دانلود مقاله سیستم های تلویزیون

پردازش

در پردازش تصاویر رقمی معمولا“از شیوه های که به شکل الگوریتم بیان می شود استفاده می گرددبنابراین غیر از تصویربرداری و نمایش تصویر می توان اغلب عملیات پردازش تصویر را با نرم افزار  اجرا کرد تنها علت استفاده از سخت افزار ویژه پردازش تصویر نیاز به سرعت بالا دربعضی کاربردها و یا غلبه بر بعضی محدودیت های اساسی رایانه است.مثلا“یک کاربرد مهم از تصویربرداری رقمی ؛ریزبینی درنورکم است برای کاهش نویز تصویر باید چند متوسط گیری روی تصاویر متوالی با نرخ قالب(غالبا“30قاب در ثانیه)انجام شود.شاختار بزرگراه در غالب رایانه ها جز چند رایانه بسیار کارآمد نمی تواند به سرعت داده مورد نیازبرای اجرای این عمل دست یابد بنابراین  سامانه های پردازش تصویر امروزی ترکیبی از رایانه های متداول و سخت افزارهای ویژه پردازش تصویر است که کارهمه آنها به وسیله نرم افزار در حال اجرا روی رایانه اصلی هدایت می شود./

مدلهای متعدد سامانه های پردازش تصویر که در حدود نیمه دهه 80در سراسر دنیا به فروش رسید وسایل جانبی نسبتا“بزرگی بود که به رایانه های میزبان با همان بزرگی متصل می شد.درانتهای دهه 80و ابتدای دهه 90سخت افزارهای تجاری پردازش تصویر به شکل بردهای تکی که برای سازگاری با بزرگراه های استاندارد صنعتی و انطباق با کارگاه های کوچک مهندسی و رایانه های شخصی طراحی شده بود تغییر یافت .این تغییر علاوه برکاهش هزینه ها یکی از عوامل تاسیس شرکت های زیادی با تخصص تولید نرم افزار پردازش تصویر بود.

گرچه هنوز هم سامانه های پردازش تصویر بزرگ برای کاربردهای نظیر پردازش تصاویر ماهواره ای به فروش می رسندحرکت به سوی کوچک سازی وایجاد رایانه های کوچک همه منظوره که به سخت افزار پردازش تصویر مجهز است همچنان ادامه دارد.سخت افزار لصلی تصویربرداری که به این رایانه ها افزوده می شود ترکیبی از یک ((رقمی ساز و بافرقاب ))برای رقمی سازی و ذخیره موقت تصویر یک ((واحد محاسبه و منطق))(ALU)برای اجرای عملیات حسابی ومنطقی درنرخ قاب و یک یا چند((بافرقاب))برای دستیابی سریع به داده های تصویر در طول پردازش است.امروزه می توان نرم افزارهای پردازش تصویرفراهم می شود وسایل نمایش و نرم افزارهای کارآمد پردازش کلمه و تولید گزارش ارائه نتایج را تسهیل می کند اغلب نتایج به دست آمده با چنین سامانه هایی به بردهای پردازش تصویر سریع و خاصی که بابزرگراه مورد استفاده سازگارند انتقال می یابد.

یکی از مشخصه های علم پردازش تصویر عدم استفاده از یک راه حل برای کاربردهای متفاوت است بنابراین فنونی که دریک مورد خوب کار می کنند ممکن است در دیگری کاملا“ضعیف باشند تنها فایده وجود سخت افزار قوی ونرم افزارپایه درحال حاضر این است که نقطه شروع کار نسبت به یک دهه پیش  بسیار پیشرفته تر (وبازار صرفا“کسری از هزینه آن موقع)می باشد.به طورکلی هنوز هم پیدا کردن راه حل واقعی برای یک مساله خاص نیازمند تحقیق و توسعه فراوان است مباحثی که درفصول بعدی مطرح می شود فقط برای این نوع فعالیت ها ابزارهایی را ارائه می کند.

مخابرات

استفاده ازمخابرات در پردازش تصویر رقمی معمولا“درمورد ارسال داده های تصویری است و اغلب شامل مخابره محلی بین رسانه های پردازش تصویر ومخابره را دور از یک نقطه به نقطه دیگر می باشدبرای اغلب رایانه ها سخت افزار ونرم افزار مخابره محلی به آسانی در دسترس است بیشتر کتب راجع به شبکه های رایانه ای به روشنی توافق های مخابره استاندارد را توضیح می دهند.

اگرداده های تصویری فشرده نشده در فواصل طولانی مخابره شوند مشکل جدی تری ایجاد می شود تاکنون باید این موضوع روشن شده باشد که تصاویر رقمی حاوی مقادیر بزرگی از داده ها هستند اما یک خط تلفن صوتی حداکثر می تواند9600بیت بر ثانیه را انتقال دهد؛بنابراین ارسال یک تصویر 8بیتی 512×512با این نرخ بیت تقریبا“پنج دقیقه طول می کشد.ارتباط بیسیم با استفاده از ایستگاه های میانی نظیر ماهواره ها بسیار سریعتر است گرچه هزینه بیشتری دارد نکته این است که دربسیاری مواقع ارسال تصاویر کامل درفواصل طولانی مورد نیاز است درفصل 6نشان خواهیم داد که فشرده سازی وافشرده سازی و (انبساط)داده ها نقش اصلی را در حل این مشکل بر عهده دارد.

نمایش

نمایشگر های تک رنگ و رنگی تلویزیونی ابزار اصلی نمایش درسیستم های پردازش تصویر امروزی است نمایشگرها با خروجی های واحد سخت افزاری نمایش تصویر که در برد اصلی رایانه میزبان قرارداد ویابخشی از سخت افزارپردازشگر تصویری می باشد راه اندازی می شود همچنین می توان سیگنالهای خروجی ازواحد نمایش رابه یک وسیله ثبت تصویر داد تاتصویری چاپی (اسلاید؛عکس یاورق شفاف)ازآنچه روی نمایشگر دیده می شود تولید کند لامپ های اشعه کاتدی (CRT)بادستیابی تصادفی و دستگاه های چاپ نیز به عنوان وسایل نمایش استفاده می شود.

