[Video 101][مقدمة في أنظمة الألوان]

[knary]

بسم الله الرحمن الرحيم

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

اليوم الكلام زي ما هو واضح من العنوان عن أنظمة الألوان وكيفية تركيبها
الموضوع مهم بالنسبة للمنتج وبيجي وقت في المستقبل الواحد لازم يعرف معاني بعض المصطلحات
ومن خلاله يقدر يكتشف أسباب بعض الأخطاء

الموضوع من كتابة : knary و USB 3.0
بعض الأشياء الأساسية تعرفها قبل ما نبدأ الكلام


أولا: الپكسل

علشان ما نطول فيه ،، كل صورة تتكون من مربعات نقطية صغيرة
الواحدة منها اسمها پكسل
لالاستزادة في موضوع مقاسات البكسل راجع هذا الرد





ثانيا: وحدات قياس الذاكرة

بت ،، اصغر وحده قياس وهي إما صفر أو واحد بلغة الحاسب
بايت ،، وهو عبارة عن 8 بت
كيلو بايت ،، 1024 بايت
وأنت ماشي طول الطريق



~:~:~ نظام ألوان RGB ~:~:~

هذا النظام عبارة عن أبسط الأنظمة في الفكرة
في هذا النظام كل صورة تتكون من تركيب 3 طبقات لونية
Red,Green,Blue ،،، أحمر،أخضر،أزرق
هذه النظرية تعتمد على إضافة الأضواء الملونة إلى بعضها البعض كما في الصورة التمثيلية التالية لتكوين الألوان

لذلك فهي تستخدم لشاشات عرض الكمبيوتر
فإن أردنا تكوين الصورة التالية عن طريق نظام RGB


فإن الطبقة الحمراء ستكون كالتالي:


والخضراء:



والزرقاء:


وعند جمعها معًا نحصل على الصورة:


يجب أن يفرق المنتج بين النظرية القديمة RYB والتي تعتمد الألوان الأحمر والأصفر والأزرق ألوانا أساسية
والتي لا تزال تدرس في مجال الفنون
وبين نظرية الألوان الجمعية أو RGB
هذا النظام هو اللي مستخدم في الشاشات لكن مو هو النظام اللي يستخدم دائما لنقل الصور والفيديو
>> وهذا اللي بوضحه بعدين

طيب حنا كلنا قد سمعنا عن RGB24 , RGB32
هذا معناها إن كل پكسل يحجز بالذاكرة 24 بت
بحيث كل لون من ال 3 ألوان يحجز 8 بت
8 × 3 = 24 بت
ونفس الشيء ينطبق على RGB32 لكن 4 ألوان بدلا من 3
حيث أن اللون الرابع هو للشفافية ،، لكنه عديم الفائدة ،، يعني لا تشغل بالك
وطالما ان كل لون يحجز 8 بت ،،، بعمليه حساب 2 مرفوعاً للاس 8 يكون الناتج 256
أي أن كل لون يمكن تدريجه الى 256 درجة تبدأ من قيمة الصفر وحتى ال 255

المهم ،، بما انك عرفت الحجم اللي يأخذه الپكسل الواحد ،،
تقدر من خلاله تحسب حجم الصورة كاملة قبل ما تحفظها بعملية الضرب:
الطول×العرض×عدد البت لكل پكسل
ولا تنسى أن الناتج بوحدة البت،، لذلك تحتاج إلى تحويله إلى البايت بالقسمة على 8
وأيضا التحويل إلى كيلو بايت بالقسمة على 1024

بس لو واحد جاء مسوي ذكي ،، وقال انه في برنامج الرسام ضرب دهان ازرق على الشاشة كلها
معناها الأزرق موجود وباقي الألوان مختفية ،، هل يتغير شي
يعني صارت الصورة مركبة من لون واحد،، أليس من المفترض أن يقل الحجم ؟
الجواب ،، لا ،، لا يتغير شي لأن عدم وجود اللون الأحمر والأخضر يحتوي أيضا على معلومات تمثل ب 8 بت

وطبعا طالما أن هذا النظام يحتوي على جميع التدرجات اللونية
فهو الغالب المستخدم في أكواد الـLossless
وهذا أسباب الحجم الكبير في حاله الضغط بهذي الأكواد لأنه يستهلك 24 بت لكل پكسل

وفي الـRGB يمكن وضع الأبعاد التي تريدها للصورة دون قيد،، وذلك يرجع الى عدم وجود علاقات بين الپكسلات المتجاورة




