنگي براي پويانمايي)عمومي ترين مدلهاي سخت افزار گرا عبارتند از:مدلRGB(قرمز؛سبز؛آبي)براي نمايشگر هاي رنگي و يك گروه وسيع از دوربين هاي ويديويي ؛مدل CMY (آبي فيروزه اي ؛بنفش؛زرد)براي چاپگرهاي رنگي ؛ومدلYIQ كه يك استاندارد پخش تلويزيون رنگي است.

مدل HSI (اصل رنگ؛اشباع؛شدت)ومدل HSV (اصل رنگ ؛اشباع؛مقدار)از مدلهايي هستندكه براي پردازش تصوير استفاده مي شوند. مدل هاي رنگي HIS,YIQ,RGB متداول ترين مدل هايي هستند كه براي پردازش تصوير استفاده مي شوند.گرچه مدل CMY؛به جاي استفاده درپردازش تصوير واقعي ؛درچاپ استفاده مي شود؛به دليل آن در بدست آوردن خروجي هاي چاپي دراينجا نيز بررسي مي گردد.

مدل رنگRGB

درمدل RGBهررنگ به صورت مولفه هاي طيفي اوليه قرمز؛سبزوآبي ظاهر مي شود.اين مدل براساس سامانه مختصات كارتزين است زيرفضاي رنگي مورد علاقه ؛مكعب شكل مورد نظر مي باشد كه درآن مقادير RGBدرسه گوشه ؛آبي فيروزه اي؛بنفش و زرد درسه گوشه ديگر؛سياه درمبداء وسفيد در دورترين گوشه از مبداءقرار دارد .در اين مدل محدوده ي خاكستري از سياه تا سفيد در طول خط و اصل اين دونقطه قرار دارد و ساير رنگ ها نيز نقاطي روي يا درون مكعب هستند كه با بردارهايي كه ازمبداء مي گذرند تعريف مي شوند.هرتصوير درمدل رنگ RGB سه صفحه تصوير مستقل ؛هر صفحه براي يك رنگ اوليه دارد وقتي اين سه صفحه به نمايشگر RGBداده شوند؛روي صفحه فسفري تركيب مي شوندتا يك تصوير رنگي را توليد نمايند.بنابراين وقتي خود تصاويربه طورطبيعي برحسب سه صفحه رنگي بيان شوند؛استفاده از مدل RGBجهت پردازش تصويرمعنا پيدا مي كند.همچنين اغلب دوربين هاي رنگي كه براي تصوير برداري رقمي به كار مي روند؛از قالب RGBاستفاده مي كنندكه اين موضوع خود به تنهايي مدل RGBرا مدل مهمي درمبحث پردازش تصوير مي سازد.يكي از بهترين مثالهاي كاربردمدل RGBپردازش داده هاي تصويري چند طيفي هوايي يا ماهواره اي است

تصاوير بوسيله حسگرهاي تصويربرداري كه درمحدوده هاي طيفي مختلف كارميكنند؛گرفته مي شوند.براي نمونه؛هرقاب خروجي تصوير بردارLANDSAT داراي چهارتصوير رقمي است .همه تصويرهاازيك صحنه هستند كه درمحدوده يا پنجره طيفي متفاوتي گرفته مي شوند.

دوپنجره از چهارپنجره ديگر دربخش مادون قرمز طيف هستند.بنابراين هر صفحه تصوير معناي فيزيكي دارد و تركيبات رنگي كه بااستفاده ازمدلRGB براي پردازش و نمايش بدست مي آيند؛معمولا“وقتي معناپيدا مي كنند كه روي يك صفحه رنگي ديده شوند يا مانند فصل 7هنگام بخش بندي تصوير رنگي براساس مولفه هاي طيفي آن معنا دارند.

