ناصر أحمد رائد خوارزميات الضغط الرقمي

توقف للحظة وفكر في الإنترنت بدون صور رقمية أو فيديو. لن يكون هناك وجوه على الفيسبوك. ربما لن يكون Instagram و TikTok موجودين. تلك الاجتماعات عبر تطبيق Zoom التي حلت محل التجمعات الشخصية للمدرسة أو العمل خلال ذروة جائحة كوفيد-19؟ ليس خيارا.

إن مكانة الصوت الرقمي في عالمنا المتصل بالإنترنت لا تقل أهمية عن الصور الثابتة والفيديو. لقد غيرت صناعة الموسيقى — من الإنتاج إلى التوزيع إلى الطريقة التي يشتري بها المعجبون أغانيهم المفضلة ويجمعونها ويخزنونها.

ما هو القاسم المشترك بين ملايين الملفات الشخصية على LinkedIn، وتطبيقات المواعدة، ومنصات الوسائط الاجتماعية (والاختيار الذي لا ينضب من الموسيقى المتاحة للتنزيل عبر الإنترنت)؟ يعتمدون على خوارزمية ضغط تسمى تحويل جيب التمام المنفصل، أو DCT، والتي لعبت دورًا رئيسيًا في السماح بنقل الملفات الرقمية عبر شبكات الكمبيوتر.

يقول توراج إبراهيمي، الأستاذ في كلية الفنون التطبيقية الفيدرالية في لوزان في سويسرا، والذي يشغل حاليًا منصب رئيس لجنة توحيد معايير JPEG: “لقد كان DCT أحد المكونات الرئيسية للعديد من خوارزميات ترميز الصور والفيديو السابقة لأكثر من ثلاثة عقود”. ويضيف: “لا يوجد اليوم سوى عدد قليل من معايير ضغط الصور التي لا تستخدم تقنية DCT”.

إن تطبيقات الإنترنت التي يستخدمها الناس كل يوم، والتي يعتبرونها أمرا مفروغا منه إلى حد كبير، أصبحت ممكنة بفضل العلماء والمهندسين الذين عملوا في أغلب الأحيان دون الكشف عن هويتهم. أحد هذه “الشخصيات الخفية” هو ناصر أحمد، المهندس الهندي الأمريكي الذي اكتشف طريقة أنيقة لتقليص حجم ملفات الصور الرقمية دون التضحية بتفاصيلها المرئية الأكثر أهمية.

نشر أحمد بحثه الرائد حول خوارزمية ضغط تحويل جيب التمام المنفصلة التي اخترعها في عام 1974، وهو الوقت الذي كانت فيه شبكة الإنترنت الوليدة تعتمد حصريًا على الاتصال الهاتفي والنص. ولم تكن هناك صور مصاحبة للكلمات، ولم يكن من الممكن أن تكون هناك أي صور، لأن بيانات الإنترنت كانت تُنقل عبر الخطوط الهاتفية الأرضية النحاسية القياسية، وهو ما كان يمثل قيدًا كبيرًا على السرعة وعرض النطاق الترددي.

“لا يوجد اليوم سوى عدد قليل من معايير ضغط الصور التي لا تستخدم تقنية DCT.” -تراج ابراهيمي، EPFL

في هذه الأيام، ومع الاستفادة من الرقائق فائقة السرعة وشبكات الألياف الضوئية، تصل سرعات تنزيل البيانات لجهاز كمبيوتر محمول متصل بالألياف إلى 1 جيجابت في الثانية. لذلك، يمكن لمحبي الموسيقى تنزيل أغنية مدتها أربع دقائق على جهاز الكمبيوتر المحمول الخاص بهم (أو على الأرجح الهاتف الذكي) في ثانية أو ثانيتين. في عصر الاتصال الهاتفي، عندما بلغت سرعات التنزيل لمستخدمي الإنترنت 56 كيلوبت في الثانية (وكانت عادة نصف هذه السرعة فقط)، كان سحب نفس الأغنية من الخادم يستغرق يومًا كاملاً تقريبًا. كان الحصول على صورة لتظهر على شاشة الكمبيوتر بمثابة عملية تشبه مشاهدة العشب ينمو.

كان أحمد مقتنعًا بضرورة وجود طريقة لتقليل حجم الملفات الرقمية وتسريع العملية. لقد انطلق في مسعى لتمثيل ما هو مهم لجعل الصورة مقروءة باستخدام الآحاد والأصفار، مع إهمال الأجزاء الأقل أهمية جانبًا. استغرقت الإجابة، التي بنيت على العمل السابق لعالم الرياضيات ورائد نظرية المعلومات كلود شانون، بعض الوقت لتصبح موضع التركيز. ولكن بسبب إصرار أحمد وإيمانه الراسخ بقيمة ما كان يفعله، فقد ثابر حتى بعد أن سمع من الآخرين أن الأمر لا يستحق كل هذا الجهد.

