INFORMATICA
UMANISTICA B
RAPPRESENTAZIONE DELLE
INFORMAZIONI IN FORMA DIGITALE
http://www.disi.unitn.it/~poesio/Teach/IU
[email protected]
CONCETTI FONDAMENTALI
INTRODOTTI IN QUESTA LEZIONE

Due tipi di informazione:





in forma ANALOGICA (continua)
in forma DISCRETA (o simbolica)
Per rappresentare o comunicare informazione in
forma discreta occorre un CODICE
Esempi di codici: DNA, Morse
Esempi di codici digitali:




Per numeri
Per testi
Per immagini
Per suoni
Informazione su computer

Un computer deve:

Fare input/output dell’informazione


Memorizzare l’informazione


Usando i dispositivi di input/output
Usando la memoria principale/secondaria
Elaborare l’informazione

Usando il processore
Informazione su computer
codifica
rappresentazione
digitale
informazione
decodifica
Mondo esterno
Computer: memorizzazione,
elaborazione
PROBLEMA DELLA RAPPRESENTAZIONE
DELL’INFORMAZIONE SU COMPUTER
SVILUPPARE CODICI CHE PERMETTANO
DI
RAPPRESENTARE INFORMAZIONE DI
TIPO DISCRETO IN MODO EFFICIENTE
SU UN SUPPORTO FISICO
RAPPRESENTARE INFORMAZIONE DI
TIPO ANALOGICO CON CODICI
DISCRETI
RAPPRESENTAZIONE
ANALOGICA E DISCRETA

Rappresentazione ANALOGICA: una serie di
distinzioni CONTINUE


Immagini, suoni, numeri reali
Rappresentazione DISCRETA: ogni elemento
chiaramente distinto dagli altri
INFORMAZIONE IN FORMA
ANALOGICA
INFORMAZIONE IN FORMA DISCRETA
RAPPRESENTAZIONE
DELL’INFORMAZIONE E
COMUNICAZIONE
L’IDEA DI SVILUPPARE CODICI PER
RAPPRESENTARE INFORMAZIONE NON E’
SORTA CON I COMPUTER, MA PER
FACILITARE LA COMUNICAZIONE TRA
ESSERI UMANI
UN ESEMPIO DI CODICE: LA SCRITTURA
(IDEOGRAFICA O DISCRETA)



Le prime forme di scrittura
furono tutte essenzialmente
ideografiche
La scrittura fonetica alfabetica
appare, sempre in area
mediorientale, intorno al 1500 a.
C
Ma furono solamente i Greci
che, introducendo anche i segni
per le vocali, ne completarono
l’evoluzione intorno all’ottavo
secolo a. C.
IL CODICE MORSE
-- --- ·-· ··· · (space) -·-· --- -·· ·
M O R S E (space) C O D E
IL CODICE MORSE


Un codice TERNARIO (-, ., spazio)
Codici per i caratteri scelti in modo che i
caratteri piu’ frequenti hanno codici piu’ brevi
UN ESEMPIO DI CODICE
DISCRETO VISIVO
CODICI IN NATURA

In realta’, i codici sono apparsi ben prima
degli esseri umani. In natura si trovano molti
esempi di codici, i piu’ famosi dei quali sono


Il DNA
Il repertorio di fonemi di un linguaggio
UN CODICE FONDAMENTALE:
Il DNA
CODICE = CONVENZIONE



Il fatto che una certa immagine od un certo simbolo
rappresentino informazione non è sufficiente perche’
possano essere usati per la comunicazione
Un CODICE (o LINGUAGGIO) è un insieme di
SEGNI (e di regole) che mittente e destinatario
devono CONDIVIDERE affinché il primo sia in grado
di formulare messaggi ed il secondo di comprenderli
Ogni codice e’ quindi una forma di CONVENZIONE
sociale stabilita tra individui (cfr. David Lewis)
CODICI E STATI INFORMATIVI
I CODICI VENGONO PROGETTATI
SULLA BASE DELLE DISTINZIONI CHE
DEVONO ESSERE RAPPRESENTATE
OGNI TIPO DISTINTO DI
INFORMAZIONE: STAT0
UN ESEMPIO MINIMO DI
INFORMAZIONE: L’INTERRUTTORE