مدل رنگ CMY

همان طور كه قبلا“بيان شد فيروزه اي ؛بنفش وزرد رنگ هاي ثانويه نوري يا رنگهاي اوليه مادي هستند.براي مثال؛وقتي بر سطح پوشيده ازماده رنگي فيروزه اي ؛نورسفيدتابيده شود؛هيچ نور قرمزي ازآن منعكس نمي شود.يعني فيروزه اي نور قرمز را ازنور سفيد تفريق مي كند.بيشتر وسايلي كه مواد رنگي را بر روي كاغذ مي نشانند؛نظير چاپگرها وكپي بردارهاي رنگي به داده هاي CMY نياز دارند؛يا اين كه درداخل خود داده هاي RGBرا به CMYتبديل مي كنند.اين تبديل با استفاده از عمل ساده انجام مي شود.دوباره فرض بر اين است كه تمام مقادير رنگي به محدوده ي [0,1] تراز شده اندمعادله فوق بيان مي كند كه نورمنعكس شده از سطح پوشيده با ماده فيروزه اي خالص حاوي نور قرمزنيست به طور مشابه ؛بنفش خالص؛سبزرا و زرد خالص؛آبي رامنعكس نمي كند.همچنين معادله فوق بيان مي كندكه مي توان با تفريق تك تك  مقادير CMYاز 1مقاديرRGB را بدست آورد.همان طوركه قبلا“بيان شد؛درپردازش تصويراين مدل در ارتباط با توليد خروجي چاپي استفاده مي شود؛بنابراين عموما“تبديل معكوس از CMYبه RGBكاربردي ندارد.

مدل رنگ YIQ

مدل YIQدرپخش عمومي تلويزيون رنگي تجارتي استفاده مي شود.درواقع YIQتغييرشكلRGB به منظور افزايش بازده انتقال و حفظ سازگاري با استانداردهاي تلويزيون تكرنگ مي باشد.درواقع مولفه Y

درسامانه YIQتمام اطلاعات ويديويي مورد نياز تلويزيون تكرنگ را دارد.مدل YIQبراي بهره گيري از حساسيت بيشتر سامانه بينايي انسان به تغييرات لومينانس نسبت به تغييرات اصل رنگ يا اشباع طراحي گرديد.بنابراين استاندارد YIQبه عرض باند(يا در حالت رقمي؛بيت هاي)بيشتري براي نمايش Yو عرض باند(يا بيت هاي)كمتري براي نمايشQ,I نياز دارد.

علاوه بر اين كه مدل YIQاستاندارد پركاربردي است مزيت اصلي آن درپردازش تصوير ناشي از اين خاصيت است كه اطلاعات لومينايس(Y)و اطلاعات رنگي (Q,I)ناهمبسته هستند.توجه داريد كه لومينانس متناسب با مقدار نور دريافتي چشم است بنابراين اهميت اين ناهمبستگي دراين است كه مولفه لومينانس تصوير رامي توان بدون اثرگذاري برمحتواي رنگ پردازش كرد.براي نمونه؛برخلاف مشكل مدلRGB كه قبلا“ذكر شد؛مي توان تصويررنگي با قالب YIQرا بسادگي با كاربردتعديل بافت نگاربر مولفه Y آن تعديل هيستو گرام نمود.با اين فرآيندرنگ هاي نسبي تصوير متاثر نمي شوند.

مدل رنگ HIS

اصل رنگ صفتي از رنگ است كه رنگ خالص را توصيف مي كند(زرد؛نارنجي يا قرمز خالص)درحالي كه اشباع ميزاني كه يك رنگ خالص با نور سفيد ترقيق شده است را مي دهدسودمندي مدل رنگ HSIمديون دوعامل اصلي است.اولا“مولفه شدت I از اطلاعات رنگ تصويرمجزا است .ثانيا“؛مولفه هاي اصل رنگ و اشباع رابطه نزديكي با روش دريافت رنگ توسط انسان دارند.

كاربرد مدل HIS محدوده اي از طراحي سامانه تصويربرداري براي تعيين خودكار رسيده بودن ميوه هاو سبزيها گرفته تا سامانه هايي براي تطبيق نمونه هاي رنگ يا بازرسي نهايي كيفيت محصولات رنگي را شامل مي شود.دراين كاربردهاو مشابه آنها مهم اين است كه كارسامانه براساس آن دسته اي ازخواص رنگي كه سامانه بينايي انسان براي انجام كارمورد نظر ازآنها استفاده مي كند طراحي شود.

