أنظمة التلفزيون الرقمي المتقدمة

ح

التلفزيون الرقمي عبارة عن نظام تحول فيه الإشارات التلفزيونية إلى شكل رقمي ومضغوط ومتصل بالمشاهدين من خلال أجهزة فك الضغط وإعادة تحويل الإشارة الرقمية، وعند استخدام التلفزيون الرقمي مع الضغط فإنه يناسب عشر قنوات رقمية في كمية التردد المطلوبة لإرسال قناة تناظرية واحدة. وبذلك يدعم التلفزيون الرقمي التفاعلية ويقدم سعة محسنة لجودة الصورة المنقولة ويقدم خيارات أكبر في البرمجة.

الضغط ( Compression )

الضغط يطلق عليه أيضا مسمى تخفيض البيانات حيث أنه يقوم بخفض حجم البيانات بواسطة استغلال حالات الفصل وغيرها في البيانات. بعض تقنيات الضغط تسمح باستعادة المعلومات الاصلية بدون خسارة ( lossless compression )  ومثال عليها: ملفات رسومات ( GIF ) – ملفات  ZIP - صيغ الملفات التي حفظت باستخدام الـLZ algorithm . وهناك صنف آخر من تقنيات الضغط يؤدي إلى بعض الخسارة الغير قابلة لإسترداد المعلومات وهي  (lossy compression )، ومثال عليها :ملفات صورية  ( JPEG )- ملفات ( MPEG )- ملفات ( MP3 ) التي تستخدم للصوت والفيديو. 

هنالك سببان رئيسيان يعززان من استخدام الضغط وهما:

• اولا: الملفات المضغوطة تأخذ مساحة أقل عند التخزين بعكس الملفات الغير مضغوطة.
• ثانيا: الملفات المضغوطة ترسل بسرعة .

1. الضغط باستخدام تقنية Lossless Compression  

يسمح باستعادة البيانات الاصلية. وهناك نوعان من هذ الصنف من الضغط:

• أولا: run-length coding

هو ابسط شكل من الضغط lossless للبيانات الرقمية، هذا التشفير يتضمن اكتشاف السلاسل من الأصفار أو الواحد وتبديل كل سلسلة بعدد المرات التي تكرر في الرقم في السلسلة مثال:

الرسالة 100-bit التي بهذا الشكل :

11000111....1111

تدل النقاط على تكرار العدد 1

نسبة الضغط  ( compression rate ) : هو عدد الـ bits  في الرسالة الاصلية مقسومة بواسطة العدد في الرسالة المضغوطة.

• ثانيا: LZ algorithm

هو مثال آخر من الضغط lossless يستخدم في العديد من طرق ضغط أساسيات برامج مثال: البرنامج PKZIP.

2. الضغط باستخدام تقنية Lossy Compression 

يسمح بضغط ملفات الصوت والصورة التي ليس من المناسب ضغطها باستخدام الضغط lossless. حيث الضغط lossy طور بحيث يستغل الحقيقة لأي مستمع أو مشاهد لنسخة مضغوطة ليس من واجبها ان تكون مماثلة للاصلية، أي كمية كبيرة من التخفيض يمكن ان تحدث قبل ان تصبح التاثيرات ملحوظه للعين، الاذن والدماغ.

حديث البشر (human speech) : يحتوي على مدى للترددات تصل إلى حوالي 12 kHz  ، و لكن الحديث يبقى مفهوما ما دامت الترددات أعلى من 4 kHz قد أزيلت، وبإزالت هذه الترددات يصبح من الممكن ضغط الحديث إلى قناة 4 kHz وترسل ثلاث مرات كالعديد من المحادثات على طول نفس السلك. النظام البصري الإنساني أيضا يعطي فرص من أجل إزالة الفصل كما هو موضح بالتلفزيون الرقمي الحديث.

