INFORMATICA
LA CODIFICA BINARIA DEI DATI
Suoni ed immagini – Fenomeni
ANALOGICI o CONTINUI
Università di Urbino – Facoltà di Economia Prof. Bentivoglio Gianfranco –Petroselli Franca
Digitalizzazione dell’immagine
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DIGITALIZZAZIONE
DELL’IMMAGINE
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BITMAP
Università di Urbino – Facoltà di Economia
Prof. Bentivoglio Gianfranco
Codifica RASTER di un’immagine
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Università di Urbino – Facoltà di Economia
PIXEL
Prof. Bentivoglio Gianfranco
Codifica delle immagini B&N
(CODIFICA “RASTER”)
Suddividiamo l’immagine mediante una griglia formata
da righe orizzontali e verticali a distanza costante
(sovrapponiamo una griglia)
Codifica delle immagini
• Ogni quadratino derivante da tale suddivisione
prende il nome di pixel (picture element) e può
essere codificato in binario secondo la seguente
convenzione:
– Il simbolo “0” viene utilizzato per la codifica di un
pixel corrispondente ad un quadratino in cui il bianco è
predominante
– Il simbolo “1” viene utilizzato per la codifica di un
pixel corrispondente ad un quadratino in cui il nero è
predominante
Codifica delle immagini (B&N)
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Codifica delle immagini
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Poiché una sequenza di bit è lineare, è necessario definire
convenzioni per ordinare la griglia dei pixel in una
sequenza. Assumiamo che i pixel siano ordinati dal basso
verso l’alto e da sinistra verso destra
0000000000 0011111000 0011100000 0001000000
Codifica delle immagini
Non sempre il cortorno della figura coincide con le
linee della griglia. Quella che si ottiene nella codifica
è un’approssimazione della figura originaria
Se riconvertiamo la sequenza di stringhe
0000000000 0011111000 0011100000 0001000000
in immagine otteniamo
Codifica delle immagini
La rappresentazione sarà più fedele all’aumentare
del numero di pixel, ossia al diminuire delle
dimensioni dei quadratini della griglia in cui è
suddivisa l’immagine. Più è “fitta” la griglia e più
l’immagine è fedele all’originale.
Codifica delle immagini
• Più sono numerosi i pixel e più sono piccoli, più la
qualità dell’immagine è elevata (= originale per
l’occhio umano quando il singolo pixel non è
riconoscibile come singolo elemento)
• RISOLUZIONE interna “indica il n.ro di pixel
utilizzati per la rappresentazione digitalizzata
dell’immagine ovvero con quale granulosità viene
effettuata la sua suddivisione in pixel”
• Una “griglia fitta” significa maggior numero di pixel e
di bit (relazione fra quantità e grandezza del pixel)
La “Misura” della RISOLUZIONE
I
N
C
H
2° LA DIMENSIONEdei PIXEL
in STAMPA o su VIDEO
SI MISURA IN DPI (DOT PER
INCH) – “punti per pollice”
1° IL NUMERO (QUANTITA’) di PIXEL che
compongono l’immagine: es: 640 orizz x 480 vert.
oppure 1,2 megapixel totali (1280x 960)
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IMMAGINE a COLORI
3° LA PROFONDITA’
DEL COLORE
Per ogni Pixel non basta più 1
bit (0 o1) ma servono più bit:
16 tonalità di colore: 4 bit
8 bit  256 colori
16 bit  65.536 colori
24 bit  16,8 milioni di colori
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Immagini a colori
• Assegnando un bit ad ogni pixel è possibile codificare
solo immagini in bianco e nero
• Per codificare le immagini con diversi livelli di grigio
oppure a colori si usa la stessa tecnica: per ogni pixel
viene assegnata una sequenza di bit
• A parità di risoluzione, la dimensione della codifica di
un’immagine cresce all’aumentare dei colori gestiti
• La maggior parte delle schede grafiche attuali utilizza
fino a 24 Bit (o 32) per descrivere il colore di ogni pixel
(ha una tavolozza “palette” di 16 milioni di colori)
L’uso del colore
• Il colore può essere generato componendo 3 colori
FONDAMENTALI: Red, Green, Blue (RGB)
• Ad ogni colore si associa una possibile sfumatura
• Usando 8 bit per ogni colore si possono ottenere
256 sfumature per il rosso, 256 per il blu e 256 per
il verde che, combinate insieme, danno origine a
circa 16,7 milioni di colori diversi (precisamente
16777216 colori)
• Ogni pixel per essere memorizzato richiede 3 byte
(i 24 bit delle schede grafiche)
Immagine “RASTER o BITMAP”
LA SCELTA IDEALE PER LA MEMORIZZAZIONE DI IMMAGINI FOTOGRAFICHE
UN’IMMAGINE RASTER È FORMATA DA PUNTI,
DENOMINATI PIXEL, DISPOSTI IN UNA GRIGLIA,
A OGNUNO DEI QUALI SONO ASSOCIATE LE
INFORMAZIONI RELATIVE AL COLORE.