درنمایشگر های CRTرایانه با تولید سیگنال های راه انداز مورد نیاز محل اشعه الکترونی را در هر لحظه معین می کند تاتصویر ایجاد شود.درهرنقطه یک ولتاژکه متناسب با مقدار روشنایی نقطه متناظر درآرایه عددی است شدت پرتو رامدوله می کند مقدار شدت پرتو حاصل بین صفر برای نقاط سیاه تا مقدار بیشینه برای نقاط سفید متغیر است یک دوربین عکاسی که روی صفحه CRTمتمرکز است الگوی نوری باشدت متغیر حاصل را ظبط می کند.

وسایل چاپ تصویر اغلب برای پردازش تصویر با تفکیک پایین مفید است یک روش ساده برای تولید تصاویر خاکستری روی کاغذ استفاده از قابلیت چند ضربه ای چاپگر خطی استاندارد است.

می توان با تعداد و چگالی نویسه های روی هم چاپ شده درهرنقطه تصویر سطح خاکستری آن نقطه را تنظیم نمود.باانتخاب مناسب مجموعه نویسه ها می توان با یک برنامه رایانه ای ساده و نویسه های نسبتا“کم به توزیع های خوب سطح خاکستری دست یافت.ضمیمه الف حاوی مثالهایی از این روش است چند وسیله متداول دیگر برای ثبت تصویر روی کاغذ چاپگرهای لیزری وسایل دارای کاغذ حساس به حرارت و دستگاه های جوهر افشان است.

 

فشرده سازی تصویر

وقتی برای تولید یک تصویر رقمی ؛تابع شدت نور دوبعدی متناظر نمونه برداری و چندی می شودمقادیر بی شماری ((داده))تولید می گردد.درواقع مقدار داده های تولید شده ممکن است آنقدر بزرگ باشد که ذخیره سازی ؛پردازش ومخابره آن غیر عملی باشد.درچنین حالاتی به نمایش هایی غیر از نمونه برداری دوبعدی و چندی سازی ساده نیاز است به عنوان مثال برای نمایش دایره المعارف Encyclopaedie Britannice درشکل رقمی بیش از 25 گیگابایت (10×25بایت)داده مورد نیاز است.

فشرده سازی تصویر به موضوع کاهش مقدار داده های مورد نیاز برای نمایش تصویر رقمی می پردازد.اساس فرآیندکاهش حذف داده های زاید است از نقطه نظر ریاضی این فرآیند معادل تبدیل یک آرایه پیکسلی دوبعدی به یک مجموعه داده ناهمبسته آماری است که معمولا“این تبدیل قبل از ذخیره سازی یا ارسال تصویر انجام می شود.تصویر فشرده در زمانی دیگر یا در مقصد وافشرده می شود تا تصویر اولیه با تقریبی ازآن بازسازی شود.

توجه به فشرده سازی تصویر بیش از25سال سابقه دارد در ابتدا تحقیقات در این موضوع روی توسعه روش های آنالوگ برای کاهش عرض باند ارسال ویدیو که فشرده سازی عرض باند خوانده می شود متمرکز بود گرچه اختراع رایانه های رقمی و بدنبال آن توسعه مدارهای مجتمع پیشرفته باعث شد که توجه از روش های فشرده سازی آنالوگ به روش های رقمی معطوف شود اخیرا“با پذیرش جهانی چند استاندارد فشرده سازی تصویر زمینه رشد این موضوع از طریق کاربرد عملی کارهای نظری شروع شده از دهه 1940فراهم گردید شانون و همکارانش در این دهه برای اولین بار روابط احتمالاتی را برای میزان اطلاعات و نمایش ارسال و فشرده سازی داده ها بیان کردند.

نیاز به فشرده سازی تصویر درطول سال های اخیر بتدریج رشد کرده است به طوری که اکنون این مبحث به عنوان یک ((فناوری فعال ساز))شناخته می شود.به عنوان مثال همواره فشرده سازی تصویر در افزایش محاسبات چند رسانه ای (یعنی استفاده از رایانه های رقمی در چاپ و نشر و تولید و توزیع ویدیو)بسیار موثر بوده وهست.بعلاوه ؛فشرده سازی تصویر ؛فناوری
کار باتفکیک مکانی افزایش یافته در حسگرهای تصویر بردار امروزی واستاندارد های درحال تکامل پخش تلویزیون است گذشته از این فشرده سازی تصویر نقش خیلی مهمی در بسیاری از کاربردهای مهم و گوناگون شامل گردهمایی تصویری از راه دور ؛سنجش از راه دور(استفاده از تصویربرداری ماهواره ای در کاربردهای هوایی وسایرکاربردهای زمینی )تصویربرداری اسناد تصویر برداری پزشکی ؛ارسال دورنگار و کنترل وسایل هدایت از راه دور درکاربردهای نظامی ؛فضایی ومواد زائد خطرناک بازی می کند خلاصه این که تعداد روبه افزایشی ازکاربردها به پردازش ذخیره سازی و ارسال پر بازده تصاویر دودویی خاکستری یا رنگی نیاز دارند.

