CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 In questa lezione: • Segnali digitali • Codifica delle immagini •Codifica dei filmati • Codifica dei suoni Prof. D. Giunta 1 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Riprendiamo alcuni concetti: Prof. D. Giunta 2 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 ANALOGICO Si definisce analogico un segnale che rappresenta un fenomeno con continuità, per esempio un orologio classico che con il moto regolare della lancetta segna il trascorrere del tempo in modo continuo. Prof. D. Giunta 3 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 DIGITALE E’ digitale un segnale che rappresenta lo stesso fenomeno traducendolo in cifre (dall'inglese digit, cifra) e quindi in modo discontinuo. Prof. D. Giunta 4 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 SEGNALE DIGITALE SEGNALE ANALOGICO Prof. D. Giunta 5 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 A questo punto è essenziale capire di che natura siano i dati e le istruzioni che il PC può elaborare. Un processore è costituito da un insieme di transistor (interruttori), dispositivi elettronici che possono lasciar transitare o interrompere un flusso di corrente. Prof. D. Giunta 6 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Di conseguenza, il PC è in grado di “comprendere” un linguaggio costituito da un insieme di segnali positivi e negativi (aperto/chiuso, acceso/spento) Per questo motivo il PC viene definito come macchina digitale che usa una codifica binaria… Prof. D. Giunta 7 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Tutto ciò che utilizziamo nel computer: • caratteri • immagini • suoni • filmati • numeri deve allora essere codificato sotto forma binaria. Prof. D. Giunta 8 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Tutto ciò che utilizziamo nel computer: • caratteri • immagini • suoni • filmati • numeri deve allora essere codificato sotto forma binaria. Prof. D. Giunta 9 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Per i caratteri abbiamo visto che la più diffusa tabella di codifica è il codice ASCII (American Standard Code for Information Interchange). E’ un codice a 8 bit,cioè può rappresentare 256 combinazioni diverse di caratteri Prof. D. Giunta 10 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Con sette bit si possono rappresentare 128 combinazioni diverse di numeri Lettere dell’alfabeto Maiuscole Numeri Punteggiatura Simboli Comandi Caratteri speciali Totale 25 25 10 15 6 34 13 128 L’ottavo bit dei sette utilizzati dal codice ASCII è servito per portare a 256 il numero di caratteri rappresentabili con questo codice( per i simboli ö, å, ñ etc) Prof. D. Giunta 11 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Secondo il codice ASCII: Es: ‘H’=01001000 (=72), ‘.’=00101110 (=46), ecc… Hello. 01001000 01100101 01101100 01101100 01101111 00101110 H e l Prof. D. Giunta l o . 12 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 CODIFICA DEI CARATTERI 8 bit = 1 Byte (che rappresenta un carattere) Byte deriva da Binary octette numero binario composto da otto cifre Prof. D. Giunta 13 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 I FORMATI Esistono diversi formati di testo: il formato DOC il formato HTML il formato PDF il formato PS ecc. Prof. D. Giunta 14 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Tutto ciò che utilizziamo nel computer: • caratteri • immagini • suoni • filmati • numeri deve allora essere codificato sotto forma binaria. Prof. D. Giunta 15 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 LA CODIFICA DELLE IMMAGINI Ogni immagine viene suddivisa in piccolissimi quadratini detti pixel (picture element) che poi vengono codificati in binario secondo una tabella di colori in base al colore dominante. Prof. D. Giunta 16 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 LA CODIFICA DELLE IMMAGINI Il numero di quadratini (“pixel”), ovvero il rapporto tra la dimensione dell’immagine ed il numero di punti che utilizziamo per descriverla si chiama risoluzione. Si esprime generalmente in dpi: dot per inch, ovvero punti per pollice. Prof. D. Giunta 17 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 LA CODIFICA DELLE IMMAGINI Il numero di bit utilizzati per rappresentare il colore di un singolo pixel viene detto “profondità di colore” (colour depth) : 1 bit per immagini bianco/nero (“line art”) 8 bit per immagini in toni di grigio o 256 colori (“grayscale”) 16 bit per immagini a 65.536 colori (“high color”) 32 bit per immagini a 32,8 milioni di colori (“true color”) Prof. D. Giunta 18 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 L’uso del colore Dall’ottica si sa che in ogni