LA QUALITÀ DELLE IMMAGINI RASTER
DIPENDE DALLA RISOLUZIONE
AUMENTANDO IL LIVELLO DI
INGRANDIMENTO DELL’IMMAGINE,
I PIXEL DIVENTANO BEN VISIBILI
UN’IMMAGINE RASTER È MOLTO
SEMPLICE DA VISUALIZZARE SUL
MONITOR O DA STAMPARE
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PROBLEMI di un’immagine
“definita”:
a)
Occupazione di
memoria
b)
Velocità di trasmissione
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Immagini raster
• Problema :
scomposizione fitta
elevato numero di bit
-elevata qualità
dell’immagine
-elevata quantità
di informazione
-elevata
occupazione di
memoria
tipo risoluz
numero colori num. byte
imm. televisiva 720x625 256 440 KB
foto
15000x10000 16milioni 430 MB
TECNICHE di “COMPRESSIONE”
• Diverse tecniche per “risparmiare sullo spazio” e
“velocizzare” le trasmissioni
• “Con perdita di informazioni – lossy distruttivo”: come
per esempio: sfumature non visibili all’occhio umano –
(“buttate via”) (formati: JPEG)
• “Senza perdita di informazioni – lossless – NON
distruttivo”: i dati più frequenti vengono codificati con
sequenze più brevi di bit (formati: GIF, TIFF, BMP)
• Fattore di riduzione da 5:1 a 100:1
I principali formati “RASTER” (1)
BITMAP (.BMP) – Windows/Paintbrush - Desktop
IL PIÙ SEMPLICE: AD OGNI PIXEL DELL’IMMAGINE, IN SEQUENZA, SONO
ASSOCIATI 24 BIT PER IL COLORE. E’ INGOMBRANTE – No Internet
GIF - GRAPHIC INTERCHANGE FORMAT (.GIF)
• FORMATO COMPRESSO, MA SENZA PERDITA DI QUALITÀ
• COLORI RAPPRESENTATI CON 8 BIT, MAX 256
• ADATTO ALLA RAPPRESENTAZIONE DI ELEMENTI GRAFICI
MOLTO SEMPLICI, IMMAGINI IN BIANCO E NERO
• CONSENTE LA CREAZIONE DI ANIMAZIONI - Utilizzato sul WEB
JPEG - JOINT PICTURE EXPERTS GROUP (.JPG)
• FORMATO COMPRESSO, CON PERDITA DI “QUALITÀ”
• COLORI RAPPRESENTATI CON 24 BIT, MAX 1,7 MILIONI –
•UNA CODIFICA PIÙ EFFICIENTE RISPETTO AL GIF, ADATTO A
RAPPRESENTARE IMMAGINI RICCHE DI SFUMATURE DI COLORE.