نشأت على حب التكنولوجيا

يبدو أنه كان من المحتم أن يعمل أحمد في أحد مجالات العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات (STEM). ناصر، الذي ولد في بنغالورو، الهند عام 1940، نشأ على يد أجداده لأمه. كان جد أحمد مهندسًا كهربائيًا وأخبره أنه أُرسل إلى الولايات المتحدة عام 1919 للعمل في موقع جنرال إلكتريك في شينيكتادي، نيويورك. شارك حكاياته عن الفترة التي قضاها في الولايات المتحدة مع حفيده وشجع الشاب ناصر على الهجرة إلى هناك عندما حان الوقت لمواصلة دراسته بعد حصوله على درجة البكالوريوس في الهندسة الكهربائية من كلية الهندسة بجامعة فيسفيسفارايا في بنغالورو عام 1961. ذلك، وترك الهند التي تقع على عاتق كلية الدراسات العليا في جامعة نيو مكسيكو في البوكيرك. حصل أحمد على درجة الماجستير والدكتوراه. في الهندسة الكهربائية عامي 1963 و 1966 على التوالي.

خلال سنته الأولى في ألبوكيرك، التقى بإستر بارينتي، وهي طالبة دراسات عليا من الأرجنتين. وسرعان ما أصبحا لا ينفصلان وتزوجا بينما كان يعمل للحصول على الدكتوراه. وبعد مرور ستين عامًا، ما زالا معًا.

بذرة فكرة

في عام 1966، تم تعيين أحمد، الذي تخرج حديثًا من كلية الدراسات العليا وحصل على درجة الدكتوراه، كمهندس أبحاث رئيسي في قسم الكمبيوتر الذي تم إنشاؤه حديثًا في شركة هانيويل. أثناء وجوده هناك، تعرف أحمد لأول مرة على وظائف والش، وهي تقنية لتحليل التمثيلات الرقمية للإشارات التناظرية. على الرغم من أن الخوارزميات السريعة التي يمكن إنشاؤها بناءً على وظائف والش لها العديد من التطبيقات المحتملة، فقد ركز أحمد على استخدام تقنيات معالجة الإشارات وتحليلها لتقليل حجم ملف الصورة الرقمية دون فقدان الكثير من التفاصيل المرئية التي كانت موجودة في الصورة. نسخة غير مضغوطة.

ظل هذا التركيز البحثي هو اهتمامه الأساسي عندما عاد إلى المجال الأكاديمي، حيث حصل على وظيفة أستاذ في قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة ولاية كانساس في عام 1968.

كان أحمد، مثل العشرات من الباحثين الآخرين حول العالم، مهووسًا بالعثور على إجابة لسؤال واحد: كيف يمكنك إنشاء صيغة رياضية لفك رموز الآحاد والأصفار في الكود الثنائي الذي يمثل صورة رقمية يجب الاحتفاظ بها والتي يمكن التخلص منها؟ الأشياء التي تعلمها في هانيويل أعطته إطارًا لفهم عناصر المشكلة وكيفية معالجتها. لكن غالبية الفضل في تحقيق هذا الاختراق النهائي يجب أن يعود إلى تصميم أحمد الصلب واستعداده للمقامرة على نفسه.

في عام 1972، سعى للحصول على منحة تمويل تسمح له بقضاء الأشهر بين فصلي الربيع والخريف في ولاية كانساس لتعزيز أفكاره. وتقدم بطلب للحصول على منحة من مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية، لكن تم رفضه. يتذكر أحمد تلك اللحظة على هذا النحو: “كان لدي حدس قوي بأنني أستطيع إيجاد طريقة فعالة لضغط بيانات الإشارة الرقمية. ولكن لدهشتي، قال المراجعون إن الفكرة كانت بسيطة للغاية، لذلك رفضوا الاقتراح.

وبشجاعة، تحدث أحمد مع زوجته حول كيفية الحصول على الراتب الذي حصل عليه خلال العام الدراسي الممتد لتسعة أشهر حتى الصيف حتى يتمكن من التركيز على أبحاثه. يتذكر الزوجان أن المال كان شحيحًا، ولكن يبدو أن تلك اللحظة من شد الحزام المالي زادت من اجتهاد أحمد. لقد ثابروا، وأسفرت أيام أحمد الطويلة ولياليه المتأخرة في المختبر في النهاية عن النتيجة المرجوة.