بعض معايير ضغط الصورة الحالية الرئيسية تتضمن :

• JPEG للصورة الثابتة
• MPEG للفيديو
• MP3 للصوت
• H.320 للمؤتمرات بالفيديو

ضغط الصور الثابتة

1. تحويل الجيب تمام المتقطع  Discrete Cosine Transform

هناك العديد من التحويلات الرياضية التي تستخدم لفك ارتباط عناصر الصورة ويبرز تحويل الجيب تمام المتقطع بأنه الأفضل في مجال اكتناز طاقة الصورة في عدد قليل جدا من معاملات التحويل. مصفوفة التحويل تمتاز بأنها تمتلك القيمة الأعظم في الزاوية العليا اليسرى وتقل قيم المعاملات باتجاه اليمين أو الأسفل. تمثل المعاملات القريبة من الزاوية العليا اليسرى من مصفوفة التحويل مركبات التردد الواطئ (الصورة المرخمة) في حين تمثل المعاملات الباقية مركبات التردد العالي (الحافات). لتحقيق نسبة ضغط معينه للبيانات فان قسم من معاملات التردد العالي سوف تقطع ويجري معكوس التحويل الرياضي لنحصل على صورة تختلف بعض الشيء عن الصورة الأصلية بسبب اقتطاع قسم من المعاملات. تتحقق نسبة ضغط البيانات إذا كان عدد البتات المستخدمة لترميز عناصر الصورة الناتجة اقل من عدد البتات المستخدمة لترميز عناصر الصورة الأصلية.

2. التكميم Quantization

إذا أردنا إرسال المعلومات من مصدر مستمر خلال قناة رقمية فان مخرج المصدر يجب ان يمثل بمجموعة متقطعة من المتغيرات والتي يمكن أن تشفر. الطريقة المتبعة في هذه الحالة هي نمذجة مخرج المصدر المستمر في فترات قياسية وبعد ذلك تكميم العينات في السعة. الأخطاء التي تنشأ من النمذجة والتكميم ترتبط بحقيقة كون القناة الرقمية ذات عدد محدد من الثنائيات الممكنة في أي فترة زمنية معطاة، لذلك فأن نسبة النمذجة العالية تتضمن تكميم ملائم والعكس بالعكس. عملية التكميم هي مقارنة سعة الإشارة مع مجموعة من المستويات التي تدعى مستويات التقرير، إذا كانت السعة تقع بين مستويي تقرير فأنها تكمم إلى مستوى مستدرك ثابت يقع في حزمة التكميم. إذا كانت كثافة الاحتمالية للعينة منتظمة فان المستويات المقررة سوف تكون بفاصلة منتظمة، وإذا كانت كثافة الاحتمالية للعينة غير منتظمة فأن المستويات المقررة سوف تكون ضيقة في مناطق السعة العالية وعريضة في مناطق السعة الواطئة.

ضغط الفيديو والصوت والصور المتحركة

1. MPEG-1

هذا الامتداد هو الأكثر شيوعاً واستخداماً لكونه يعمل على معظم الأجهزة ولا يحتاج لجهاز ذو متطلبات تقنية عالية لقرائته. هذا الامتداد ينتج عن طريق مزامنة الصوت مع الفيديو ومن ثم ترميز الفيديو (بدون تشبيك) ويتم ترميز الصوت بإحدى الترميزات التالية (MP1/MP2/MP3) ومن ثم إجراء التوافق

الاستخدام: عمل أقراص الفيديو VCD

2. MPEG-2

هذا الامتداد أكثر تطوراً وتعقيداً وبالتالي فهو لا يعمل على أي جهاز إلا إن كان يحوي المتطلبات التقنية المطلوبة. هذا الامتداد ينتج عن طريقة ترميز فيديو معقدة جداً تتم في أكثر من خطوة ويتم ترميز الصوت بإحدى ترميزات الـMPEG-1  ومن ثم يتم إعادة ترميزها للتوزع على عدة قنوات صوتية وأخيراً يتم ترميزها بترميز AAC والشبيه بالـMP3  قليلا.

الترميز على عدة قنوات هو اللي يخليك لما تشاهد فلم يكون الصوت مقسم على السماعات بحيث تسمع الصوت مرة من اليمين ومرة في اليسار وبحد أعلى 5 اتجاهات

الاستخدام: عمل أقراص ديفيدي DVD

3. MPEG-3

هذا الامتداد استخدم لغايات اكتشف أنه يمكن الوصول إليها بواسطة التقنية السابقة MPEG-2 لذا فقد توقف العمل عنها ولا يوجد لها أي استخدام وكذلك الحال مع الكثير من الامتدادات كالـMPEG-5 وMPEG-6  وغيرها.

4. MPEG-4

ابتكرت هذه التقنية لعدة اسباب منها محاربة انتهاك حقوق الملكية وكذلك تطوير ترميز ذو جودة أعلى ودعم أكبر للكثير من التقنيات المتطورة كالتلفاز الرقمي والرسوميات المتطورة ولازالت هذه التقنية في تطور حتى الآن وهي تحوي 23 قسماً أشهرها القسم 14 والذي يطلق عليه MP4 ، والذي لاينحصر على الفيديو فقط بل من الممكن أن يكون صوتاً أيضاً.