punto, per rappresentare un qualsiasi colore dello spettro, è sufficiente definire l’intensità dei tre colori fondamentali. Rosso, Verde e Blu (RGB) Usando 2 bit per ogni colore si possono ottenere 4 sfumature per il rosso, 4 per il blu e 4 per il verde che, combinate insieme, danno origine a 64 colori diversi. Ogni pixel per essere memorizzato richiede 6 bit. Prof. D. Giunta 19 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 L’uso del colore Disponendo di un byte (8 bit) per ogni componente di colore, potremo rappresentare 256*256*256 = 16.777.216 colori. Ogni pixel per essere memorizzato richiede 3 byte. Ad esempio il colore composto da (Red:255 Green:255 Blue:0) corrisponderà ad un Giallo acceso, mentre (Red:120 Green:0 Blue:120) sarà un Viola scuro. 2 bit 4 bit Prof. D. Giunta 8 bit 24 bit 20 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 I componenti fondamentali possono essere il Rosso, Verde e Blu (RGB) come nell’esempio visto, oppure altre combinazioni. Tali combinazioni di colori di base si distinguono in due grandi categorie: -per produrre luminosità, come nell’esempio sopra visto, dalla cui massima combinazione deriva il bianco (usato, ad esempio, per produrre il colore su monitor) -per sottrarre luminosità, come nel caso della combinazione CMY (Cyan Magenta Yellow), dalla cui massima combinazione deriva il nero (usato, ad esempio, per produrre delle stampe su carta) Prof. D. Giunta 21 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 BITMAP E RISOLUZIONE Il formato di rappresentazione per punti che abbiamo visto è definito BITMAP (viene usato, ad esempio, da Paint, il più comune software di disegno) Le dimensioni dell’immagine sono determinate dal numero di pixel che la compongono, ad esempio un’immagine 640x480 contiene 640 pixel in senso orizzontale e 480 in senso verticale. Prof. D. Giunta 22 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 BITMAP E RISOLUZIONE E’ particolarmente adatto per riprodurre, fotografie, dipinti e tutte le immagini per le quali ogni punto dell’immagine è significativo e deve essere descritto da un singolo elemento indipendente. Prof. D. Giunta 23 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 IMMAGINI VETTORIALI Per immagini più simili a disegni che a fotografie, è possibile definire la figura in termini matematici: oggetti geometrici di base, quali curve, cerchi, ellissi, rettangoli, rette, linee, ecc.. Tale tipo di rappresentazione di un’immagine si definisce vettoriale. Prof. D. Giunta 24 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 IMMAGINI VETTORIALI In tale formato è presente tutta l’informazione necessaria a riprodurre l’immagine, a prescindere dalle dimensioni. Pertanto si elimina il problema legato al rapporto tra risoluzione e definizione (per ingrandire o ridurre la riproduzione basta agire sul sistema di coordinate) Prof. D. Giunta 25 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 IMMAGINI VETTORIALI Evidentemente non si presterà per rappresentare immagini composte da continue variazioni di colore, quali ad esempio le fotografie. In più avrà un minor ingombro in termini di spazio di memoria occupato. Prof. D. Giunta 26 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Ricapitolando: Formato bitmap: viene memorizzato il contenuto di ogni pixel congelando in un certo senso l'immagine. Può succedere che rappresentando o stampando l'immagine su sistemi diversi questa appaia in modo diverso. Formato vettoriale: l'immagine viene costruita per oggetti semplici per ognuno dei quali vengono memorizzate le caratteristiche salienti. Prof. D. Giunta 27 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Naturalmente le immagini digitali richiedono un’enorme quantità di byte per potere essere memorizzate. Così come per i testi, anche per le immagini esistono i formati, che utilizzano tecniche di compressione per ridurre la dimensione del file. Prof. D. Giunta 28 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Le tecniche principali di compressione si possono distinguere in: •Lossless (“senza perdita”) •Lossy (“con perdita”) Prof. D. Giunta 29 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 •Lossless (“senza perdita”): decomprime il file assicurando il suo contenuto, per cui la qualità dell’immagine rispecchia quella dell’originale. Svantaggio:capacità di compressione limitata. Impiegata in casi in cui i dettagli sono di fondamentale importanza (immagini satellitari, raggi X). Esempi di algoritmi: a codifica di stringa, RunLenght Encoding. Prof. D. Giunta 30 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 •Lossy (“con perdita”): nella compressione alcuni dati vengono perduti (perché vengono scartati