يأتي ضغط DCT معًا

قام أحمد بدمج تقنية لتحويل مجموعة بيانات معالجة الصور التي تمثل بكسلات الصورة إلى شكل موج، مما يجعلها بشكل فعال كسلسلة من الموجات ذات الترددات المتذبذبة، مع وظائف جيب التمام التي كانت تستخدم بالفعل لنمذجة ظواهر مثل موجات الضوء والموجات الصوتية ، والتيار الكهربائي. وكانت النتيجة سلسلة طويلة من الأرقام ذات قيم محددة بـ 1 و-1. أدرك أحمد أنه من خلال قياس هذه السلسلة من القيم وإجراء تحويل فورييه لتقسيم الدالة إلى الترددات المكونة لها، تم تمثيل كل بيانات البكسل بطريقة كانت مفيدة في تحديد نقاط البيانات التي يجب الاحتفاظ بها وما يمكن حذفه. لاحظ أحمد أن الموجات ذات التردد المنخفض تتوافق مع المناطق الضرورية أو “المعلومات العالية” في الصورة، في حين أن الموجات ذات التردد العالي تمثل البتات الأقل أهمية وبالتالي يمكن تقريبها. كانت ملفات الصور المضغوطة التي أنتجها هو وفريقه تبلغ عُشر حجم الملفات الأصلية. علاوة على ذلك، يمكن عكس العملية، وسيؤدي ملف البيانات المصغر إلى إنتاج صورة مشابهة بدرجة كافية للأصل.

وبعد عامين آخرين من الاختبارات الشاقة، حيث قام هو ومعاونوه بتشغيل برامج كمبيوتر مكتوبة على مجموعات من بطاقات البيانات المثقوبة، نشر الثلاثي بحثًا في معاملات IEEE على أجهزة الكمبيوتر بعنوان “تحويل جيب التمام المنفصل” في يناير 1974. على الرغم من أن نشر الورقة لم يوضح ذلك على الفور، إلا أن البحث العالمي عن طريقة موثوقة للقيام بالضغط المفقود الذي افترضه كلود شانون في الأربعينيات قد انتهى.

ملفات JPEG وMPEG والمزيد

لم يكن الأمر كذلك حتى عام 1983 عندما بدأت المنظمة الدولية للتوحيد القياسي (ISO) العمل على التكنولوجيا التي من شأنها أن تسمح لصور ذات جودة عالية بمرافقة النص على شاشات أجهزة الكمبيوتر. ولتحقيق هذه الغاية، أنشأت منظمة ISO مجموعة خبراء التصوير الفوتوغرافي المشتركة، والمعروفة باسمها المختصر JPEG. بحلول الوقت الذي نُشر فيه أول معيار لـ JPEG في عام 1992، أصبحت DCT والتقدم الذي أحرزه كادر من الباحثين الآخرين قد تم الاعتراف بها من قبل المجموعة كعناصر أساسية لطريقتهم في الضغط الرقمي وترميز الصور الثابتة. يقول إبراهيمي: “هذا هو جمال التقييس، حيث يقف عشرات من العقول النيرة وراء نجاح التطورات مثل JPEG”.

ولأن الفيديو يمكن وصفه بأنه سلسلة متتالية من الصور الثابتة، فإن تقنية أحمد كانت أيضًا مناسبة تمامًا لتصغير حجم ملفات الفيديو. كان DCT هو أسلوب الضغط المفضل عندما قامت ISO واللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) بتأسيس مجموعة خبراء الصور المتحركة، أو MPEG، لضغط وترميز الصوت والفيديو والرسومات والبيانات الجينومية في عام 1988. عندما تم وضع معيار MPEG الأول تم نشره في عام 1993، وكان عمر شبكة الويب العالمية التي تحتوي الآن على خرائط Google وتطبيقات المواعدة وشركات التجارة الإلكترونية يبلغ من العمر أربع سنوات فقط.

أدى تكثيف سرعات الكمبيوتر وعرض النطاق الترددي للشبكة خلال ذلك العقد – إلى جانب القدرة على نقل الصور والفيديو عبر ملفات أصغر بكثير – إلى تحويل الإنترنت بسرعة قبل أن يعرف أي شخص أن أمازون ستسمح للقراء في نهاية المطاف بالحكم على ملايين الكتب من خلال أغلفةها.

بعد أن حل المشكلة التي كانت تحتكر وقته واهتمامه لعدة سنوات، واصل أحمد بقية حياته المهنية في الأوساط الأكاديمية. في عام 1993، وهو العام الذي ظهر فيه أول معيار MPEG، غادر أحمد ولاية كانساس وعاد إلى ألبوكيرك. حصل على وظيفة في جامعته كأستاذ رئاسي للهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر. شغل هذا الدور في جامعة نيو مكسيكو حتى عام 1989 عندما تمت ترقيته إلى رئيس قسم ECE. بعد خمس سنوات من ذلك، أصبح عميد كلية الهندسة بجامعة UNM. شغل أحمد هذا المنصب لمدة عامين حتى تم تعيينه وكيلًا مشاركًا للأبحاث وعميدًا للدراسات العليا. وبقي في تلك الوظيفة حتى تقاعده من الجامعة عام 2001 وعُين أستاذاً فخرياً.