الاستخدام: متنوع (الانترنت – الجوال – الأجهزة الكفية)

5. MPEG-7

تقنية جديدة ومتطورة محدودة الانتشار على مجالات معينة:

• المكتبات الرقمية: مثل المكتبات الموسيقية ومكتبات الفيديو ومكتبات الصور
• دليل الخدمات المتعددة الوسائط: مثل الصفحات الصفراء
• برامج الإعلام الاختيارية: مثل إذاعات الراديو وقنوات التلفاز المدفوعة
• التحرير المتعدد الوسائط: مثل خدمة الأخبار الشخصية الإلكترونية
• الخدمات الأمنية: مثل مراقبة حركة السيارات
• التجارة الإلكترونية: مثل عملية تفتيش المنتجات
• الخدمات الثقافية: كالمتاحف والمعارض الفنية
• الخدمات التعليمية
• الخدمات الطبية الحيوية

6. MPEG-21

وهي تقنية سابقة لأوانها تهدف لتسجيل الحقوق لكل شيء ويتم مراجعة جميع التعاملات من حقوق وتصاريح وحتى الأشياء المجانية لها حقوق.

أنظمة معدل الإطارات

إذا كنت تمتكلك عدد أكبر من الاطارات التي تم تصويرها في كل ثانية فهذا يعني إمكانية عرض صور بالتصوير البطيء تظهر أكثر واقعية وتعني أيضاً امكانية التخلص من مشكلة التشويش الناتج أثناء الحركة السريعة والعديد من المزايا الأخرى.

معدل اطارات ثابت: يعني أنه طوال مدة عرض الفيديو فأنك تشاهد عدداً ثابتاً من الإطارات كل ثانية وهذا هو النظام الشائع استخدامه في الملفات عالية الجودة.

معدل اطارات متغير: يعني أن الإطارات التي يتم عرضها كل ثانية يتغير عددها حسب الحاجة ويكثر استخدام هذا النظام عند الحاجة إلي ضغط حجم الفيديو خصوصاً إذا كان الفيديو يحتوي على الكثير من المشاهد الثابتة.

أنواع الإطارات

قد تحتاج إلي معرفة أنواع الإطارات لأنها الطريقة الأمثل للمقارنة بين انكود لملف فيديو وانكود آخر لنفس الفيديو وهي بمقارنة إطار من الانكود الأول بإطار مطابق له في الانكود الثاني ولن تستطيع اتخاذ القرار المناسب فيما يخص الجودة الأكبر إلا بمعرفة نوع الإطار المستخدم في المقارنة. كذلك إذا كنت تريد تقطيع ملف فيديو دون الحاجة إلي عمل انكود له بحيث لا تتأثر الجودة فإنه للقيام بمثل تلك العملية سيتم القطع بإستخدام "الكي فريم فقط" .. مثال على ذلك القص ببرنامج ام كي في ميرج. خلاصة القول أنه كلما تعمقت أكثر في مجال الفيديوهات كلما زاد احتياجك بمعرفتك لأنواع الإطارات والفرق بينها. وفيما يلي عرض لأنواع الإطارات:

الصورة كاملة الشفرة : I Frames - Intra-coded Pictures

تحتوي الاطارات من هذا النوع على المعلومات الخاصة بالصورة المعروضة كاملة بمعني أنها لا تعتمد أى بيانات موجودة في أى اطار آخر وبهذا تكون الأكبر لضعف قابليتها للضغط.

الصورة المتوقعة : P Frames - Predicted Pictures

تستخدم في تكوين الصورة بيانات من الإطار السابق عرضه وبهذا تكون أكبر قابلية للضغط.

الصورة ثنائية التوقع : B Frames Bi-Predicted Pictures

تسخدم في تكوين الصورة بيانات من الإطار الذي يسبقها والإطار الذي يليها وبهذا فإن هذا النوع من الاطارات هو الأكبر قابلية للضغط والأصغر في المساحة.

المراجع

• إذاعة تطبيقات الوسائط المتعددة والبيانات للاستقبال المتنقل في المستقبلات المحمولة باليد، الاتحاد الدولي للاتصالات، 2007م.
• مجلة العلوم، التلفزيون الرقمي، ليم، 1996م.
• بلوج سبوت، معايير جودة ملفات الفيديو، 2015م

موسوعات ذات صلة :

• موسوعة تلفاز