 

مبانی

عبارت فشرده سازی داده به فرآیند کاهش مقدار داده های مورد نیاز برای بیان یک مقدار معین از اطلاعات اشاره می کند تفاوت آشکار بین داده و اطلاعات هستند وازمقادیر متفاوتی داده می توان برای نمایش یک مقدار ثابت اطلاعات استفاده کرد یک مثال آن حالتی است که فرد ((پرحرف))ویک فرد ((کم حرف))هردو بخواهند یک داستان را تعریف کنند دراین مورد اطلاعات مورد علاقه داستان است و کلمات داده های مورد استفاده برای بیان اطلاعات هستند.اگر این دونفر تعداد متفاوتی از کلمات را برای تعریف داستان به کاربرند دونسخه متفاوت از داستان ایجاد می شود و حداقل یکی از دونقل دارای داده های غیرضروری است یعنی دارای داده ها (باکلماتی)است که یاهیچ اطلاعات مرتبطی را ارائه نمی کنند یا فقط چیزهایی را که قبلا“معلوم بوده اند دوباره بیان می کنند.بنابراین گفته می شودکه این نقل ؛افزونگی داده دارد.افزونگی داده مهمترین مورد در فشرده سازی تصویر رقمی است.

عبارت فشرده سازی داده به فرآیند کاهش مقدار داده های مورد نیاز برای بیان یک مقدار معین از اطلاعات اشاره می کند تفاوت آشکار بین داده و اطلاعات هستند وازمقادیر متفاوتی داده می توان برای نمایش یک مقدار ثابت اطلاعات استفاده کرد یک مثال آن حالتی است که فرد ((پرحرف))ویک فرد ((کم حرف))هردو بخواهند یک داستان را تعریف کنند دراین مورد اطلاعات مورد علاقه داستان است و کلمات داده های مورد استفاده برای بیان اطلاعات هستند.اگر این دونفر تعداد متفاوتی از کلمات را برای تعریف داستان به کاربرند دونسخه متفاوت از داستان ایجاد می شود و حداقل یکی از دونقل دارای داده های غیرضروری است یعنی دارای داده ها (باکلماتی)است که یاهیچ اطلاعات مرتبطی را ارائه نمی کنند یا فقط چیزهایی را که قبلا“معلوم بوده اند دوباره بیان می کنند.بنابراین گفته می شودکه این نقل ؛افزونگی داده دارد.افزونگی داده مهمترین مورد در فشرده سازی تصویر رقمی است.

مدلهای فشرده سازی تصویر سامانه های عملی فشرده سازی تصویر معمولا“ازترکیب این روش ها بوجود می آیند.دراین بخش مشخصات کلی چنین سامانه ای رابررسی می کنیم و یک الگوی کلی برای نمایش آن ارائه می نماییم.

همانطورکه شکل یک نشان می دهد یک سامانه فشرده سازی تصویردارای دوبلوک ساختاری جداگانه است یک رمز گذار و یک رمزبردارتصویر ورودی (x-y)fبازسازی می شود.درحالت کلی ممکن است (x-y)fنسخه دوم دقیقی از (x-y)fباشدیانباشد.درحالت مثبت ؛سامانه بدون خطا یا نگهدار اطلاعات است اگر چنین نباشد مقداری اعوجاج درتصویر بازسازی شده وجود دارد.

رمزگذار ورمزبردار هردو دارای دوتابع یازیر بلوک نسبتا“مستقل هستند.رمزگذار از رمزگذار منبع که افزونگی های ورودی را حذف می کند ورمزگذار کانال که امنیت نویز خروجی رمزگذار منبع را افزایش می دهد تشکیل می شود همان طور که انتظار می رود رمز بردار نیز شامل یک رمزبردار کانال و به دنبال آن یک رمزبردار منبع است.

اگر کانال بین رمزگذار و رمزبردار بدون نویز باشد(درمعرض خطا نباشد)رمزگذار و رمزبردار کانال حذف می شوند ورمزگذار و رمزبردار کلی بترتیب معادل رمزگذار و رمزبردار منبع می شوند.

رمزگزار ورمزبردار منبع رمزگذار منبع مسؤول کاهش یاحذف هریک ازافزونگی های رمزنگاری ؛بین پیکسلی یا روان بصری در تصویر ورودی است کاربرد مورد نظر ومیزان کیفیت مورد نیاز تصویر بهترین روش رمزگذاری را تعیین می کند معمولا“این فرآیندرامی توان با دنباله ی از سه عمل مستقل مدل نمود.همانطور که (الف)نشان می دهد هریک از اعمال برای کاهش یکی از سه نوع افزونگی مشروح طراحی می شوند شکل2رمزبردار منبع متناظر آن رانشان می دهد.

درمرحله اول فرآیند رمزگذاری منبع نگاشت گر داده های ورودی را به یک قالب (معمولا“غیر بصری)که برای کاهش افزونگی های بین پیکسلی تصویر ورودی طراحی شده است ؛تبدیل می کند.این عمل درحالت کلی معکوس پذیر است و ممکن است مقدار داده مورد نیاز برای نمایش تصویر را کاهش بدهد یاندهد.رمزنگاری طول دنباله (RL)(بخش های2.1.6و2.4.6)مثالی از یک نگاشت است که درمرحله اول فرآیند کلی رمزگذاری منبع باعث فشرده سازی داده ها می شودونمایش تصویربوسیله مجموعه ای از ضرایب تبدیل مثالی ازحالت مخالف است دراین حالت نگاشت گر تصویر را به آرایه ای از ضرایب تبدیل می نماید تا افزونگی های بین پیکسلی آن برای فشرده سازی درمراحل بعدی رمزگذاری قابل دسترس تر بشوند.

رمزگذارورمزبردار کانال وقتی کانال شکل نویزدار یا درمعرض خطا باشد رمزگذار ورمزبردارکانال نقش مهمی درفرآیند کلی رمزگذاری –رمزبرداری بازی می کنند این دوبلوک برای کاهش اثر نویز کانال بوسیله افزودن یک شکل کنترل شده از افزونگی به داده های رمز شده منبع طراحی می شوند گرچه خروجی رمزگذار منبع مقدار کمی افزونگی دارد اما بدون اضافه شدن افزونگی کنترل شده فوق این خروجی نسبت به نویز انتقال بسیار حساس خواهد بود.