روابط تبديل براي رفتن از فضاي RGBبهHSI و برعكس به طور قابل ملاحضه اي پيچيده ترازتبديل مدل هاي قبلي هستند.

پردازش تصوير تمام رنگي

مبحث پردازش تصويررنگي را بامقداري شرح نقش روش هاي تمام رنگي براي ارتقاي تصوير پايان دهيم بويژه؛به دلايلي كه بيان شد به مدل HSIعلاقمند هستيم؛كه آن دلايل عبارتند از1-دراين مدل اطلاعات شدت و رنگ ازهم مجزا شده اندو2-اصل رنگ و اشباع رابطه نزديكي با روش احساس رنگ در سامانه بينايي انسان دارند.

به دست آوردن مولفه هاي تصويري HSIاز تصويرRGB

به دليل اهميت مدل RGB درنمايش تصاويررنگي؛شرح پردازش تمام رنگي را بانمايش تفاوت هاو مشابهت هاي موجود بين تصاويري كه درمدلهاي RGBو HSIرانشان مي دهدكه دربالاي آن هشت نوار نازك ابتدا سياه؛سپس رنگهاي اوليه و ثانويه خالص(ترتيب نشان داد شده اهميت خاصي ندارد)ودرنهايت سفيد وجود دارد.پس ازاين نوار؛دونوارخاكستري از سياه به سفيدامادرجهات مخالف قرار دارند.سپس با تكرار الگوهاي رنگي؛تصويرمربعي مي شود.شكل موردنظرتركيب رنگ هاي قرمز؛سبزوآبي مورد استفاده براي توليد نواربا رنگ متغيردر پليتVIII(الف)رانشان مي دهد.توجه كنيدكه رنگ نواردرانتهاي چپ؛آبي خالص است؛درانتهاي راست؛قرمزخالص است ودرمركز نوار مجموع قرمز و آبي هركدام يك سهم و سبزدوسهم مي باشد.

وضعيت تصاويرمولفه اي HSIكمي متفاوت است.تصويرشدت روشنايي دقيقا“شبيه هريك از سه تصويرRGBكه اخيرا“تشريح شد مي باشد.هرپيكسل درتصوير اصل رنگ مقاديري برحسب درجه دارد.

پليت VIII(ب)تصوير مولفه اصل رنگ است كه از تصوير RGBپليت VIII(الف)به دست آمده است براي نواحي كه مولفه هاي تك رنگ تصوير RGBاشباع صفرداشته باشند؛اصل رنگ تعريف نمي شود؛به طور دلخواه اين نواحي پليت VIII(ب)با رنگ سياه نشان داده شده اند.چون مقاديراصل رنگ برحسب درجه هستند سطوح خاكستري پليتVIII(ب)بايد به عنوان زاويه تعبير شوندبنابراين رنگ هاي خاكستري روشن تردرپليت VIII(ب)متناظر با مقادير زوايه بزرگتر هستند.چون قرمزهاكوچكترين مقاديرزاويه را دارندقرمزهاي موجود درپليت VIII(ب)به صورت تاريكترين خاكستريها ظاهر مي شوند؛زرد به صورت رنگ خاكستري روشن تر بعدي ظاهر مي شودوبه همين ترتيب براي سبز ؛فيروزه اي؛آبي و بنفش.مي توان با مقايسه رنگ هاي پليت VIII(ب)به صورت تاريكترين خاكستريهاظاهر مي شوند؛زردبه صورت رنگ خاكستري روشن تر بعدي ظاهر مي شود؛به همين ترتيب براي سبز؛فيروزه اي؛آبي وبنفش.مي توان بامقايسه رنگ هاي پليت VIII(الف)با خاكستري هاي پليت VIII(ب)اين نتيجه را مشاهده كرد.بويژه به تغييرات خاكستري متناظر نوار با رنگ متغير توجه كنيد.