i particolari meno importanti) e la qualità dell’immagine è inferiore a quella dell’originale. Vantaggio: maggiore compressione. Utilizzata nelle applicazioni in tempo reale (ad esempio le videoconferenze) in cui la velocità è più importante della qualità. Esempi di algoritmi: a codifica differenziale, a trasformazioni Prof. D. Giunta 31 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Formati di Immagini: • GIF (Graphic Interchange Format) • JPEG (Joint Photographic Expert Group) • TIFF (Tagged Image File Format) Prof. D. Giunta 32 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Formato GIF GIF (Graphic Interchange Format) Estensione: .gif Ogni pixel rappresentato in 1 byte (256 colori). Si considera generalmente come "formato finale”, nel senso che non si presta a successive rielaborazioni. Prof. D. Giunta 33 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Formato GIF E' uno dei principali formati utilizzati sul WEB, anche per la possibilità di essere: “interlacciato” (l'immagine viene caricata ad "aumento progressivo di risoluzione”) “animato” (presentando in successione più immagini .gif scritte sullo stesso file) di rendere zone trasparenti. Prof. D. Giunta 34 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Formato JPEG •JPEG (Joint Photographic Expert Group) •Estensione: .jpg •Può avere fino a 16,7 milioni di colori. Prof. D. Giunta 35 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA Prof. D. Giunta 2° Salvataggio Formato con compressione distruttiva, ciò significa che ad ogni nuovo salvataggio del file produce una ulteriore compressione, e deterioramento dell’immagine (permette comunque la scelta del rapporto di compressione). E' riconosciuto dalla maggioranza dei software di elaborazione e costituisce uno standard web per le immagini fotografiche. 3° Salvataggio Formato JPEG 1° Salvataggio ANNO ACCADEMICO 2011/2012 36 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Formato JPEG Per le sue caratteristiche viene utilizzato come formato finale e non si presta a successive elaborazioni. L’algoritmo che adotta opera per differenze su aree, quindi può riprodurre fedelmente, con ottimi rapporti di compressione, immagini con gradazioni e sfumature di colore, mentre risulta particolarmente distruttivo ed inadeguato nella rappresentazione di campiture uniformi. le scritte sono inadatte al jpeg Prof. D. Giunta 37 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Formato TIFF •TIFF (Tagged Image File Format) (estensione .tif) •Può avere fino a 16,7 milioni di colori; • Immagini di qualità più alta •Svantaggio: dimensioni dei file molto grandi Prof. D. Giunta 38 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Codifica delle immagini Quanti byte occupa un’immagine di 100 x 100 pixel in bianco e nero? Quanti byte occupa un’immagine di 100 x 100 pixel a 256 colori? Se un’immagine a 16777216 di colori occupa 2400 byte, da quanti pixel sarà composta? Prof. D. Giunta 39 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Tutto ciò che utilizziamo nel computer: • caratteri • immagini • suoni • filmati • numeri deve allora essere codificato sotto forma binaria. Prof. D. Giunta 40 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 La codifica dei suoni Anche i suoni possono essere rappresentati in forma digitale Dal punto di vista fisico un suono è un'alterazione della pressione dell'aria che, quando rilevata, ad esempio dall'orecchio umano, viene trasformata in un stimolo auditivo al cervello L’alterazione della pressione deve avere le caratteristiche di una vibrazione La durata, l'intensità e la frequenza della vibrazione sono le quantità fisiche che rendono un suono diverso da ogni altro Mediante un microfono le variazioni della pressione dell’aria (vibrazioni) vengono trasformate in un segnale elettrico Prof. D. Giunta 41 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 RAPPRESENTARE I SUONI Fisicamente un suono è rappresentato come un'onda (onda sonora) che descrive la variazione della pressione dell'aria nel tempo t Sull'asse delle ascisse viene rappresentato il tempo e sull'asse delle ordinate viene rappresentata la variazione di pressione corrispondente al suono stesso Prof. D. Giunta 42 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 RAPPRESENTARE I SUONI Quindi i suoni consistono in vibrazioni che formano un’onda, la cui ampiezza misura l’altezza dell’onda e il periodo è la distanza tra due onde. AMPIEZZA PERIODO TEMPO Prof. D. Giunta 43 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 RAPPRESENTARE I SUONI L’intensità del suono descrive l’ampiezza delle variazioni dell’onda sonora e si misura in decibel (DB) La frequenza è il numero di periodi (o di vibrazioni) al secondo e si misurano in Hertz (Hz) L’orecchio umano e’ sensibile alle frequenze tra 20 e 20000Hz Prof. D. Giunta 44 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 RAPPRESENTARE I SUONI La rappresentazione in forma d’onda è analogica e fornisce una descrizione continua dell'onda sonora Le rappresentazioni di tipo analogico non sono utilizzabili in informatica, data l'impossibilità di trattare informazioni di tipo continuo È necessario trovare un modo per codificare in forma digitale (numerica) un’onda sonora Prof. D. Giunta 45 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 IL CAMPIONAMENTO Pertanto per registrare un suono e memorizzarlo sul computer si usa la tecnica del campionamento. Infatti un file viene prodotto suddividendo un’onda acustica in moltissimi frammenti e memorizzando ogni frammento come un piccolo campione digitale del suono. Prof. D. Giunta 46 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 IL CAMPIONAMENTO Tanto maggiore è il numero di campioni che vengono presi ogni secondo, tanto maggiore sarà la precisione con cui nel computer sarà rappresentata la forma d’onda Prof. D. Giunta 47 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 SUONO: DALLA RAPPRESENTAZIONE ANALOGICA ALLA RAPPRESENTAZIONE DIGITALE Prof. D. Giunta 48 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 FREQUENZA DI CAMPIONAMENTO Il numero di campioni registrati al secondo si dice frequenza di campionamento. Frequenza delle schede audio 11 KHz (11.000 campioni/sec.) 22 KHz 44 KHz Maggiore è il numero di KHz maggiore sarà lo spazio occupato su disco Prof. D. Giunta 49 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 DIMENSIONE DI CAMPIONAMENTO Un altro fattore che influenza la qualità del suono è la dimensione di campionamento (quantizzazione), ossia il numero di bit disponibili per memorizzare ciascun campione d’onda. 4 BIT 8 BIT 16 BIT Si distinguono 16 valori Si distinguono 256 valori Si distinguono 65.536 valori Prof. D. Giunta 50 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Codifica dei suoni (esempio) Se volessimo codificare la musica di qualità CD dovremmo: • Usare due registrazioni corrispondenti a due microfoni distinti • Campionare il segnale musicale producendo 44.100 campioni al secondo • Per ogni campione (che è un numero) si usano 16 bit Per cui, il numero di bit che sarebbero necessari per codificare ogni secondo è pari a 2 x 44.100 campioni x 16 bit/campione = 1.414.200 bit Prof. D. Giunta 51 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Tasso di Nyquist Tasso di Nyquist: per ricostruire il segnale è necessario e sufficiente un numero di campioni almeno due volte la frequenza dell’onda Quindi: Fissato il tasso di campionamento e’ possibile catturare solo frequenze non più grandi della metà del tasso di campionamento Prof. D. Giunta 52 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Tasso di campionamento La voce umana ha come frequenza massima 4000 Hz: richiede un tasso di campionamento di 8000 campioni al secondo Per catturare frequenze fino a 20.000Hz e’ necessario campionare il segnale almeno 40.000 volte al secondo Il tasso di campionamento dei CD è 44.100 campioni al secondo Prof. D. Giunta 53 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Quantizzazione e codifica Un dispositivo (detto ADC Analog-Digital converter): trasforma impulsi elettrici (i campioni) in una sequenza di numeri Il numero di bit destinati alla rappresentazione dei valori numerici ripartisce i valori di tensione in un insieme di livelli discreti: Esempio con 8bit (1byte) si distinguono 256 livelli di tensione Esempio con 16 bit (2byte) si distinguono 65356 livelli di tensione Prof. D. Giunta 54 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Approssimazione della quantizzazione Ogni numero non rappresenta un valore preciso di voltaggio, ma un intervallo. Tanto piu’ piccolo e’ tale intervallo, tanto e’ accurata la quantizzazione Esempio se l’ampiezza varia da -10 a +10 volt una codifica con 1byte rappresenta un intervallo di 0,078125 V dell’ampiezza totale (20/256). I CD musicali usano una codifica a 16 bit perfettamente adeguata rispetto alla percezione umana Prof. D. Giunta 55 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA Spazio occupato ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Esempio: 1 secondo di voce umana a 8000 campioni al secondo, campionata a 8 bit richiede 64.000bit = ~8KB Esempio: 1 secondo di musica qualità CD richiedono (2 canali stereofonia): 2 x 44.100 x 16= 1.411.200bit = ~ 175KB 1 minuto di musica richiede quindi 10.584.000 = ~10MB Prof. D. Giunta 56 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 