یکی از مفیدترین روش های رمزگذاری کانال بوسیله همینگ (1950)طراحی شد این روش بر اساس افزودن بیت های کافی به داده هایی که رمز می شوند می باشد طوری که اطمینان می دهد به میزان حداقل لازم بین کلمات رمز معتبر تفاوت (فاصله)وجود داردبرای مثال همینگ نشان داد که اگر 3بیت افزونگی به یک کلمه 4بیتی اضافه شود طوری که فاصله بین هردو کلمه رمز معتبر 3باشد تمام خطاهای یک بیتی رامی توان کشف و تصحیح کرد(با افزودن بیت های افزونگی بیشتر می توان خطاهای چند بیتی را کشف و یا تصحیح کرد.) فشرده سازی بدون خطا درکاربردهای متعددی فشرده سازی بدون خطا تنهاوسیله مناسب برای کاهش داده ها است یکی از این کاربردها بایگانی اسناد پزشکی یا تجاری می باشدکه درآنها معمولا“به دلایل قانونی فشرده سازی با اتلاف ممنوع است کاربر دیگر پردازش تصاویر دریافتی ازLANDSATاست که دراین مورد نوع استفاده وهزینه جمع آوری داده ها هر اتلافی را نامطلوب می سازد.کاربر دیگر پرتونگاری رقمی است که اتلاف اطلاعات می تواند دقت تشخیص را به مخاطره اندازد.دراین موارد و موارد دیگر کاربرد مورد نظر و طبیعت تصاویر مورد بررسی نیاز به فشرده سازی بدون خطا را مطرح می سازند.

دراین بخش برروی روش های اصلی فشرده سازی بدون خطا که اکنون استفاده می شوند.متمرکز می شویم این روش معمولا“نسبت های فشرده سازی بین 2تا 10را فراهم می آورندگذشته از این کاربرد یکسانی درتصاویر دودویی و خاکستری دارند.همان طور که نشان داده شد روش های فشرده سازی بدون خطا معمولا“ترکیبی از دوعمل نسبتا“مستقل هستند:1-طرح یک نمایش دیگر از تصویری که افزونگی های پیکسلی آن باید کاهش یابند2-رمزنگاری این نمایش طوری که افزونگی های رمزنگاری حذف شوند این مراحل متناظر با مراحل نگاشت ورمزنگاری نماد در مدل رمزگذاری منبع هستند.

رمزنگاری طول متغیر ساده ترین روش فشرده سازی بدون خطای تصویر این است که فقط افزونگی رمزنگاری را کاهش دهیم معمولا“در رمزنگاری دودویی طبیعی سطوح خاکستری تصویر افزونگی رمزنگاری وجود دارد می توان با رمزنگاری سطوح خاکستری طوری که معادله حداقل شود افزونگی های رمزنگاری راحذف نمود انجام این کار نیازمند استفاده از یک رمزطول متغیر که کوتاه ترین کلمات رمزممکن رابه متحمل ترین سطوح خاکستری نسبت دهد می باشد دراینجا چند روش بهینه و نزدیک بهینه برای ایجاد چنین رمزی را بررسی می کنیم روابط این روش هابه زبان نظریه اطلاعات نوشته می شوند.نمادهای منبع در عمل ممکن است خود سطوح خاکستری تصویر یا خروجی یک نگاشت سطح خاکستری (مثلا“تفاضل پیکسل ها ؛طول دنباله های ثابت و غیره) رمزنگاری هافمن متداول ترین روش برای حذف افزونگی رمزنگاری هافمن است(Huffman[1951])هنگام رمزنگاری تک به تک نمادهای یک منبع اطلاعات رمزنگاری هافمن کوچکترین تعداد ممکن نماد رمز برنماد منبع را نتیجه می دهد ازنظر قضیه رمزنگاری بدون نویز رمز حاصل برای یک مقدار ثابت nبااین قید که نمادهای منبع تک به تک رمز شوند بهینه است.

رمزگذاری حسابی برخلاف رمزهای طول متغیرمشروح درفوق رمزنگاری حسابی رمزهای غیربلوکی تولید می کند.در رمزنگاری حسابی که می توان سرمنشاءآن را تاکارEliasردگیری کرد(Abram son[1963]را ببیند)تناظر یک به یک بین نمادهای منبع و کلمات رمز وجود ندارد .درعوض به یک دنباله کامل از نمادهای منبع (یاپیام)تنها یک کلمه رمز حسابی منتسب می شود.خودکلمه رمز بازه ای از اعداد حقیقی بین 1,0را تعریف می کند.وقتی تعداد نمادها در پیام افزایش می یابد بازه مورد استفاده برای نمایش آن کوچکتر می شود وتعداد واحدهای اطلاعات (مثلا”بیت های)مورد نیاز برای نمایش بازه بیشتر می شود.

