ملخص التمثيل الرقمي وضغط الفيديو — أولى ثانوي

مقدمة

الوحدة السادسة: تصميم المعلومات — الموضوع 6-9

الفيديو في الحقيقة صور ثابتة تُعرض بسرعة كبيرة واحدة بعد الأخرى، فتخدع عينك وتراها حركة متصلة. لكن إذا كانت الصورة الواحدة بضعة ميجابايت، فكم يكون حجم فيلم كامل؟ ولماذا نستطيع مشاهدة الفيديو على الإنترنت بسهولة رغم ذلك؟ الإجابة: الضغط.

أهداف التعلم

أن تشرح آلية الفيديو وتعرّف الإطار ومعدل الإطارات.
أن تحسب حجم بيانات فيديو غير مضغوط.
أن تعرّف الضغط وفك الضغط وتحسب نسبة الضغط.
أن تفرق بين الضغط غير الفاقد والفاقد.
أن تطبق ترميز طول التشغيل وتشرح فكرة ترميز هوفمان.

شرح الدرس

آلية الفيديو

الفيديو (Video): وسط إلكتروني يُحدث وهم الحركة بعرض سلسلة من الصور الثابتة متتابعة، مستفيدًا من ظاهرة الصورة الباقية في الرؤية البشرية (بقاء أثر الصورة في العين لحظة بعد اختفائها).
الإطار (Frame): صورة واحدة من سلسلة الصور المتتابعة.
معدل الإطارات (Frame rate): عدد الإطارات المعروضة في الثانية، ووحدته fps. كلما ارتفع بدا الفيديو أنعم، لكن زاد حجم البيانات.

حجم بيانات الفيديو = حجم بيانات الصورة الواحدة (بايت) × معدل الإطارات (fps) × الزمن (ثانية)

ضغط البيانات

الضغط (Compression): تقليل حجم البيانات قدر الإمكان مع الحفاظ على محتواها.
فك الضغط (Decompression): استعادة البيانات المضغوطة إلى حالتها الأصلية.
نسبة الضغط = (الحجم بعد الضغط ÷ الحجم الأصلي) × 100%

كلما صغرت نسبة الضغط كان الضغط أقوى.

الضغط غير الفاقد والضغط الفاقد

النوع	هل نستعيد الأصل كاملًا؟	الاستخدام
الضغط غير الفاقد (Lossless)	نعم، استعادة كاملة	النصوص والبرامج (لا نحتمل ضياع حرف واحد)
الضغط الفاقد (Lossy)	لا، يُحذف جزء من البيانات	الصوت والصور والفيديو، بطريقة لا يلاحظ الإنسان فيها فرقًا كبيرًا

طرق الضغط غير الفاقد

1) ترميز طول التشغيل (Run-length encoding): يستبدل الرموز المتطابقة المتتالية بالرمز وعدد تكراره. ويكون فعالًا عندما تكثر الرموز المتكررة المتتالية.

قبل الضغط: AAAAABBAAAABBBBBBBBAAAAAA (25 حرفًا).
التحليل: خمسة A، ثم اثنان B، ثم أربعة A، ثم ثمانية B، ثم ستة A.
بعد الضغط: A5B2A4B8A6 (10 أحرف).
نسبة الضغط: $\frac{10}{25} \times 100\% = 40\%$ .

2) ترميز هوفمان (Huffman coding): يعطي الحروف الأكثر تكرارًا شفرات ثنائية أقصر، والحروف الأقل تكرارًا شفرات أطول؛ فيقل الحجم الكلي. فكرته تشبه اختصار الكلمات التي نستخدمها كثيرًا في الرسائل.

أمثلة وتطبيقات

مثال: فيديو قصير غير مضغوط مدته 10 ثوانٍ، معدل إطاراته 30 fps، وحجم الإطار الواحد 921,600 بايت (صورة $640 \times 480$ بألوان 24 بت):

921{,}600 \times 30 \times 10 = 276{,}480{,}000

أي $276{,}480{,}000$ بايت، وهو نحو $263.7$ ميجابايت لعشر ثوانٍ فقط! ولذلك يُضغط الفيديو دائمًا ضغطًا فاقدًا قبل حفظه أو إرساله.

مثال على RLE في الصور: صورة بخلفية بيضاء كبيرة تحتوي تتابعات طويلة من البكسلات البيضاء، فيضغطها ترميز طول التشغيل بكفاءة عالية.

ملاحظات مهمة

لا نستخدم الضغط الفاقد مع ملف نصي أو برنامج؛ فضياع جزء صغير يفسد المعنى أو يعطل البرنامج.
ترميز طول التشغيل قد يزيد الحجم إذا لم تكن هناك تكرارات؛ فالنص ABC يصبح A1B1C1.
نسبة الضغط 40% تعني أن الحجم صار 40% من الأصل، أي وفّرنا 60%.

المفاهيم الأساسية

الفيديو صور ثابتة متتابعة تعتمد على ظاهرة الصورة الباقية.
حجم الفيديو = حجم الإطار × معدل الإطارات × الزمن.
نسبة الضغط = الحجم بعد الضغط ÷ الحجم الأصلي × 100.
الضغط غير الفاقد يستعيد الأصل كاملًا (نصوص وبرامج)، والفاقد لا يستعيده (صوت وصور وفيديو).
ترميز طول التشغيل يختصر التكرارات المتتالية، وترميز هوفمان يعطي الأكثر تكرارًا شفرات أقصر.

ملخص الدرس

الفيديو سلسلة إطارات تُعرض بمعدل معين في الثانية، وحجمه غير المضغوط ضخم جدًّا، لذلك نضغطه. ويوجد ضغط غير فاقد يستعيد البيانات كاملة مثل ترميز طول التشغيل وترميز هوفمان، وضغط فاقد يحذف ما لا يلاحظه الإنسان ويُستخدم للوسائط، ونقيس قوة الضغط بنسبة الضغط.

أسئلة للتدريب

عرّف الإطار ومعدل الإطارات.
احسب حجم فيديو مدته 5 ثوانٍ بمعدل 24 fps، وحجم الإطار 100,000 بايت.
اضغط النص WWWWWWBBBWWWW بترميز طول التشغيل، واحسب نسبة الضغط.
لماذا يُستخدم الضغط غير الفاقد مع النصوص والبرامج؟
ما فكرة ترميز هوفمان؟