REGISTRARE SUONI )) ) Scheda audio La scheda audio converte in numeri (digitali) l’onda analogica in entrata e memorizza questi numeri in un file (conversione ADC) Analog to Digital Converter Campionamento Segnale analogico Quantizzazione Segnale campionato Prof. D. Giunta 10001001010001 Segnale digitale 57 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 RIPRODURRE SUONI )) Scheda audio La scheda prende i numeri (digitali) da un file e li riconverte in un segnale analogico che pilota agli altoparlanti( conversione DAC) Prof. D. Giunta 58 ) CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 I DIVERSI FILE DI SUONI Una scheda audio può creare e riprodurre due tipi diversi di file di suoni: i file di forma d’onda e i file MIDI MIDI vuol dire Musical Instrument Digital Interface, ossia interfaccia digitale per strumenti musicali, infatti indica un protocollo che governa lo scambio di dati tra strumenti musicali elettronici e computer. Prof. D. Giunta 59 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 I DIVERSI FILE DI SUONI I file MIDI non contengono audio , ma istruzioni per la produzione di suoni, pertanto possono essere ascoltati solo se vengono inviati ad un sintetizzatore (esterno o interno alla scheda) che traduce le istruzioni del file in note Prof. D. Giunta 60 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 I DIVERSI FILE DI SUONI File di forme d’onda File MIDI Estensione .WAV Estensione .MID Memorizzano informazioni sulle onde acustiche e sono prodotti dal processo di campionamento Memorizzano istruzioni per la produzione di suoni e non i suoni stessi Possono memorizzare voci, musica, effetti speciali Possono memorizzare solo musica Sono molto grandi Sono più compatti Un minuto di musica Midi occupa meno spazio di un secondo di suono registrato Prof. D. Giunta 61 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 I DIVERSI FILE DI SUONI File MP3 La sigla MPEG (Motion Picture Experts Group) identifica un gruppo di studiosi che si riuniscono sotto la ISO allo scopo di generare codifiche standard internazionali per la digitalizzazione video e la compressione audio Prof. D. Giunta 62 I File MP3 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 La sigla è diventata poi per estensione il nome che definisce l’algoritmo di compressione audio/visivo nato dalla cooperazione del gruppo. La sigla MP3 significa “MPEG1-Layer 3” (Layers sono i differenti livelli di compressione), il cui scopo è quello di comprimere il più possibile un file audio, mantenendone inalterata, per quanto possibile, la qualità. In questo modo il file diviene facilmente trasportabile su dischetti o trasferibile attraverso Internet. Prof. D. Giunta 63 I File MP3 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Come funzionano L’MPEG elimina dai file audio determinate informazioni che non sono necessarie, basandosi su alcune ricerche della psicoacustica. Questi studi rivelano che il nostro orecchio non è in grado di percepire frequenze “deboli” adiacenti a frequenze “forti”, in quanto queste ultime coprono le prime. Prof. D. Giunta 64 I File MP3 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Come funzionano Le informazioni inerenti le frequenze più deboli, in quanto non percettibili dall’orecchio umano, vengono quindi eliminate dall’MPEG durante la fase di compressione. In questo modo si ottiene una riduzione del file audio in termini di spazio fisico occupato. Prof. D. Giunta 65 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA Codifica dei suoni ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Quanto spazio occupa un suono (non in stereo) della durata di 10 secondi campionato a 100 Hz (100 campioni al secondo), in cui ogni campione occupa 4 byte? Prof. D. Giunta 66 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Tutto ciò che utilizziamo nel computer: • caratteri • immagini • suoni • filmati • numeri deve allora essere codificato sotto forma binaria. Prof. D. Giunta 67 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 VIDEO E ANIMAZIONI Un filmato non è altro che una successione di fotogrammi (frame), ognuno dei quali corrisponde ad un’immagine statica, accompagnata da una banda sonora (in sostanza immagini e suono). Non stupisce che per codificare un breve filmato servano moltissimi bit! Prof. D. Giunta 68 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA VIDEO E ANIMAZIONI ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Per ridurre la quantità di informazioni del filmato, si può memorizzare il primo fotogramma e, a seguire, registrare solo le modifiche rispetto ai fotogrammi precedenti. E’ inoltre possibile comprimere le informazioni residue ignorando le variazioni