~:~:~ نظام ألوان CMYK ~:~:~

وهي المسماة في الغالب بالألوان الطباعية
لأنها المستخدمة في الطابعات،، فلا يستخدم اللون الأحمر النقي ولا الأزرق النقي
لكن تستخدم الألوان
Cyan, Magenta, Yellow, and Key
السماوي ، الوردي، الأصفر ، والأسود
الألوان الموجودة في هذا النظام لها أرقام مكافئة في نظام الـRGB
لكن تستخدم للتسهيل في عملية الطباعة كما ذكرنا
والفارق هو أن عدم وجود أي من الألوان الثلاثة يولد اللون الأبيض
بينما خلطها جميعا يولد اللون الأسود
(عند عدم استخدام طبقة الـKey)
على عكس الحاصل في RGB

عندما نريد طباعة هذه الصورة


فإننا نستخدم الطبقات التالية من الـCyan والـMagenta والـYellow


وقد نستخدم الطبقات ذاتها ولكن بشكل أخف مع استخدام طبقة الـKey كما يلي:


وتستخدم هذه الطريقة لتقليل استهلاك الحبر

هذا النظام على كل حال لا يرتبط بموضوع الإنتاج ولا الفيديو ،، وإنما فقط التصميم الإعلاني





~:~:~ أنظمة ألوان YUV~:~:~

وهذه الأنظمة هي التي نراها في الـLossy Codecs وعمليات نقل الفيديو وغيرها في الحقيقة
المبدأ الذي قامت عليه التركيبات اللونية في هذا النظام هو أن العين البشرية تقوم بتميز الإضاءة والتدرجات من الأبيض إلى الأسود بشكل أقوى بكثير من تمييزها للألوان وذلك في تحديد الأجسام وما تراه
ولذلك في بداية عهد التلفاز كانوا يستخدمون الأبيض والأسود
التي كانت تعبر في الحقيقة عن تدرج الإضاءة فاستطاع المشاهد من خلالها التعرف على الصورة
ومن هذا المبدأ نشأت فكرة هذه الأنظمة بطرقها المختلفة
هذه الأنظمة تعتمد على معلومة مهمة جدا يجب أن يفهمها المنتج وهي أن هناك 3 طبقات لتكون الصورة

1- الطبقة الأساسية Y المركبة من الأبيض والأسود (السطوع) أو (Luminance )
والتي تكون كاملة التفاصيل وتحجز الحجم الأكبر من الذاكرة -ستعرف فيما بعد سبب هذا-
2- ثم طبقتان U وV من الـChrominance (الألوان) وغالبا ما تكون التفاصيل والحجم فيها أقل وتحددان الألوان

الصورة التالية مثلا نريد تفكيكها إلى مكوناتها من طبقات اللوما والكروما الثلاث:


فتكون طبقة Y أو الـLuma أو الأبيض والأسود كالتالي:


وطبقة الـU:


وطبقة الـV:


وعند جمعها تتكون الصورة بالشكل المطلوب:


في هذا النظام عن طريق مزج الطبقات كما في RGB ويتم حجز 8 بت لكل پكسل في كل طبقة
وفي الـ3 طبقات سنحصل على 3*8 = 24 بت لكل پكسل
ولكن الأمر مختلف في الواقع
فهذا النظام استخدم أساسا لتوفير الحجم وتقليله ،،
لذلك توضع بعض العلاقات لتعريف طرق الترميز في هذا النظام
وهي عدة أنواع من العلاقات التي يرمز لها بثلاثة أرقام هكذا #:#:# تعبر عن العلاقة أوY:Cb:Cr
حيث الرقم الأول يمثل Y أو السطوع أو بيانات الأبيض والأسود (اللوما)
والرقمان الآخران يمثلان الـU والـV أو بيانات الألوان (الكروما)
حيث أن Cb هي الكروما الزرقاء وتمثل بالـU
وCr هي الكروما الحمراء وتمثل بالـV
ملاحظة :: في هذه الانظمة الأزرق والاحمر ليسا هما اللونين دائما الاستخدام
فأحيانا يتم استبدالها بحسب النظام



من أشهر أنظمة الـYUV أربعة أنواع:

أولا: 4:4:4 أو Uncompressed YUV
لتسهيل الشرح ،، سنفترض أن لدينا مجموعة أو صورة ذات أبعاد 2×2 مما يعني 4 پكسل
الرقم الأول 4 وهذا يعني أن كل پكسل سيحصل على قيمة الأبيض والأسود (لوما) الخاصة به
والرقمان الآخران كذلك 4 وهذا يعني أن هناك 4 قيم مختلفة لكل من الطبقتين U وV وهذا يعني أن لكل پكسل قيمة خاصة من هذين الطبقتين

وكل پكسل سيحصل على 24 بت كاملة ( طبقة لوما 8بت + طبقة كروما 8بت + طبقة كروما 8بت)
وهذا النظام يوازي الـRGB24
إذا افترضنا أن لدينا الصورة التالية ونريد ترميزها بنظام YUV4:4:4 فستبقى كما هي بكامل تفاصيلها لأن كل پكسل حصل على قيمته الخاصة من كل الطبقات