هرنماد پیام اندازه بازه را طبق احتمال وقوعش کاهش می دهد.چون این روش برخلاف روش هافمن نیاز ندارد که هرنماد منبع به یک تعداد صحیح ازنمادهای رمز ترجمه شود(یعنی این که نمادها تک تک رمزشوند)لذا به کران تعیین شده بوسیله قضیه رمزنگاری بدون نویزدست می یابد(البته فقط درجنبه نظری)فرآیند پایه رمزنگاری حسابی رانشان می دهد دراینجا دنباله یا پیام5 نمادی a a a a a ازیک منبع چهارنمادی رمزمی شود.درشروع فرآیندرمزنگاری فرض می شودکه پیام تمام بازه (0,1)را اشغال نماید.همان طور که جدول یک نشان می دهد درابتدا این بازه براساس احتمالات نمادهای منبع به چهارناحیه تقسیم می شودمثلا“نمادaبه زیربازه (0,0.2)مربوط می باشد.چونaاولین نماد پیام است که رمز می شود؛بازه پیام در ابتدا به زیربازه (0,0.2) کوچک می شود.بنابراین زیربازه (0,0.2)به اندازه ارتقاع کامل نمودار ؛انبساط می یابد ونقاط پایانی ارتفاع نمودار با مقادیر پایانی این زیربازه برچسب زده می شوند.آنگاه این زیربازه طبق احتمالات نمادهای منبع اولیه تقسیم می شود و فرآیند با نماد پیام بعدی ادامه می یابد.در این روش نماد a زیربازه را به (0.04,0.08)کوچک می کند a آن را به بازه (0.056,0.072)کوچکتر می کند و همین طور تا آخر.نماد پیام آخری که باید به عنوان شاخص ویژه پایان پیام ذخیره شود محدوده را به بازه (0.06752,0.0688)کوچک می کند.البته از هرعدد درون این زیربازه مثلا“0.068 می توان برای نمایش پیام استفاده کرد.

در پیام رمز حسابی شده شکل 4سه رقم دهدهی برای نمایش پیام پنج نمادی استفاده می شود که معادل 3/5 یا 0.6رقم دهدهی بر نماد منبع است و به خوبی با آنتروپی منبع که طبق معادله ی(6 .3-3)برابر 0.58رقم دهدی یا واحد دهگانی برنماد می باشد قابل مقایسه است .وقتی طول رشته ای که باید رمزشود افزایش می یابد.رمزحسابی حاصل به کران تعیین شده بوسیله قضیه رمزنگاری بدون نویز نزدیک می شود.درعمل دوعامل باعث می شوند که کارآیی رمزنگاری نتواند به آن کران برسد1-افزودن شاخص پایان پیام که برای جداسازی یک پیام از دیگری لازم است2-استفاده از محاسبات با دقت محدود.در پیاده سازیهای عملی رمزنگاری حسابی با کاربرد روشهای مقیاس کردن وگرد کردن(Langdon Rissanen[1981])عامل دوم اجرا می شود.عمل مقیاس کردن قبل از تقسیم هر زیربازه طبق احتمالات نماد آن را به زیربازه (0,1)تراز می کند عمل گرد کردن تضمین کردنهای مربوط به محاسبات با دقت محدود مانع نمایش دقیق زیربازه های رمزنگاری نمی شود رمز نگاری بیت-صفحه ای پس از بررسی روشهای اصلی حذف افزونگی رمزنگاری اکنون یکی از چند روش فشرده سازی بدون خطا را که افزونگی های بین پیکسلی تصویر را نیز حذف می کندبررسی می نماییم این روش که رمزنگاری بیت-صفحه ای خوانده می شود.براساس تجزیه یک تصویر چند سطحی (تکرنگ یارنگی )به مجموعه ای از تصاویر دودویی و سپس فشرده سازی هریک ازتصاویر دودویی با یکی از چند روش فشرده سازی دودویی می باشد.دراین بخش متداولترین روشهای تجزیه را شرح می دهیم و مروری نیز بر تعدادی از روشهای فشرده سازی متداول خواهیم داشت.

رمزنگاری ناحیه ثابت یک روش ساده اما مؤثربرای فشرده سازی تصویر دودویی یا بیت-صفحه استفاده ار کلمات رمزمخصوص برای شناساندن نواحی بزرگ یک ها یا صفرهای پیوسته می باشد.درچنین روشی که رمزنگاری ناحیه ثابت خوانده می شودتصویربه بلوک هایی با ابعادn×m پیکسل تقسیم می شودکه این بلوک ها به عنوان تمام سفید ؛تمام سیاه یا مختلط گروه بندی می شوند.آنگاه به متحمل ترین یا مکررترین گروه کلمه رمز یک بیتی 0 وبه دوگروه دیگر رمزهای دوبیتی11,10منتسب می شود.با این روش تصویر فشرده می شود؛زیرا mn بیت که معمولا“برای نمایش یک ناحیه ثابت استفاده می گردند؛با یک کلمه رمزدوبیتی یا یک بیتی جایگزین می شوند.البته رمزمنتسب شده به گروه باشدت مختلط به عنوان یک پیشونداستفاده می شود؛که به دنبال آن الگوی m بیتی بلوک قرار می گیرد.

هنگام فشرده سازی اسناد متنی غالبا“سفید یک روش ساده تر این است که نواحی تمام سفید را با 0 و تمام بلوک های دیگر(ازجمله بلوکهای تمام سیاه)را با1 که به دنبال آن الگوی بیتی بلوک قرار می گیرد رمز کنیم .این روش پرش از بلوک سفید (WBS)خوانده می شود.چون تعداد کمی نواحی تمام سیاه مورد انتظارهستند؛این نواحی نیز درگروه نواحی باشدت مختلط قرار می گیرند؛درنتیجه این کار ؛استفاده ازکلمه رمزیک بیتی برای نواحی سفید بسیار متحمل ممکن می شود.یک بهبود دراین روال(با بلوک های n ×1)رمزگذاری خطوط تمام سفید با 0 ورمزگذاری سایر خطوط با 1 که به دنبال آن دنباله رمز WBSمعمولی آن خط قرار دارد می باشد.بهبود دیگر به کارگیری یک روش تکراری است که تصویر دودویی یابیت-صفحه را به زیر بلوک های متوالیا“کوچکتر و کوچکترتجزیه کند.در بلوک های دوبعدی ؛هر بلوک تمام سفید با0 رمز می شود و سایربلوک ها به زیر بلوک هایی تقسیم می شوندکه پیشوند1 به آنهامنتسب گردیده و به روش مشابهی رمز می شوند.یعنی اگریک زیربلوک تمام سفید باشد؛پیشوند 1 به رمزآن داده می شودکه دلالت براین دارد که این زیربلوک حاصل اولین تقسیم بلوک می باشد و به دنبال آن 0 قرار می گیردکه نشانه تمام سفید بودن آن می باشد اگر زیر بلوک تمام سفید نباشد؛فرآیند تجزیه آنقدر تکرارمی شود تابه زیربلوک هایی با ابعاد نسبتا“کوچک (ازپیش گزیده)برسیم ودر این مرحله هر زیربلوک اگر تمام سفید باشدبا 0 وگرنه 1همراه با الگوی بیتی بلوک رمز می شود.