•Tra i più diffusi: molto utilizzato per immagini sul Web e allegati e-mail
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I principali formati “RASTER” (2)
TIFF - TAGGED IMAGE FILE FORMAT (.TIF)
• FORMATO COMPRESSO “senza perdita”,
• COLORI RAPPRESENTATI CON 24 BIT
• MANTIENE UNA FEDELTÀ MAGGIORE ALL’IMMAGINE ORIGINALE,
CHE SI PAGA CON UNA MAGGIORE OCCUPAZIONE DI MEMORIA
•Molto utilizzato durante il trattamento dell’immagine in quanto “non
distruttivo”: per archiviare e poi trasferire e/o rielaborare, negli scanner
• NON UTILIZZABILE PER IL WEB
PNG - PORTABLE NETWORK GRAPHICS (.PNG)
• NUOVO FORMATO COMPRESSO, SENZA PERDITA DI QUALITÀ
• COLORI RAPPRESENTATI CON 24 BIT
• NON È ANCORA SUPPORTATO DA TUTTE LE APPLICAZIONI
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Esempio
615Kb bmp
64,5Kb gif
29,4Kb jpg
In JPEG si può scegliere il
rapporto di compressione
24 Kb jpg
Esempio (2)
16,7Kb bmp
4.32Kb jpeg
4.92Kb gif
Riepilogando......
Quali sono gli elementi da prendere in
considerazione per una immagine?
1. N. DI PIXEL
2. DENSITÀ DEI PIXEL
(dot per inch=DPI)
3. Profondità colore (n. bit x pixel)
4. FORMATO
(COMPRESSO/NON COMPRESSO)
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Codifica VETTORIALE dell’immagine
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Grafica vettoriale
• Per le immagini regolari o geometriche
• In una codifica di tipo vettoriale non si specificano le
informazioni di colore dei singoli pixel: viene specificato
individualmente ogni elemento geometrico primitivo che forma
l’immagine (per esempio linee, curve, retta, segmento)
• Le immagini vengono costruite a partire dalla descrizione degli
elementi che le compongono mediante un linguaggio testuale o
delle formule geometriche.
• Per ogni elemento che compone l’immagine l’istruzione descrive
la forma, la lunghezza, il punto iniziale ed il punto finale, il colore
Immagini vettoriali
Immagini vettoriali:
• codifica simbolica di elementi grafici
es.:
circle
polyline
…..
• applicabilità limitata al mondo geometrico (non
fotografie)
Immagine vettoriale
• Vengono memorizzate non come “insieme di pixel” ma
come “insieme di istruzioni”
• Ogni volta l’immagine viene “generata” o costruita,
eseguendo le istruzioni: viene “disegnata” (scalabilità)
• Puo’ essere ingrandita senza perdere di qualità
• Spesso occupano molto meno spazio rispetto alle immagini
bitmap
• Adatta per logo, caratteri, disegni al tratto, disegni
geometrici.
• La grafica bitmap, invece, riesce a rendere con qualità
maggiore immagini con un numero elevato di colori
Immagine “VETTORIALE”
ADATTA PER LOGO, CARATTERI E DISEGNI AL TRATTO
UN’IMMAGINE VETTORIALE CONSISTE IN UNA
SERIE DI ISTRUZIONI MATEMATICHE PER IL
TRACCIAMENTO DI OGNI SINGOLO ELEMENTO
CHE COMPONE L’IMMAGINE .
LE IMMAGINI IN FORMATO VETTORIALE
SONO INDIPENDENTI DALLA RISOLUZIONE;
SI DICE ANCHE CHE SONO “SCALABILI”
SENZA PERDITA DI INFORMAZIONI, SIA PER
QUANTO RIGUARDA IL DISEGNO VERO E
PROPRIO CHE PER LA PARTE TESTUALE
QUANDO UN’IMMAGINE IN UN FORMATO
VETTORIALE DEVE ESSERE VISUALIZZATA
O STAMPATA, IL COMPUTER PROVVEDE A
“RASTERIZZARLA”, OVVERO A
TRASFORMARLA IN PIXEL
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ALCUNI FORMATI
VETTORIALI
• WMF (Microsoft Windows Metafile) – misto:
contiene elementi vettoriali, bitmap, testuali
• EMF (Enhanced Windows Metafile) – misto
• DRW (Micrografx Draw)
• CDR (Corel Draw)
• POSTSCRIPT (Adobe) – misto bitmapvettoriale, compresso
• EPS (Encapsulated Postscript) – derivato di
Postscript
• PDF (Portable Document Format) – derivato
di postscript.
