جودة الصورة

يمكن أن تشير جودة الصورة إلى مستوى الدقة التي تلتقط بها أنظمة التصوير المختلفة الإشارات التي تُكوّن الصورة، وتعالجها، وتخزنها، وتضغطها، وتنقلها، وتعرضها. ويُعرّف تعريف آخر جودة الصورة بأنها "المزيج المرجح لجميع السمات البصرية المهمة للصورة". ^{[ 1 ] : 598} ويكمن الفرق بين التعريفين في أن أحدهما يركز على خصائص معالجة الإشارات في أنظمة التصوير المختلفة، بينما يركز الآخر على التقييمات الإدراكية التي تجعل الصورة ممتعة للمشاهدين.

لا ينبغي الخلط بين جودة الصورة ودقة الصورة . تشير دقة الصورة إلى قدرة عملية ما على عرض نسخة معينة بطريقة مشابهة إدراكياً للأصل (دون تشويه أو فقدان للمعلومات)، أي من خلال عملية رقمنة أو تحويل من وسائط تناظرية إلى صورة رقمية.

تُسمى عملية تحديد مستوى الدقة بتقييم جودة الصورة (IQA). ويُعدّ تقييم جودة الصورة جزءًا من مقاييس جودة التجربة . يُمكن تقييم جودة الصورة باستخدام طريقتين: ذاتية وموضوعية. تعتمد الطرق الذاتية على التقييم الإدراكي للمشاهد البشري لخصائص صورة أو مجموعة صور، بينما تعتمد الطرق الموضوعية على نماذج حاسوبية قادرة على التنبؤ بجودة الصورة الإدراكية. ^{[ 2 ] : 7.} لا تتسم الطرق الموضوعية والذاتية بالضرورة بالاتساق أو الدقة فيما بينها: فقد يلاحظ المشاهد البشري اختلافاتٍ واضحة في الجودة بين مجموعة من الصور، بينما قد لا يلاحظها برنامج حاسوبي.

تُعدّ الطرق الذاتية مكلفة، وتتطلب عددًا كبيرًا من الأفراد، ويستحيل أتمتتها في الوقت الفعلي. لذا، يهدف البحث في تقييم جودة الصور إلى تصميم خوارزميات للتقييم الموضوعي تتوافق أيضًا مع التقييمات الذاتية. ^{[ 3 ]} ويُمكن أن يُسهم تطوير هذه الخوارزميات في العديد من التطبيقات المحتملة، إذ يُمكن استخدامها لمراقبة جودة الصور في أنظمة مراقبة الجودة، ولتقييم أنظمة وخوارزميات معالجة الصور، ولتحسين أنظمة التصوير. ^{[ 2 ] : 2 [ 3 ] : 430}

تتأثر عملية تكوين الصورة بعدة تشوهات بين لحظة انتقال الإشارات عبر سطح الالتقاط ووصولها إليه، والجهاز أو الوسيلة التي تُعرض عليها هذه الإشارات. ورغم أن الانحرافات البصرية قد تُسبب تشوهات كبيرة في جودة الصورة، إلا أنها لا تندرج ضمن مجال تقييم جودة الصورة. فالانحرافات البصرية الناتجة عن العدسات تندرج ضمن مجال البصريات وليس ضمن مجال معالجة الإشارات .

في النموذج المثالي، لا يوجد أي فقدان للجودة بين انبعاث الإشارة والسطح الذي تُلتقط عليه. على سبيل المثال، تتشكل الصورة الرقمية بواسطة الإشعاع الكهرومغناطيسي أو الموجات الأخرى أثناء مرورها عبر الأجسام أو انعكاسها عنها. ثم تُلتقط هذه المعلومات وتُحوّل إلى إشارات رقمية بواسطة مستشعر الصور . مع ذلك، يعاني المستشعر من بعض العيوب التي تحدّ من أدائه.

يمكن تقييم جودة الصورة باستخدام أساليب موضوعية أو ذاتية. في الأسلوب الموضوعي، تُجرى تقييمات جودة الصورة بواسطة خوارزميات مختلفة تحلل التشوهات والتدهورات التي طرأت عليها. أما التقييمات الذاتية لجودة الصورة فهي تعتمد على كيفية إدراك الإنسان لجودة الصورة. ولا تتطابق بالضرورة الأساليب الموضوعية والذاتية لتقييم الجودة. فقد تُعطي خوارزمية ما قيمة متقاربة لصورة ما ولنسخها المُعدّلة أو المُتدهورة، بينما قد يُظهر الأسلوب الذاتي تباينًا كبيرًا في الجودة بين الصورة نفسها ونسخها المختلفة.

تندرج الأساليب الذاتية لتقييم جودة الصورة ضمن مجال أوسع هو علم النفس الفيزيائي ، وهو مجال يدرس العلاقة بين المحفزات الفيزيائية والإدراك البشري. وتعتمد هذه الأساليب عادةً على تطبيق تقنيات متوسط ​​درجات الرأي ، حيث يُقيّم عدد من المشاهدين آراءهم بناءً على تصوراتهم لجودة الصورة، ثم تُحوّل هذه الآراء إلى قيم عددية.