استانداردهای فشرده سازی تصویر بسیاری از روش های فشرده سازی بدون خطا و با اتلاف که تاکنون توصیف شدند نقش مهمی در توسعه و پذیرش استانداردهای اصلی فعلی برای فشرده سازی تصویر بازی کرده اند دراین بخش این استانداردهارا که در بیشتر موارد باهمکاری مشترک سازمان استاندارد جهانی(ISO)و کمیته مشورتی تلفن و تلگراف جهانی(CCITT)وضع شده اند بررسی می کنیم .این استانداردها به فشرده سازی تصویر پیوسته (تک رنگی ورنگی)همچنین تصاویر تک قاب یادنباله قاب(متحرک)می پردازند.

فشرده سازی یک بعدی در روش فشرده سازی یک بعدی گروه3 CCITT هرخط تصویر به صورت دنباله ای از کلمات رمزبا طول متغیر که این کلمات رمز بیانگر طول دنباله های سفید و سیاه در پیمایش چپ وراست آن خط هستند رمزمی شود.خود کلمات رمز؛دونوع هستند.اگرطول دنباله کمتر از63باشد بایک رمزپایان دهنده از رمزهافمن تغییر یافته جدول 2رمز می شود.اگر طول دنباله بزرگتر از63باشد؛بزرگترین رمزترکیبی ممکن (که ازطول دنباله تجاوز نمی کند)ازجدول3همراه با یک رمزپایان دهنده که بیانگر تفاضل بین رمزترکیبی و طول دنباله واقعی است استفاده می شود.دراین استانداردلازم است که هرخط با یک کلمه رمزRLسفید که ممکن است 00110101 یعنی رمزدنباله سفید به طول صفرباشد شروع شود.نهایتا“یک کلمه رمزپایان خط) EOL)000000000001 برای پایان دادن هرخط ونیز اعلام اولین خط هر تصویر جدید استفاده می شود.انتهای یک دنباله از تصاویر باشش EOL متوالی نشان داده می شود.

فشرده سازی دوبعدی روش فشرده سازی دوبعدی اتخاذ شده برای هردو استاندارد گروه3و4CCITTیک روش خط به خط است که درآن محل هرگذر از دنباله سیاه به سفید یا برعکس برحسب موقعیت عنصر مرجع aکه روی خط درحال رمزنگاری قراردارد رمز می شود خط قبلا“رمز شده خط مرجع خوانده می شود خط مرجع برای اولین خط هر تصویر جدید یک خط سفید فرضی است.

فشرده سازی تصاویر تکرنگ و رنگی دنباله ای تنها استاندارد رسمی برای فشرده سازی و افشرده سازی تصاویر دنباله ای استاندارد H.261(که باعنوان64×Pنیز اشاره می شود) دواستاندارد دیگر که MPEGIوMPEG IIخوانده می شوند بوسیله گروه متخصصان تصویر متحرک CCITTوISOدرحال تهیه هستند.

استاتدارد H.261برای کاربردهای گردهمایی راه دور تصویری می باشد که دراین کاربردها باید تصویر کاملا“متحرک روی خطوط TIبا تاخیرهای انتقال کمتر از 150میلی ثانیه ارسال شود( تاخیرهایی که متجاوزاز150میلی ثانیه باشنداحساس مشاهده مستقیم را برای بینندگان فراهم نمی آورند)برعکس استاندارد MPEGIپیشنهاد شده یک استاندارد فشرده سازی ویدیو با کیفیت تفریحی برای ذخیره سازی و بازیابی تصاویر فشرده روی رسانه های رقمی نظیر CD-ROMهای امروزی درحدودنرج خطوط انتقال TIهستنداستاندارد MPEGIنرخهای بیت و کیفیت رمزگذاری بالاتر رانیز پوشش می دهد درهرحال این استاندارد روال رمزنگاری خاصی رامشخص نمی کند بلکه فقط یک رشته بیت رمز شده استاندارد و رمزبردار متناظر آن راتعریف می کند استاندارد MPEG II ازنرخهای انتقال ویدیویی بین 5تا10مگابیت بر ثانیه که برای پخش تلویزیون کابلی و پخش وسیع ماهواره ای باند باریک مناسب هستند پشتیبانی می کند.