Codifica di immagini in
movimento
• Un filmato è una sequenza di immagini statiche (dette
fotogrammi o frame)
• Per codificare un filmato si digitalizzano i suoi fotogrammi
• Con un numero abbastanza alto di fotogrammi
fissi (24-30 al secondo) l’occhio umano percepisce
il movimento come un continuo
• Esempio:
– 30 immagini ad alta risoluzione al secondo
– 30 imm./sec x 2.457.600 bit/imm. = 73.728.000 bit/sec
– Un minuto richiederebbe 60 sec x 73.728.000 = 4.423.680.000 bit
(5.529.600 byte)
Immagini in movimento
• Potrei in principio codificare separatamente ogni
fotogramma come immagine fissa, ma lo spazio di
memoria richiesto sarebbe enorme (650 MB, un intero CD
per un minuto di proiezione …)
• Sono stati quindi sviluppati metodi di codifica che
economizzano, codificando solo le ‘differenze’ fra un
fotogramma e l’altro.
• MPEG (Moving Picture Experts Group):
– codifica JPEG di ogni frame separatamente, codifica dei suoni,
tecnica di compressione specifica per video: codifica della
variazione tra un fotogramma e il successivo
• AVI (Audio Video, Microsoft), MOV.
Codifica dei suoni
• Fisicamente un suono è rappresentato come un’onda che
descrive la variazione della pressione dell’aria nel tempo
(onda sonora – informazione analogica)
• Sull’asse delle ascisse viene rappresentato il tempo
(t) e sull’asse delle ordinate viene rappresentata la
variazione di pressione (a) corrispondente al suono
stesso
Codifica dei suoni
• Si codifica (digitalizzando): si effettuano dei
campionamenti sull’onda (cioè si misura il valore
dell’onda a intervalli di tempo costanti) e si codificano
in forma digitale le informazione estratte da tali
campionamenti (t1-a1,t2-a2,ecc..)
• Quanto più frequentemente il valore di intensità dell’onda viene
campionato (ovvero quanto è più piccolo l’intervallo), tanto più
precisa sarà la sua rappresentazione
• Il numero di campioni raccolti per ogni secondo definisce la
frequenza di campionamento che si misura in Hertz (Hz)
Codifica dei suoni
• La sequenza dei valori numerici ottenuti dai campioni può
essere facilmente codificata con sequenze di bit
Una
approssimazione!
•La rappresentazione è tanto più precisa quanto maggiore è il
numero di bit utilizzati per codificare l’informazione estratta in
fase di campionamento
•Maggiore è la frequenza, superiore (e più fedele) è la qualità
del suono
Codifica del Suono: CAMPIONAMENTO
Volt
5
0
t
IPOTIZZIAMO DI MISURARE IL VALORE DI TENSIONE ELETTRICA IN
USCITA DA UN MICROFONO, SUPPONENDO CHE VARI TRA UN
VALORE MINIMO ED UN MASSIMO (AD ESEMPIO, DA 0 A +5VOLT)
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Codifica del Suono: CAMPIONAMENTO
PER CODIFICARE LA VOCE UMANA (rendere
riconoscibile il parlato) è necessario:
• PRODURRE 8.000 CAMPIONI AL SECONDO
• UTILIZZARE 8 BIT PER OGNI CAMPIONE
 8000 CAMPIONI X 8 BIT/CAMPIONE=
64.000 BIT/SEC (64 kbit) = 7,8
KBYTE/secondo. Per 10 minuti: 4,6 MByte
PER CODIFICARE LA MUSICA DI QUALITÀ CD
(STEREO) sono necessari molti più byte:
• PRODURRE 44.100 CAMPIONI AL SECONDO
PER OGNUNO DEI 2 CANALI STEREO
• UTILIZZARE 16 BIT PER OGNI CAMPIONE
==> 2 X 44100 CAMPIONI X 16 BIT/CAMPIONE=
1.411.200 BIT/SEC = 172 KBYTE/SEC
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La codifica standard di Windows: .WAV
FORMATO PER LA MEMORIZZAZIONE DI SEGNALI AUDIO SECONDO
LA TECNICA PCM, UTILIZZATA SUI SISTEMI WINDOWS. I file generati
hanno estensione . WAV
OTTIMA QUALITÀ AUDIO, DIPENDENTE DALLA FREQUENZA DI
CAMPIONAMENTO: DA 8 KHZ (VOCE) A 44 KHZ (MUSICA STEREO)
È IL FORMATO DI TUTTI I BRANI MUSICALI PRESENTI NEI CLASSICI
CD AUDIO
Limite: PRODUCE FILE MOLTO GRANDI DELL’ORDINE DI:
0,5 MBYTE PER 1 MINUTO DI VOCE REGISTRATA
10 MBYTE PER 1 MINUTO DI MUSICA REGISTRATA
IL CHE LI RENDE INUTILIZZABILI SUL WEB
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Un formato compresso:
.MP3
E’ UN FILE AUDIO COMPRESSO ATTRAVERSO L’ALGORITMO
MPEG – LAYER (VARIANTE MPEG PER SUONI)
LA COMPRESSIONE AVVIENE CON UNA PERDITA DI QUALITÀ
INAVVERTIBILE ALL’ORECCHIO UMANO.