يمكن تصنيف هذه الطرق بناءً على مدى توفر الصور المصدرية وصور الاختبار:

• المحفز الفردي : لا يملك المشاهد سوى صورة الاختبار ولا يدرك الصورة المصدرية.
• التحفيز المزدوج : يمتلك المشاهد كلاً من الصورة المصدر وصورة الاختبار.

نظراً لأن الإدراك البصري يمكن أن يتأثر بالظروف البيئية وظروف المشاهدة، فقد أصدر الاتحاد الدولي للاتصالات مجموعة من التوصيات بشأن أساليب الاختبار الموحدة لتقييم جودة الصورة الذاتية. ^{[ 4 ]}

لقد وُجد أن المحتوى العاطفي في الصور قد يؤثر على التقييمات الذاتية لجودة الصورة، بحيث يمكن أن تؤثر الاستجابات العاطفية للمشاهدين على تقييماتهم. وهذا قد يؤدي إلى منح درجات جودة أعلى للصور الأكثر جاذبية عاطفية، بغض النظر عن جودتها التقنية. يشير هذا التحيز العاطفي إلى أن المحتوى العاطفي قد يشوه تقييمات جودة الصورة، مما يُبرز الحاجة إلى أن تأخذ أساليب التقييم هذه التأثيرات في الحسبان لتحسين الموضوعية. ^{[ 5 ]}

يصنف وانغ وبوفيك (2006) الطرق الموضوعية وفقًا للمعايير التالية: (أ) توفر صورة أصلية؛ (ب) نطاقات تطبيقها؛ (ج) نموذج محاكاة النظام البصري البشري لتقييم الجودة. ^{[ 6 ]} ويصنف كيلان (2002) الطرق بناءً على: (أ) القياسات التجريبية المباشرة؛ (ب) نمذجة النظام؛ (ج) التقييم البصري وفقًا لمعايير معايرة. ^{[ 7 ] : 173}

• طرق المرجع الكامل (FR) - تحاول مقاييس FR تقييم جودة صورة الاختبار من خلال مقارنتها بصورة مرجعية يفترض أنها ذات جودة مثالية، على سبيل المثال، الصورة الأصلية مقابل نسخة مضغوطة بصيغة JPEG من الصورة.
• طرق المرجع المخفض (RR) - تقوم مقاييس RR بتقييم جودة صورة الاختبار والصورة المرجعية بناءً على مقارنة الميزات المستخرجة من كلتا الصورتين.
• طرق عدم الرجوع (NR) - تحاول مقاييس عدم الرجوع تقييم جودة صورة الاختبار دون أي إشارة إلى الصورة الأصلية.

يمكن أيضاً تصنيف مقاييس جودة الصورة من حيث قياس نوع واحد محدد من التدهور (مثل التشويش أو الحجب أو الرنين)، أو أخذ جميع تشوهات الإشارة المحتملة في الاعتبار، أي أنواع متعددة من التشوهات. ^{[ 8 ]}