هردواستاندارد MPEGو H.261روش فشرده سازی مبتنی بر DCTتوصیف شده دربخش قبلی را توسعه می دهند تا بدین وسیله کاهش افزونگی های بین قابی را نیز شامل شود.این استانداردها ابتدا یک قاب شروع یا مرجع را با استفاده از یک روش شبه JPEGکه مبتنی بر DCTباشد فشرده می سازند سپس قاب فشرده شده را وافشرده می کنند تا قاب اولیه بازسازی شود حرکت اشیا بین قاب بازسازی شده و قاب بعدی را تخمین زده و براساس مقدار حرکت تصمیم می گیرند که آیا قاب بعدی رامستقلا“یا بااستفاده از قاب قبلا“رمز شده فشرده نمایند.مرحله تخمین حرکت توعا“شامل لغزاندن هر زیر تصویر بازسازی شده حول زیر تصویرهای مجاورش در قاب بعدی و محاسبه یک معیار همبستگی (نظیرجمع مربعات تفاضلهای پیکسل به پیکسل)می باشد درواقع اغلب این فرآیند با استفاده از نموهای جزءپیکسلی (نظیر لغزاندن زیر تصویر به اندازه 1/4پیکسل درهربار)انجام می شود که این عمل درو نیابی مقادیرنقاط بین پیکسل هاقبل ار محاسبه معیار همبستگی را الزامی می کندازنظرمحاسباتی ممکن است این فرآیند پرهزینه باشد.چون استاندارد MPEGبرای کاربردهایی است که درآنها ممکن است تغییرات سریع بسیاری در صحنه رخ دهد.دراین استانداردلازم است هر پانزده قاب یکی بدون رجوع به قاب قبلش یک رمزی شبه JPEGشود.این ویژگی برای ویرایش ویدیو نیز مفید است.تفاوت اصلی بین MPEGو H.261در روش تخمین حرکت می باشد.دراستاندارد H.261 باید هرقاب باقاب قبلش مقایسه شود اما استاندارد MPEG پیشنهاد شده تعداد قابهای قبلی را که می توان درفرآیند تخمین حرکت ازآنها استفاده نمود تعریف نمی کنند./ پردازش تصویر رنگی استفاده از رنگ درپردازش تصویر دوانگیزه اصلی دارد:اولا“درتحلیل تصویر خودکار؛رنگ توصیف گر توانایی است که دراغلب موارد شناسایی واستخراج شیئ از صحنه را ساده می سازد ثانیا“درمواردی که تحلیل تصویر بوسیله انسان انجام می شود؛چشم انسان قادر است هزاران سایه و شدت رنگی را درمقایسه با حدود 24سایه خاکستری تشخیص دهد.

پردازش تصویر رنگی به دوحوزه اصلی تقسیم می شود:پردازش تمام رنگی و پردازش شبه رنگی درگروه اول تصاویرمورد نظر معمولا“با یک حسگر تمام رنگی نظیر دوربین تلویزیون رنگی باپیمایش گر رنگی برداشته می شوند درگروه دوم به هر شدت تکرنگ خاص یامحدوده ای از شدت ها یک سایه رنگی منتسب می شود تقریبا“تا همین اواخر بیشتر پردازش تصویر رنگی به صورت شبه رنگی انجام می شد.

پیشرفت قابل توجهی که دردهه 1980انجام شد باعث گردید حسگرهای رنگی وسخت افزار لازم برای پردازش تصویر رنگی با قیمت های قابل قبولی در دسترس قرارگیرنددرنتیجه این پیشرفت ها استفاده از روش های پردازش تصویر تمام رنگی درمحدوده وسیعی از کاربردها درحال افزایش است.

مبانی رنگ گرچه فرآیند ادراک رنگ درمغز انسان پدیده ای روانی-جسمی است که تاکنون به طور کامل شناخته نشده است ؛اما ماهیت فیزیکی رنگ را می توان براساس مجموعه ای از نتایج آزمایشی ونظری بیان کرد.

درسال 1666میلادی اسحاق نیوتن کشف کرد که وقتی نورخورشید ازمیان منشور شیشه ای عبور می کند خروجی آن نورسفید نیست؛بلکه شامل طیف پیوسته ای ازرنگها در محدوده بنفش تا قرمز می باشد.همانطور که پلیت I نشان می دهد طیف رنگی رامی توان به 6ناحیه وسیع تقسیم کرد: بنفش؛آبی؛سبز؛زرد؛نارنجی وقرمز.هیچ رنگی در طیف یکباره قطع نمی شود؛بلکه هررنگ به آرامی با رنگ بعدی مخلوط می گردد(پلیتII) به طورکلی رنگ هایی که انسان ازشیی دریافت می کندبوسیله ماهیت نور منعکس شده ازآن شیی معین می شودهمان طورکه درپلیتII دیده می شود؛نورمرئی نوار نسبتا“باریکی درطیف انرژی برای ناظرسفید ظاهر می شوداماجسمی که تنها درمحدوده کوچکی از طیف مرئی به خود انعکاس داشته باشد برای ناظررنگی به نظر می رسد مثلا“اشیای سبز طول موجهای نوری درمحدوده ی 500تا 570نانومتر (10 m)رامنعکس می کنند درحالی که بیشتر انرژی موجود درسایر طول موجها راجذب می کنند.

توصیف نور ؛اساس علم رنگ است.اگر نورغیررنگی (بدون رنگ) باشد؛تنها مشخصه آن شدت یا مقدارش می باشد.نور غیررنگی همانند نوری است که بینندگان روی تلویزیون سیاه و سفید می بینند و تاکنون نیز به طور ضمنی موضوع بحث ما درباره پردازش تصویر بوده است .بنابراین اصطلاح سطح خاکستری به اندازه عددی شدت که درمحدوده ی سیاه تاخاکستری هاو درنهایت تاسفید تغییر می کند اشاره دارد.

نور رنگی طیف انرژی الکترو مغناطیسی تقریبا“از400تا700نانومتررامی پوشاند.سه کمیت اصلی برای توصیف کیفیت منبع نور رنگی استفاده می شوند.تشعشع ؛لومینانس وروشنی .تشعشع مقدار کل انرژی است که ازمنبع نور صادرگردیده و اغلب با وات(W)سنجیده می شود.لومینانس که برحسب لومن (Im)اندازه گرفته می شود مقدار انرژی است که ناظراز منبع نور دریافت می کندمثلا“نوری که از منبعی درناحیه انتهایی مادون قرمز طیف صادر می شود؛ممکن است انرژی (تشعشع)قابل ملاحظه ای داشته باشد اما ناظر به سختی آن را احساس می کند؛بنابراین لومینانس آن تقریبا“صفر است.درنهایت روشنی توصیف گری ذهنی است که اندازه گیری آن عملا“غیر ممکن است روشنی بخش غیر رنگی شدت را مجسم می کند ویکی از عوامل مهم درتوصیف احساس رنگ است.