di colore così piccole da non poter essere colte dall’occhio umano in un’immagine in movimento. Prof. D. Giunta 69 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA Formato dei filmati ANNO ACCADEMICO 2011/2012 •MPEG (Motion Picture Expert Group) Codifica per filmati, basata sul dividere il filmato in frames a codificare solo le differenze tra un frame e l’altro. La compressione video si basa su complessi modelli matematici che permettono di registrare solo le parti di immagini che cambiano durante l'animazione. La compressione MPEG video comporta una perdita di qualità e di dettagli (comunque appena visibile) Prof. D. Giunta 70 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA Formato dei filmati ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Il formato di Windows (.avi) Si tratta del formato video creato da Microsoft e quindi integrato direttamente nei sistemi operativi Windows. Il formato QuickTime (.mov) Questo è il formato video creato da Apple: esiste però anche in versione per Windows. Prof. D. Giunta 71 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA Formato dei filmati ANNO ACCADEMICO 2011/2012 I formati Video per Internet: Real Video e NetShow RealVideo, della RealNetworks, è tra i formati video compressi più diffusi su Internet. Si è ormai affermato come lo standard per la diffusione del video digitale in stream, ossia in modo tale da permettere la visione del brano già a partire da pochi secondi dopo la richiesta, indipendentemente dalle dimensioni del file e quindi mentre lo scaricamento di questo è ancora in corso. NetShow è sostanzialmente la risposta di Microsoft alla tecnologia RealNetworks: anch'essa permette infatti la gestione di file audio/video/testo interattivi. Prof. D. Giunta 72 Formato MP4 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 MPEG-4, nato nel 1996 e finalizzato nel 1998, è il nome dato a un insieme di standard per la codifica dell‘audio e del video digitale sviluppati dall‘ISO/IEC Moving Picture Experts Group (MPEG). L'MPEG-4 è uno standard utilizzato principalmente per applicazioni come la videotelefonia e la televisione digitale, per la trasmissione di filmati via Web, e per la memorizzazione su supporti CD-ROM. Prof. D. Giunta 73 Formato MP4 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Il cosiddetto "Mp4" è un formato di compressione video rivoluzionario che permette di ridurre le dimensioni dei file video senza una rilevante perdita di qualità. Generalmente i file in tale formato occupano solo una frazione (circa il 15%) della dimensione di un DVD standard, inoltre la risoluzione di 640x480 lo rende il miglior formato per l'home video. Il livello di compressione dipende dalla qualità e dalla risoluzione scelte per l'audio ed il video, ma generalmente 80-90 minuti con una risoluzione video di 640*480 occupano 650 MB di spazio. Prof. D. Giunta 74 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Riassumendo cosa posso codificare con 8.000.000 di bit (~1MB)? ~1 milione di caratteri: un libro di 350 pagine ~1000x1000pixel a 256 livelli di grigio (Immagine in bianco e nero ad alta risoluzione) ~2 minuti di voce ~5,6 secondi di musica qualità CD ~0,135 secondi di un filmato a 24 frame al secondo con colori a 8 bit Le codifiche riducono qualsiasi informazione a sequenze di 0 e 1, sono i programmi che interpretano in modo diverso queste sequenze Prof. D. Giunta 75 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Tutto ciò che utilizziamo nel computer: • caratteri • immagini • suoni • filmati • numeri deve allora essere codificato sotto forma binaria. Prof. D. Giunta 76 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 CODIFICA DEI NUMERI Il codice ASCII consente di codificare le cifre decimali da “0” a “9” fornendo in questo modo una rappresentazione dei numeri Per esempio: il numero 324 potrebbe essere rappresentato dalla sequenza di byte: 00110011 00110010 00110100 3 2 4 Ma questa rappresentazione non è efficiente e soprattutto non è adatta per eseguire le operazioni aritmetiche sui numeri Prof. D. Giunta 77 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 CODIFICA DEI NUMERI La rappresentazione dei numeri con il sistema decimale può essere utilizzata come spunto per definire un metodo di codifica dei numeri all’interno degli elaboratori Esempio: la sequenza di cifre 324 viene interpretato come: 3 centinaia + 2 decine + 4 unità 324 = 3 x 100 + 2 x 10 + 4x1 324 = 3 x 102 + 2 x 101 + 4 x 100 Prof. D. Giunta 78 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 CODIFICA DEI NUMERI In generale la sequenza cn cn-1cn-2 … c1c0 (ogni “ci” è una cifra compresa tra “0” e “9”) viene interpretata come: La cifra meno