• تحدد حدة الصورة مقدار التفاصيل التي يمكن أن تنقلها. تتأثر حدة الصورة في النظام بالعدسة (تصميمها وجودة تصنيعها، والبعد البؤري، وفتحة العدسة، والمسافة من مركز الصورة) والمستشعر (عدد البكسلات ومرشح منع التعرج). في الواقع، تتأثر حدة الصورة باهتزاز الكاميرا (يمكن أن يكون استخدام حامل ثلاثي القوائم جيدًا مفيدًا)، ودقة التركيز، والاضطرابات الجوية (التأثيرات الحرارية والهباء الجوي). يمكن استعادة الحدة المفقودة عن طريق زيادة حدة الصورة، ولكن لهذه الزيادة حدود. قد تؤدي زيادة حدة الصورة بشكل مفرط إلى تدهور جودتها من خلال ظهور "هالات" بالقرب من حدود التباين. في بعض الأحيان، تُزاد حدة الصور الملتقطة بالعديد من الكاميرات الرقمية المدمجة بشكل مفرط لتعويض انخفاض جودة الصورة.
• التشويش هو تباين عشوائي في كثافة الصورة، يظهر على شكل حبيبات في الأفلام وتغيرات على مستوى البكسل في الصور الرقمية. وينشأ من تأثيرات فيزيائية أساسية - طبيعة الضوء الفوتونية والطاقة الحرارية للحرارة - داخل مستشعرات الصور. تعمل برامج تقليل التشويش التقليدية على تقليل وضوح التشويش عن طريق تنعيم الصورة، باستثناء المناطق القريبة من حدود التباين. هذه التقنية فعالة، لكنها قد تحجب التفاصيل الدقيقة ذات التباين المنخفض.
• النطاق الديناميكي (أو نطاق التعريض) هو نطاق مستويات الإضاءة التي يمكن للكاميرا التقاطها، ويُقاس عادةً بوحدات فتحة العدسة (f-stops) أو قيمة التعريض (EV) أو المناطق (جميعها عوامل من اثنين في التعريض). وهو يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالتشويش: فالتشويش العالي يعني نطاقًا ديناميكيًا منخفضًا.
• إعادة إنتاج الدرجات اللونية هي العلاقة بين إضاءة المشهد وسطوع الصورة المعاد إنتاجها.
• التباين ، المعروف أيضاً باسم جاما ، هو ميل منحنى إعادة إنتاج الدرجات اللونية في فضاء لوغاريتمي. عادةً ما ينطوي التباين العالي على فقدان النطاق الديناميكي - فقدان التفاصيل، أو ما يُعرف بالقص، في المناطق المضيئة أو المظلمة.
• تُعدّ دقة الألوان عاملاً مهماً، وإن كان غامضاً، في جودة الصورة. يفضّل العديد من المشاهدين تشبّعاً لونياً مُحسّناً؛ فاللون الأكثر دقة ليس بالضرورة الأكثر إرضاءً. مع ذلك، من المهم قياس استجابة الكاميرا للألوان: انحرافاتها اللونية، وتشبّعها، وفعالية خوارزميات توازن اللون الأبيض فيها.
• التشوه هو خلل يتسبب في انحناء الخطوط المستقيمة. وقد يُشكل مشكلة في التصوير المعماري وعلم القياس (التطبيقات الفوتوغرافية التي تتضمن القياس). يميل التشوه إلى أن يكون ملحوظًا في الكاميرات منخفضة التكلفة، بما في ذلك الهواتف المحمولة، وعدسات كاميرات DSLR منخفضة التكلفة . وعادةً ما يكون من السهل جدًا رؤيته في الصور ذات الزاوية الواسعة. ويمكن الآن تصحيحه باستخدام البرامج.
• يؤدي التظليل ، أو انخفاض الإضاءة، إلى تغميق الصور بالقرب من الزوايا. وقد يكون هذا التأثير ملحوظاً مع العدسات ذات الزاوية الواسعة.
• قد تُمثل دقة التعريض مشكلةً في الكاميرات الأوتوماتيكية بالكامل، وفي كاميرات الفيديو التي لا تُتيح إمكانيةً تُذكر لتعديل درجات الألوان بعد التعريض. بل إن بعضها مزود بخاصية "ذاكرة التعريض": فقد يتغير التعريض بعد ظهور أجسام شديدة السطوع أو شديدة الظلام في المشهد.
• الانحراف اللوني الجانبي (LCA)، ويُسمى أيضاً "تداخل الألوان"، بما في ذلك التداخل البنفسجي ، هو انحراف في العدسة يتسبب في تركيز الألوان على مسافات مختلفة من مركز الصورة. ويكون أكثر وضوحاً بالقرب من زوايا الصور. ويزداد الانحراف اللوني الجانبي سوءاً مع العدسات غير المتماثلة، بما في ذلك العدسات فائقة الاتساع، والعدسات المقربة الحقيقية، وعدسات التكبير. ويتأثر بشدة بعملية إزالة التداخل اللوني .
• يُعدّ توهج العدسة ، بما في ذلك "الوهج المُحجب"، ضوءًا مُشتتًا في العدسات والأنظمة البصرية ناتجًا عن انعكاسات بين عناصر العدسة والسطح الداخلي للعدسة. وقد يُسبب ضبابية في الصورة (فقدان تفاصيل الظلال والألوان) بالإضافة إلى ظهور صور "شبحية" قد تحدث في وجود مصادر ضوء ساطعة في مجال الرؤية أو بالقرب منه.
• تموج الألوان هو تدرج لوني اصطناعي يظهر في الصور ذات الأنماط المتكررة ذات الترددات المكانية العالية، مثل الأقمشة أو الأسوار الخشبية. ويتأثر هذا التموج بحدة العدسة، ومرشح منع التعرج (المرشح الترددي المنخفض) الذي يُخفف من حدة الصورة، وبرامج إزالة التداخل اللوني . ويكون في أسوأ حالاته مع العدسات الأكثر حدة.
• يمكن أن تتسبب البرامج  (وخاصة العمليات التي يتم إجراؤها أثناء تحويل RAW) في حدوث تشوهات بصرية كبيرة، بما في ذلك ضغط البيانات وفقدان الإرسال (مثل JPEG منخفض الجودة )، وزيادة حدة "الهالات" وفقدان التفاصيل الدقيقة ذات التباين المنخفض.

• الشيخ، إتش آر؛ بوفيك، إيه سي ، مناهج نظرية المعلومات لتقييم جودة الصورة. في: بوفيك، إيه سي، دليل معالجة الصور والفيديو. إلسيفير، 2005.
• غوانغي تشين، ستيفان كولومب، طريقة لتقييم جودة الصورة المرئية بناءً على ميزات SIFT، 85-97 JPRR
• حسين ضيائي نافجي، أتينا شاهكولائي، رشيد هدجام، محمد شرييت، مؤشر تشابه الانحراف المتوسط: أداة فعالة وموثوقة لتقييم جودة الصور المرجعية الكاملة. في: IEEE Access. IEEE