block matching

مطابقة الكتل: إيجاد أقرب تطابق في الإشارات

مطابقة الكتل هي تقنية قوية في معالجة الإشارات تتضمن البحث عن أقرب تطابق بين كتلة من البيانات في إشارة واحدة وكتلة بنفس الحجم في إشارة أخرى (أو جزء مختلف من نفس الإشارة). تجد هذه التقنية تطبيقات في مجالات متنوعة بما في ذلك ضغط البيانات، تقدير الحركة، التكميم المتجه، ومطابقة النماذج.

جوهر مطابقة الكتل:

تخيل إشارتين - إحداهما تمثل إطارًا فيديو والأخرى، الإطار السابق. تهدف مطابقة الكتل إلى العثور على أفضل تطابق لكتلة صغيرة (مثل 8x8 بكسل) في الإطار الحالي داخل منطقة بحث محددة في الإطار السابق. يتم تنفيذ هذا البحث من خلال مقارنة الكتلة المختارة بجميع الكتل الممكنة داخل منطقة البحث، وحساب مقياس تشابه بينها.

قياس القرب:

يتم تحديد "القرب" بين الكتل عادةً باستخدام:

• الترابط: يقيس مدى تباين إشارتين معًا. يشير الترابط الأعلى إلى تطابق أقوى.
• مقياسات الخطأ: تكمّن الفرق بين كتلتين. تشمل الأمثلة:
• متوسط ​​خطأ التربيع (MSE): يحسب متوسط ​​الفرق التربيعي بين البكسلات المقابلة. يشير MSE الأقل إلى تطابق أفضل.
• مجموع الاختلافات المطلقة (SAD): يحسب مجموع الاختلافات المطلقة بين البكسلات المقابلة. يشير SAD الأقل أيضًا إلى تطابق أفضل.

عملية البحث:

يتم إجراء البحث عن أفضل تطابق عادةً داخل نطاق بحث محدد. يحدد هذا النطاق أقصى إزاحة يمكن اعتبارها، مما يحد من منطقة البحث. تستكشف خوارزمية البحث، التي غالبًا ما تستخدم استراتيجيات مثل البحث الشامل أو البحث الهرمي، نطاق البحث للعثور على الكتلة ذات أعلى ارتباط أو أقل مقياس خطأ.

تطبيقات مطابقة الكتل:

• ضغط البيانات (تقدير الحركة): في ضغط الفيديو، تعتبر مطابقة الكتل ضرورية لتحديد واستغلال الحركة بين الإطارات. من خلال العثور على أفضل تطابق في الإطار السابق، يمكن للمُشفّر تمثيل الإطار الحالي بكفاءة، ونقل معلومات الحركة فقط (مثل نواقل الإزاحة) بدلاً من الصورة بأكملها. هذا يقلل بشكل كبير من متطلبات نقل البيانات.
• التكميم المتجه: تُستخدم مطابقة الكتل في التكميم المتجه لتجميع كتل البيانات المماثلة معًا. يسمح هذا بتمثيل البيانات بكفاءة باستخدام مجموعة محدودة من كلمات الشفرة.
• مطابقة النماذج: تحديد نمط معين (نموذج) داخل إشارة أكبر. على سبيل المثال، في معالجة الصور، يمكن استخدام مطابقة الكتل للعثور على كائنات أو ميزات في صورة من خلال مقارنة النموذج مع كتل مختلفة في الصورة.

القيود:

• تعقيد الحساب: يمكن أن تكون عمليات البحث الشاملة مكلفة من الناحية الحسابية، خاصة بالنسبة لأحجام الكتل الكبيرة ونطاقات البحث.
• أثار الكتل: يمكن أن يؤدي استخدام كتل ذات حجم ثابت إلى ظهور آثار كتلة في الصور المُعاد بناؤها، خاصة في المناطق ذات الحركة المعقدة.
• الحساسية للضوضاء: يمكن أن تكون مطابقة الكتل حساسة للضوضاء في الإشارة، مما قد يؤدي إلى تطابقات غير دقيقة.

الاستنتاج:

مطابقة الكتل أداة قيمة في معالجة الإشارات، وتوفر طريقة فعالة من الناحية الحسابية للعثور على تطابقات قريبة بين كتل البيانات. تنتشر تطبيقاتها في مجالات متنوعة، مما يمكّن من تحقيق تقدم كبير في ضغط البيانات، تقدير الحركة، والمجالات الأخرى ذات الصلة. على الرغم من وجود بعض القيود، فإن البحث المستمر يستكشف تقنيات مطابقة الكتل الأكثر قوة وكفاءة لمعالجة هذه التحديات.