significativa c0 x 100 + (c0 unità) c1 x 101 + (c1 decine) c2 x 102 + (c2 centinaia) … La cifra più significativa cn-1 x 10n-1 + cn x 10n Prof. D. Giunta 79 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 CODIFICA DEI NUMERI La numerazione decimale quindi utilizza una notazione posizionale, cioè le cifre che compongono un numero cambiano il loro valore secondo la posizione che occupano. La notazione posizionale può essere utilizzata in qualunque altro sistema di numerazione (con base diversa di 10) Prof. D. Giunta 80 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Il sistema binario I numeri allora, all’interno di un elaboratore, si codificano utilizzando il sistema di numerazione binario, che è un sistema che utilizza solo due simboli: 0 e 1. Esistono diversi modi per effettuare le conversioni nei vari sistemi, vediamone una: Prof. D. Giunta 81 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Conversione decimale binario 6110 111101 Divisioni a catena 61/2 = 30 con il resto di 1 30/2 = 15 con il resto di 0 15/2 = 7 con il resto di 1 7/2 = 3 con il resto di 1 3/2 = 1 con il resto di 1 1/2 = 0 con il resto di 1 Prof. D. Giunta 82 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA Potenze di 2 ANNO ACCADEMICO 2011/2012 20 = 1 21 = 2 22 = 4 23 = 8 24 = 16 25 = 32 26 = 64 27 = 128 28 = 256 29 = 512 210 = 1024 Prof. D. Giunta 2-1 = 1/2 2-2 = 1/4 2-3 = 1/8 2-4 = 1/16 2-5 = 1/32 2-6 = 1/64 2-7 = 1/128 2-8 = 1/256 2-9 = 1/512 2-10 = 1/1024 83 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Conversione binario decimale 10010110 2 150 1 0 0 1 0 1 1 0 27 26 25 24 23 22 21 20 128*1 + 64*0 + 32*0 + 16*1 + 8*0 + 4*1 + 2*1 + 1*0 = 150 Prof. D. Giunta 84 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Addizione binaria 1 1 1011+ Ricorda: 0+0 =0 1 0 1 0= _______ 0+1 = 1 10101 1+0 = 1 1+1 = 0 con il riporto di 1 Prof. D. Giunta 85 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Sottrazione binaria -1 -1 10010 - 1110 = _______ 00100 Ricorda: 0-0 =0 0-1 = 1 con il prestito di 1 1-0 = 1 1-1 = 0 Prof. D. Giunta 86 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 In ambito informatico rivestono particolare rilevanza: la numerazione ottale, che utilizza solo 8 cifre (da 0 a 7) la numerazione esadecimale, che utilizza 16 cifre (da 0 a 9 e le lettere da A a F) che corrispondono ai valori da 0 a 15 decimali Prof. D. Giunta 87 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Il sistema ottale Per le conversioni si procede come per il sistema binario. Conversione decimale 12410 ottale 1748 124/8 =15 con il resto di 4 15/8 = 1 con il resto di 7 1/8 = 0 con il resto di 1 Prof. D. Giunta 88 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Il sistema ottale Per le conversioni si procede come per il sistema binario. Conversione ottale decimale 1748 1 82 12410 7 81 4 80 64*1 + 8*7 + 1*4 = 124 Prof. D. Giunta 89 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Il sistema esadecimale Per le conversioni si procede come per il sistema binario. Conversione decimale esadecimale 13910 8B 16 139/16=8 con il resto di 8/16 = 0 con il resto di Prof. D. Giunta B (11) 8 90 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Il sistema esadecimale Per le conversioni si procede come per il sistema binario. Conversione esadecimale decimale 8B16 8 B 161 160 13910 16*8 + 1*11 = 139 Prof. D. Giunta 91 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA Ricordiamo che: ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Se ho a disposizione: quattro bit tre bit due bit 0 0 1 1 0 1 0 1 22 = = = = 0 1 2 3 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 = = = = = = = = 0 1 2 3 4 5 6 7 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 = 1 = 0 = 1 = 0 = 1 = 0 = 1 = 0 = 1 = 0 = 1 = 0 = 1 = 0 = 1 = 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 23 24 Prof. D. Giunta 92 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 REGOLA: Con n bit si possono rappresentare 2n combinazioni diverse di numeri Prof. D. Giunta 93 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 CONVERSIONE TRA BASI Essendo le basi 8 e 16 potenze di 2, esiste un meccanismo semplice di conversione tra esse e la base 2. Per i numeri ottali è sufficiente suddividere il numero binario in gruppi di 3 bit (a partire da destra) e convertire ogni singolo gruppo nel corrispondente ottale: 1 0 1 1 1 0 1 0 0 = 5 6 4 ottale Prof. D. Giunta 94 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Il numero 1110001000101 equivale in base 8 a: 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 6 6 1 1 0 5 0 5 8 Prof. D. Giunta 95 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 CONVERSIONE TRA BASI Per i numeri esadecimali