مقدمة الوحدة
عزيزي الدارس، في هذه الوحدة "الصور ومعالجتها" نتناول التمثيل الرقمي للصورة في الحاسوب وكيفية تخزينها، والصور الملونة وكيفية تمثيلها رقمياً، وطرق إدخال الصورة وعرضها، وأهم ما أدخله الحاسوب إلى عالم الصورة: إمكانية معالجتها وتعديلها. فقد أصبح بإمكانك اليوم إنتاج صورة رقمية تظهر فيها أمام برج إيفل أو تاج محل، باستخدام طرق معالجة الصور المختلفة!
تختتم الوحدة بعرض لأحد ملفات تخزين الصورة الأكثر شيوعاً على أنظمة Windows، وهو ملف BMP، من حيث تركيبته وكيفية توزيع المعلومات داخله.
البيكسل والتمايز (Pixel & Resolution)
تُقسَّم الشاشة إلى مجموعة من النقاط الضوئية تسمى بيكسل (Pixel). يقوم الحاسوب بتخزين الصورة وعرضها اعتماداً على هذه البيكسلات، ويكون الطرف العلوي الأيسر من الصورة نقطة الانطلاق (0,0)، حيث يُرمَّز كل بيكسل حسب بُعده الأفقي (السيني) والعمودي (الصادي) عن هذه النقطة.
| المصطلح | التعريف |
|---|---|
| تمايز الصورة (Image Resolution) | عدد البيكسلات في الصورة (أفقياً × عمودياً). كلما زاد عدد البيكسلات زادت دقة الصورة. مثال: صورة 100×100 بيكسل تحتوي 10,000 بيكسل إجمالاً. |
| التمايز اللوني (Color Resolution) | عدد البتّات (bits) المستخدمة لتمثيل لون كل بيكسل. باستخدام n بت يمكن تمثيل 2ⁿ لوناً. فمثلاً 8 بت (Grayscale) تمثّل 256 درجة رمادية، و24 بت تمثّل أكثر من 16.7 مليون لون. |
القاعدة الأساسية لحساب حجم الصورة: حجم الصورة = تمايز الصورة × التمايز اللوني. مثال محلول: صورة 100×100 بيكسل بتدرج رمادي (8 بت لكل بيكسل) → حجمها = 10,000 × 8 بت = 80,000 بت = 10,000 بايت ≈ 9.8 كيلوبايت.
الفضاء اللوني (Color Space)
وضع العلماء عدة أنظمة لتمثيل اللون رقمياً، أشهرها المستمد من تمثيل الألوان في التلفاز والسينما:
مثال محلول: القيمة الثنائية لبيكسل بنظام RGB هي 11011001 00111011 00001111 — نقسّمها لثلاث مجموعات من 8 بت، ثم نحوّل كل مجموعة للنظام الست عشري: 11011001 = D9، 00111011 = 3B، 00001111 = 0F. فيكون التمثيل السادس عشري: #D93B0F.
إدخال الصور: الماسحات الضوئية والكاميرات الرقمية
تعود الماسحة الضوئية الرقمية الحديثة إلى عام 1972. تعمل الماسحة بتمرير ضوء على السطح الزجاجي، لينعكس على قطعة CCD (شبيهة بتلك المستخدمة في الكاميرات)، والتي تميّز الألوان الثلاثة الأساسية منتجةً ثلاث نسخ (حمراء، خضراء، زرقاء) يتم دمجها لاحقاً في الصورة النهائية.
تُقاس جودة الماسحة الضوئية بخاصيتين: تمايز المسح (يُقاس بوحدة DPI — نقطة لكل إنش، ويُكتب مثلاً 1600×3200 DPI)، والتمايز اللوني (بمقدار 24 أو 32 أو 48 بت). تدعم بعض الماسحات أيضاً "التمايز التوليدي" (Interpolated Resolution) عبر معالجة برمجية للحصول على تمايز أعلى من الملتقط ضوئياً فعلياً.
تعمل الكاميرات الرقمية بمبدأ مشابه: عدسة، فتحة لمرور الضوء (Aperture)، ومصراع (Shutter) يفتح لفترة محددة، وقطعة CCD تحوّل الإضاءة إلى شحنة كهربائية عبر ثلاثة فلاتر لونية (أحمر، أخضر، أزرق). تحتوي الكاميرا على معالج رقمي (DSP) يدير عمليات الالتقاط والضغط والتخزين والعرض.
مثال محلول: كاميرا رقمية سعتها التخزينية 30 ميغابايت، وتمايز صورها 100×100 بيكسل بفضاء RGB (24 بت): حجم الصورة الواحدة = 100×100×24 بت = 240,000 بت = 30,000 بايت ≈ 30 كيلوبايت. عدد الصور = 30,000 كيلوبايت ÷ 30 كيلوبايت ≈ 1000 صورة تقريباً.