ثانيا: 41 ويستخدم في أشرطة الـDV
في هذا النظام يتم توفير حجم البيانات بشكل كبير
الرقم الأول 4 وهذا يعني أن كل پكسل سيحصل على قيمة الأبيض والأسود (لوما) الخاصة به
والرقمان الآخران 1 وهذا يعني أن هناك قيمة واحدة لكل من الطبقتين U وV
وهذا يعني أن كل 4 پكسلات تتشارك نفس القيمة من هذين الطبقتين بشكل عرضي (1×4)

ملاحظة: القيمة المشتركة تمثل اللون المتوسط بين الپكسلات ففي هذه الحالة تصبح جميعها بلون واحد ولكن يميزها سطوعها بسبب اختلاف قيمة الـY

وبالتالي ،، لـ 4 پكسل نحصل على 4 عينات لونية سوداء وعينتان لونية ما يمثل بالمجموع 6 عينات
أي 6×8بت= 48 بت لكل مجموعة مكونه من 4 پكسل (وليس بكسل واحد)
وبالقسمة على 4 ،، يكون الناتج 12 بت لكل پكسل
إذا أردنا ترميز الصورة السابقة بواسطة هذا النظام فستكون كالتالي:


في طبقتي الكروما الموجودتين ،، يتم اخذ متوسط لوني للـ4 الوان الموجوده في الپكسلات المتراصة
وهكذا يتم خداع العين البشرية
لكن يعيب هذه الطريقة ،، هو ان الپكسلات المتراصة بشكل افقي تكون بعيدة عن بعضها بشكل كبير
وربما كان الفارق اللوني أيضا كبير مما يؤدي إلى مشاكل في الصورة لذلك تم حل المشكلة في الفقرة التالية



ثالثا: 4:2:0 المشهور باسم YV12 ويستخدم في الـDVD
هذا النظام هو المستخدم في الصور الثابتة المخزنة بصيغة Jpeg
و النظام هو المستخدم في أكواد Xvid و Divx وغيرها
حتى الـ H264 يستخدمها في البروفايلات المنخفضة الموجودة حاليا
من ناحية المبدأ فهي تشارك 41 وإنما بتغير في طريقة ترتيب البيانات أثناء التخزين وتكوين المجموعات
فيتم تشارك الألوان بين 4 پكسلات على شكل مربع (2×2) بدلا من أن تكون متراصة
وهكذا تم تحسين الجودة وحل المشاكل السابقة

وبناءً على هذا التغير، تغير الترميز من 41 إلى 4:2:0
ويتم تخزين الپكسل الواحد ب 12 بت كما يحدث في 41
لكن نظرا لاستخدام تقنيات الضغط في هذه الأكواد فلا يمكن عزل مجموعة من 4 (2×2) پكسل بشكل مستقل
وإنما يتم عزل 16×16 پكسل في أنظمة xvid و divx
ويمكن عزل 8×8 و 4×4 پكسل في ال H264
ولذلك تظهر الأخطاء المعروفة أثناء الإنتاج عندما يخبرك البرنامج بأن الأبعاد لا يمكن إنتاجها
عند ترميز الصورة المثال بهذا النظام فإن الناتج سيكون كالتالي:


بالمناسبة ذكرنا أن الشاشة لا تعرض سوى ال RGB وهذا ما يحدث أثناء تشغيلك للفيديو
حيث تتم عملية تحويل من ال YV12 إلى RGB حتى تعرض على الشاشة




رابعا: 4:2:2 ويستخدم في أشرطة الـDigibeta
وهذا هو ما سيأتي في المستقبل المنظور بإذن الله في كوديك ال H264
حيث لم تكن ممكنة سابقاً في غيره من Codecs وذلك لازدياد سعات التخزين كما في أقراص الـBlueRay
كل ما في الأمر انه التفاصيل اللونية يتم زيادتها وبدلا من أن يقوم كل 4 پكسل بمشاركة اللون
يتم مشاركته من قبل 2 پكسل
استخدام هذا النوع كما ذكرنا يتطلب زيادة بالحجم
بحيث أننا لو استخدمنا مجموعة من 4 پكسل فسنحصل على 4 عينات سوداء و 4 عينات ملونة

أي 8 عينات لكل 4 پكسل
أي عينيتان لونيتان لكل پكسل
2×8بت = 16 بت لكل پكسل
وهذا يعني زيادة 33% في الحجم
عند ترميز الصورة المثال بهذا النظام فإن الناتج سيكون كالتالي:


ويطلق على هذا النظام YUY2
وبالتأكيد فإن عملية رفع الجودة من نظام YV12 إلى YUY2 هي عديمة الجدوى لأن التفاصيل الاساسية تم فقدها مسبقاً
الجدير بالذكر أن البث HD يستخدم قيمة تتراوح بين 4:4:4 و4:2:2



~:~:~:~:~:~:~

هذا والله اعلم
واحب اهدي هذا الموضوع لرونقة الحياة و كل من يعز علي