è sufficiente suddividere il numero binario in gruppi di 4 bit (a partire da destra) e convertire ogni singolo gruppo nel corrispondente esadecimale: 1 0 1 0 0 0 1 1 = A 3 esadecimale Prof. D. Giunta 96 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Il numero 1110001000101 equivale in base 16 a: 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 12 1 4 C 4 Prof. D. Giunta 5 5 16 97 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Esercizi proposti 1) A) 10110 = (?)10 B) 1001112 = (?)10 C) 3415 = (?)10 D) 2538 = (?)10 Prof. D. Giunta 98 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 1) SOLUZIONI A) 10110 = ?10 0*1 + 1*2 + 1*4 + 0*8 + 1*16 = 22 B) 1001112 = ?10 1*1 + 1*2 + 1*4 + 0*8 + 0*16 + 1*32 = 39 C) 341= ?10 3*25 + 4*5 + 1*1 = 9610 D) 253= ?10 2*64 + 5*8 + 3*1 = 17110 Prof. D. Giunta 99 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Esercizi proposti 2) A) 5410 = (?)2 B) 12310 = (?)2 C) 28310= (?)16 Prof. D. Giunta 100 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 2) SOLUZIONI A) 5410 = ?2 54/2 = 27 resto 0 27/2 = 13 resto 1 13/2 = 6 resto 1 6/2 = 3 resto 0 3/2 = 1 resto 1 1/2 = 0 resto 1 Prof. D. Giunta 1101102 101 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 2) SOLUZIONI B) 12310 =(?)2 11110112 C) 28310 =(?)16 11B Prof. D. Giunta 102 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Esercizi proposti 3) A) FA7216 = (?)2 B) 10011010001112 = (?)16 C) 3428= (?)2 Prof. D. Giunta 103 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 3) SOLUZIONI A) FA7216 = (?)2 (1111101001110010)2 B) 10011010001112 = (?)16 (1347) 16 C) 3428= (?)2 (11100010) 2 Prof. D. Giunta 104 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Esercizi proposti 1) (FA72 + B56)16 = 2) (10011010+ 110111)2 = 3) (342- 167)8= 4) (110000 – 10111)2 = 5) (A7C)16 + (350)8 – (132) 10 =(X) Prof. D. Giunta 2 105 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA Numeri interi ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Esistono vari metodi per rappresentare numeri sia positivi che negativi L’obiettivo è comunque quello di ottenere algoritmi semplici per costruire le operazioni aritmetiche direttamente con operazioni sui bit Un esempio di possibile rappresentazione: Complemento a 2 Prof. D. Giunta 106 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Rappresentazione Numeri Interi: Notazione complemento a 2 si fissa un’ampiezza di n bits detta precisione (es: n =16 bits) • il bit più significativo (quello all’estrema sinistra) determina il segno: 0 + 1• i bits restanti sono la codifica binaria se il numero e’ positivo (pertanto si possono rappresentare 215 numeri diversi ossia dal numero 0 a 215 -1=32767) Prof. D. Giunta 107 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Rappresentazione Numeri Interi: Notazione complemento a 2 se il numero e’ negativo si ricorre al criterio del complemento a 2 cioè ad ogni cifra si sostituisce 0 dove c’è 1 , 1 dove c’è 0 e alla fine si somma 1 Es: Se si fissa a 8 il numero di bit su cui operare 5 in binario è 0 0 0 0 01 01 -5 è 1 1 1 1 1 0 1 1 e infatti la loro somma è 0 Prof. D. Giunta 108 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Rappresentazione Numeri Interi: Notazione complemento a 2 • Con 16 bit i numeri negativi rappresentabili vanno da –1 a -215. • Riassumendo i numeri interi rappresentabili con 16 bit vanno da 215 –1 a –215, ossia da –32768 a +32767. Prof. D. Giunta 109 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Numeri razionali Utilizzando opportune convenzioni possiamo pensare di rappresentare non solo interi ma anche razionali Virgola fissa: si fissa il numero di cifre della parte decimale Virgola mobile: si rappresentano esponente e mantissa Prof. D. Giunta 111 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Rappresentazione Numeri Razionali: Notazione a Virgola Mobile (Floating Point) • Basata sull’idea della notazione scientifica ad esponente; es: 3.74=374 x 10-2 =374 E-2 o ancora 0.374 E+1 detta notazione esponenziale normalizzata, dove 374 è la mantissa e +1 è la caratteristica. Prof. D. Giunta 112 CORSO DI LAUREA IN MEDICINA E CHIRURGIA ANNO ACCADEMICO 2011/2012 Rappresentazione Numeri Razionali: Notazione a Virgola Mobile (Floating Point) Si utilizzano: • 1 bit per il segno, n bit per esponente, m bit per mantissa Ad esempio con 32 bit (singola precisione) 1 bit = bit di segno: 0 positivo, 1 negativo 8 bit = esponente 23 bit = mantissa Si possono rappresentare valori fino a 2 elevato a (-150) Oppure con 64 bit (doppia precisione) 1 bit = bit di segno: 0 positivo, 1 negativo 11 bit = esponente 52 bit = mantissa Si possono rappresentare valori fino a 2 elevato a (-1075) Prof. D. Giunta 113