REALIZZA UNA RIDUZIONE DEI DATI DI UN FATTORE 12, CON
UNA QUALITÀ PRATICAMENTE PARI ALLA CODIFICA WAV,
File generati file .MP3 con GRANDE DIFFUSIONE, MOLTO
EFFICIENTE in quanto compresso occupa meno spazio e rende
POSSIBILE LO SCAMBIO DI BRANI MUSICALI ATTRAVERSO
INTERNET
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La codifica Real Audio: .RM
(3)
E' UN FORMATO COMPRESSO (ANCHE PER FILE VIDEO) con
estensione . RM
• MOLTO UTILIZZATO PER TRASMETTERE CONTENUTI
MULTIMEDIALI SUL WEB (VISTE LE DIMENSIONI RIDOTTE DEL FILE)
• MA HA UNA QUALITÀ AUDIO INFERIORE AI FILE WAV E MP3
I FILE REALAUDIO GENERALMENTE SI ASCOLTANO IN
STREAMING, CIOÈ SENZA NECESSITÀ DI DOVERLI
SCARICARE SUL DISCO FISSO DEL PROPRIO COMPUTER:
LA RIPRODUZIONE DELLA MUSICA INIZIA E CONTINUA MANO
A MANO CHE IL COMPUTER RICEVE I DATI DALLA RETE
PER ASCOLTARE UN BRANO MUSICALE È NECESSARIO
DISPORRE DEL LETTORE REALPLAYER, un programma
liberamente scaricabile da Internet.
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Un modo diverso di codificare un suono:
MIDI
UN FILE MIDI NON CONTIENE IL SUONO (campionato, digitalizzato e
quantizzato) DEGLI STRUMENTI, MA
LE NOTE CHE DEVONO ESSERE ESEGUITE
OVVERO LE ISTRUZIONI PER LA SCHEDA AUDIO (dispositivo di
output), IN MODO DA PRODURRE LA NOTA RICHIESTA, CON UNA
TIMBRICA SIMILE A QUELLA DELLO STRUMENTO IN QUESTIONE
IL FORMATO MIDI È IL PIÙ COMPATTO: OGNI SINGOLO EVENTO MIDI
OCCUPA SOLTANTO 11 BYTE E UN INTERO BRANO MUSICALE
OCCUPA MEDIAMENTE QUALCHE DECINA DI KBYTE
Limite!: solo musica NON VOCE
I FILE MIDI SONO MOLTO UTILIZZATI
• NEI GIOCHI
• COME COLONNE SONORE NELLE PAGINE WEB
• COME SUONERIE SUI TELEFONINI.
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Confronto MIDI e WAVE
DIFFERENZE TRA FORMATO MIDI E WAVE
MIDI
IN UN FILE MIDI CI
SONO SOLO COMANDI
WAVE
IN UN FILES WAVE
CI SONO SUONI
SE FACCIAMO UN PARALLELO CON LA CODIFICA DELLE IMMAGINI
Codifica
VETTORIALE
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Codifica
RASTER
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