پليت VIII(ب)تصوير اشباع بدست آمده از تصويرRGB رانشان مي دهد.درتصوراشباع؛رنگ هاي اوليه و ثانويه خالص كاملا“ اشباع شده به صورت سفيد(حداكثر)ظاهر مي شوند.چون وقتي شدت صفرباشد؛اشباع تعريف نمي شود؛تمام مولفه هاي سياه تضويرRGB درپليت VIII(ب)بارنگ سفيد (بدلخواه)نشان داده مي شوند.همچنين توجه كنيدكه سفيدهاي موجود درپليت VIII(الف)درپليت VIII(ب)به صورت سياه ظاهر مي شوندزيرا سفيدمتناظربا اشباع صفر است.خاكستري هاي مربوط به نوار با رنگ متغيرهرچه به سمت دو انتهاي نوار پيش رويم؛روشن تر مي شوند؛كه نشان دهنده اشباع بيشتر درآن نواحي مي باشد.خاكستري هاي مربوط به بخش مركزي(سبز)نوار ؛تيره تر از بخش هاي انتهايي نوار هستندكه نشانه اشباع كمتر درناحيه سبز است اين شرايط با روش توليد بخش سبزغالب درالگوي آزمون سازگاري دارد.

درنهايت پليت VIII(ت)مولفه شدت تصويرHSI رانشان مي دهد.همان طور كه انتظار مي رفت؛نوارهاي مربوط به سياه ؛سفيد و خاكستري هابه صورت نوارهاي متناظرشان درتصويرRGB ظاهر مي شوند.مولفه هاي متناظربا رنگ هاي اوليه خالص همه مقدار يكساني دارند و بنابراين در پليت VIII(ت)به صورت خاكستري ثابت ظاهر مي شوند.رنگ هاي ثانويه خالص نيز مقادير شدت ثابتي دارند.امامقدار شدت آنها دوبرابر مقدار شدت مربوط به اوليه ها مي باشدو بنابراين به صورت خاكستري روشن تري ظاهر مي شوند.اين نتيجه نيزمورد انتظار بود ؛زيراهرنور رنگي ثانويه با جمع دو اوليه بدست مي آيد شدت هاي متناظر با نوار با رنگ متغير نيز همان طور كه انتظارمي رفت؛ازتيره به روشنو برعكس تغيير مي كنند.

ارتقا با استفاده ازمدلHSI

همان طور كه قبلا“بيان شد؛مدل HSIبراي ارتقاي تصوير ايده آل است؛زيرا درآن مولفه شدت نور از اطلاعات رنگ مجزا شده است بنابراين مي توان روش هاي ارتقاي تصوير تك رنگ را براي ارتقاي تصاويرتمام رنگي به كاربرد.اين عمل نيازمند تبديل تصوير به قالب HSIپردازش مولفه شدت و تبديل حاصل به RGBبراي نمايش مي باشد.اين فرآيندبرمحتواي رنگ تصوير تاثير نمي گذارد.

پليت IXاين عمل رانشان مي دهد. پليت IX(الف)يك تصوير رنگيRGBرا كه جزئيات زمينه اش تا حد زيادي مبهم شده اند نشان مي دهد.اين تصويربه HSIتبديل شدو تحت عمل تعديل بافت نگارقرارگرفت .آنگاه دوبارتصوير به RGBتبديل شد كه حاصل در پليت IX(ب)آمده است.بهبود درجزئيات مرئي آشكار است .چون تعديل بافت نگار تمايل زيادي به روشن تر كردن تصاوير دارد؛مولفه هاي رنگ به ميزاني متفاوت با تصوير اوليه ظاهر مي شوند.گرچه اصل رنگ و اشباع همان هستند.اما به دليل افزايش شدت؛رنگ هاروشن تر ظاهر مي شوند.كاربرد اين روش ارتقا برهرمولفه تصويرRGB ؛جزئيات مرئي و روشني را افزايش خواهد داد.امادرنتيجه تغييرات ايجاد شده درمقادير نسبي پيكسل هاي متناظردرسه مولفه تصويري RGBرنگ هاي حاصل داراي مولفه هاي اصل رنگ نامفهومي خواهندبود./