شاشات العرض
عند إرسال الحاسوب معلومات الصورة إلى بطاقة الشاشة، يحوّلها محول DAC (Digital-to-Analog Converter) من المجال الرقمي إلى المجال التناظري، ليقوم أنبوب أشعة الكاثود CRT (Cathode Ray Tube) بإصدار حزم إلكترونية (لكل لون أساسي) تصطدم بنقاط فسفورية على الشاشة فتضيء، فتدمجها العين البشرية لتكوّن الصورة الملونة. يُطلق على عدد مرات إعادة رسم الشاشة في الثانية معدل التجديد (Refresh Rate) (عادة 60 مرة/ثانية).
حلّت تقنية LCD (Liquid Crystal Display) محل CRT في معظم الاستخدامات الحديثة؛ فهي أقل سماكة ولا تصدر إشعاعاً كهرومغناطيسياً، لكنها كانت تاريخياً أعلى تكلفة وأبطأ استجابة ودقة لونية من CRT.
معالجة الصور
بعد تخزين الصورة كسلسلة أرقام، يمكن تطبيق خوارزميات مدروسة عليها لإحداث تغييرات إيجابية كتحسين النوعية أو اقتباس أجزاء منها. أبرز طرق المعالجة:
الوسيط (Median): تُستبدل قيمة البيكسل بالوسيط الحسابي (القيمة الوسطى بعد الترتيب التصاعدي) للبيكسلات المحيطة. فعّالة جداً في إزالة شوائب "الملح والبهار" (نقاط صغيرة متناثرة) دون التأثير الكبير على التباين العام، لكنها أبطأ حسابياً.
طريقة جاوس (Gaussian): تعطي وزناً أكبر للبيكسلات الأقرب إلى المركز في المصفوفة (مثل نواة بمقام 16 مع أوزان 1-2-1 / 2-4-2 / 1-2-1)، فتحافظ على القيمة الأصلية بشكل أفضل من طريقة الوسط البسيط، مع التخلص من الشوائب غير المنتظمة.
التعديل اللوغاريتمي: يزيد الفروق بين البيكسلات الداكنة أكثر من الفاتحة، فيوضّح تفاصيل الأجسام الداكنة (كوجه في الظل) دون "حرق" الخلفية الفاتحة أصلاً — بعكس التعديل الخطي الذي يفتّح كل شيء بالتساوي.
أداة عملية مهمة لفهم أثر أي تعديل: التمثيل البياني (Histogram) — رسم يبيّن على المحور الأفقي القيم اللونية الممكنة (0-255) وعلى المحور الرأسي عدد البيكسلات التي تحمل كل قيمة. يوضح Histogram بصرياً كيف يزيح التعديل الخطي كل القيم بنفس المقدار نحو اليمين (الأبيض)، بينما يعيد التعديل اللوغاريتمي توزيع البيكسلات بشكل أكثر انتظاماً على كامل التدرج.
نموذج ملف BMP
ملف BMP (Bitmap) هو النوع الأساسي لملفات الصور على نظام Windows، صممته شركة مايكروسوفت، وينتهي عادة بامتداد .bmp أو .dib، وهي عادة غير مضغوطة (وإن أمكن ضغطها بالترميز الكلي/Run-Length Encoding). يتكوّن الملف من أربعة أقسام رئيسية:
| القسم | المحتوى |
|---|---|
| ترويسة الملف (File Header) — 14 بايت | معلومات عامة عن الملف، كنوعه وحجمه الكلي. |
| ترويسة المعلومات (Info Header) — 40 بايت | تفاصيل الصورة: تمايزها، تمايزها اللوني، نوع الضغط (0=غير مضغوط)، عدد الألوان المستخدمة. |
| جدول الألوان (Color Table) | يُستخدم فقط حين يقل التمايز اللوني عن 8 بت؛ يحدد قيم RGB لكل لون مُستخدَم في الصورة عبر مؤشر رقمي بدل تكرار القيمة كاملة في كل بيكسل. |
| معلومات البيكسلات (Pixel Data) | القيم اللونية الفعلية، ويُلاحَظ أنها تُخزَّن من الأسفل للأعلى، وكل سطر من اليسار إلى اليمين — بعكس الترتيب البصري المعتاد. |
الخلاصة
تعرضت هذه الوحدة لأساسيات الصورة الرقمية: البيكسل، التمايز، والتمايز اللوني، وأساسيات الألوان والفضاءات اللونية المختلفة (RGB، CMYK، HSI) والمقارنة بينها. كما عرضت لوسائط الإدخال (الماسحات الضوئية، الكاميرات الرقمية) والإخراج (شاشات CRT وLCD)، وقدّمت عرضاً مفصلاً لأساسيات معالجة الصورة (طرح الخلفية، التنقية، التعديل الخطي واللوغاريتمي، تحديد الحواف) مع أمثلة تطبيقية، واختُتمت بعرض تركيبة ملف BMP كنموذج عملي.
مسرد المصطلحات
اضغط على كل بطاقة لعرض تعريفها.
12 مصطلحاً أساسياً لهذه الوحدة.
اختبار الوحدة
يتكوّن الاختبار من 5 أسئلة صح/خطأ، و5 أسئلة اختيار من متعدد، و3 أسئلة إنشائية. تُصحَّح الأسئلة الموضوعية تلقائياً، بينما تعرض الأسئلة الإنشائية إجابة نموذجية لتقييم إجابتك بنفسك.