بدلیل ساختمان چشم انسان تمام رنگ هابه صورت ترکیبات مختلف سه رنگ اولیه قرمز(R) ؛سبز(G)وآبی(B)دیده می شوند.آبی=nm 8/435توجه کنید که طبق پلیت II هیچ رنگی را به تنهایی نمی توان قرمز؛سبزیا آبی نامید.بنابراین داشتن سه طول موج رنگی مشخص و استاندارد بدین معنا نیست که سه مؤلفه ثابتRGB به تنهایی می توانند تمام رنگ های طیف را تولید نمایند.این موضوع نکته مهمی است زیرا دربسیاری موارد به هنگام استفاده از کلمه اولیه؛این گمان رفته است که اگر سه رنگ اولیه استاندارد درنسبت های مختلف باهم مخلوط شوند؛می توانند تمام رنگ های مرئی را تولید نمایند.این تعبیر درست نیست مگر این که طول موج هم امکان تغییر داشته باشد.

تفکیک بین رنگ های اولیه نوری و رنگ های اولیه مادی یاکلرانت ها مهم است .درمورد اخیررنگ اولیه به عنوان رنگی تعریف می شودکه رنگ اولیه نوری را جذب یا تفریق می کندودورنگ دیگر را انعکاس یا عبور می دهد.بنابراین رنگ های اولیه مادی بنفش؛آبی فیروزه ای و زرد بوده و رنگ های ثانویه مادی قرمز ؛سبز؛وآبی هستند.این رنگ ها درپلیت III (ب)دیده می شوند.ترکیب مناسب سه رنگ اولیه مادی؛یایک ثانویه با اولیه متضادش ؛رنگ سیاه تولید می کند.

تصویر تلویزیون رنگی مثال مناسبی از ترکیب جمعی رنگ های نوری است.بسیاری از لامپ های تلویزیون رنگی ازآرایه بزرگی از الگوهای نقطه ای مثلثی ازجنس فسفرحساس به الکترون تشکیل شده اند.هرنقطه درمثلث اگرتحریک شودیکی از رنگ های اولیه را تولید می نماید.شدت نورنقاط فسفری مولد نور قرمز بوسیله تفنگ الکترونی داخل لامپ مادوله می شود.این تفنگ تکانه هایی متناظربا توان نور قرمزکه توسط دوربین تلویزیونی احساس می شود؛تولید می کند.نقاط فسفر سبزوآبی درهر تریادنیزبه همین روش مادوله می شودند.تصویری که روی گیرنده تلویزیون دیده می شود ؛حاصل فرآیندمخلوط شدن سه رنگ اولیه تولید شده با هرمثلث فسفری ؛دریافت نورحاصل بوسیله مخروط های حساس به رنگ درچشم ؛ودرنهایت درک تصویرتمام رنگی می باشد.مشاهده 30تصویر متوالی در هر ثانیه درسه رنگ ؛تصویر پیوستگی نمایش تصویر روی صفحه را کامل می کند.

مشخصاتی که برای تشخیص یک رنگ از سایر رنگ هابیشتر استفاده می شوند؛روشنی؛اصل رنگ و اشباع هستند همانطور که قبلا“بیان شد روشنی بخش رنگی شدت رامجسم می کند.اصل رنگ صفت مرتبط با طول موج غالب درترکیب امواج نوری است.بنابراین اصل رنگ بیانگر رنگ غالب که بیننده دریافت می کند است؛وقتی شئی را قرمز؛نارنجی یا زرد می خوانیم ؛درواقع اصل رنگ آن را مشخص می کنیم .اشباع به خلوص نسبی یا مقدارنورسفید مخلوط با اصل رنگ مربوط است .رنگ های طیفی خالص کاملا“اشباع شده هستند.رنگ هایی نظیر صورتی(قرمزبه اضافه سفید)و بنفش کمرنگ (بنفش به اضافه سفید)کم اشباع تر هستند.درجه اشباع با مقدار نور سفید اضافه شده تناسب معکوس دارد.

اصل رنگ و اشباع روی هم ؛رنگینگی نامیده می شوند بنابراین هررنگ را می توان با روشنی و رنگینگی آن توصیف کرد.مقادیر قرمز؛سبزوآبی مورد نیازبرای تشکیل یک رنگ خاص ؛مقادیرمحرکه سه گانه نامیده شده و به ترتیب با Z,Y,X نشان داده می شوند.

مدلهای رنگ هدف از انتخاب مدل رنگ ؛تسهیل مشخص سازی رنگ ها دریک استاندارد است که معمولا“روش مورد قبولی می باشد.دراصل ؛مدل رنگ ؛تعیین یک سامانه مختصات سه بعدی و زیر فضایی درون آن سامانه است که درآن سامانه هر رنگ تنها با یک نقطه بیان می شود.

بیشتر مدل های رنگ که اکنون استفاده می شوند؛به سمت سخت افزار(مانند نمایشگر ها و چاپگرهای رنگی)یا کاربردهایی گرایش دارند که هدف آنهاکار با رنگ ها می باشد(نظیر تولید گرافیک های رنگی برای پویانمایی)عمومی ترین مدلهای سخت افزار گرا عبارتند از:مدلRGB(قرمز؛سبز؛آبی)برای نمایشگر های رنگی و یک گروه وسیع از دوربین های ویدیویی ؛مدل CMY (آبی فیروزه ای ؛بنفش؛زرد)برای چاپگرهای رنگی ؛ومدلYIQ که یک استاندارد پخش تلویزیون رنگی است.