Due stati distinti:


Acceso
Spento

L’informazione sullo stato dell’interruttore
corrisponde dunque alla scelta fra due sole
alternative

Possiamo rappresentarla usando una sola cifra con
due valori: 0 od 1
UNA DEFINIZIONE SEMI-FORMALE DI
CODICE (O LINGUAGGIO)
a)
b)
c)
d)
una serie di nozioni sugli stati del mondo che possono essere il
contenuto di ciascun atto comunicativo; chiamiamo questi elementi
significati
una serie di simboli astratti che possono essere connessi in modo
convenzionale a significati; essi possono essere sottoposti a regole
che ne governino la combinazione e la successione e che
stabiliscano quali sequenze considerare e quali scartare; chiamiamo
queste regole sintassi
una serie di eventi fisici dotati di caratteristiche distintive, che
possono essere adoperati per rappresentare le unità astratte della
serie (b)
una regola che associa in modo sistematico le unità della serie (a) a
quelle della serie (b), ed in seconda istanza le unità della serie (b) a
quelle della serie (c)
CODICI PER NUMERI

Nel caso dei numeri, la necessita’ di
sviluppare un codice limitato non e’ motivata
solo da facilita’ di memorizzazione, ma anche
dalla necessita’ di usarli per
MANIPOLAZIONI SIMBOLICHE
DUE CODICI PER I NUMERI

Codice ROMANO:


Codice DECIMALE:


7 + 4 = 11
Differenza fondamentale: il codice decimale e’ un
codice POSIZIONALE



VII + IV = XI
7 = 7x100
70 = 7x101 + 0 x100
I codici posizionali rendono le operazioni aritmetiche
molto piu’ semplici
Rappresentazione digitale dei
numeri



Il codice decimale, benche’ molto comodo, non e’ il
codice MINIMO
Per rappresentare informazione sui computer,
codice minimo essenziale perche’ occorreva poter
rappresentare ogni simbolo diverso in modo FISICO
(= con circuiti elettrici)
Il minimo numero di simboli diversi necessari per
rappresentare tutti i numeri e’ il codice BINARIO: 0,
1
Perché la rappresentazione
binaria?

I due simboli (0 e 1) possono
essere rappresentati da:



Due stati di polarizzazione di
una sostanza magnetizzabile
Due stati di carica elettrica di
una sostanza
L’invenzione dei tubi catodici
prima, e dei transistor poi, ci
ha fornito gli strumenti per
rappresentare due stati di
carica elettrica
Rappresentazione digitale =
rappresentazione binaria

L’entità minima di informazione che possiamo
trovare all’interno di un elaboratore prende il
nome di bit



Binary digit – cifra binaria
Un bit può assumere due valori
Rappresentazione binaria

Solo due simboli (0 e 1)
USO DELLA RAPPRESENTAZIONE
BINARIA: DUE STATI

Due possibilità


Acceso
Spento

L’informazione sullo stato dell’interruttore
corrisponde dunque alla scelta fra due sole
alternative

Possiamo rappresentarla usando un solo bit
NUMERO MAGGIORE DI STATI


Per poter rappresentare un numero maggiore di
informazione si usano sequenze di bit
Per esempio, per rappresentare quattro informazioni
diverse possiamo utilizzare due bit che ci
permettono di ottenere quattro configurazione
distinte
00
01
10
11
Il processo secondo cui si fa corrispondere ad
un’informazione una sequenze di bit prende il nome
codifica dell’informazione
QUATTRO STATI DIVERSI


Esempio: un esame può avere quattro
possibili esiti: ottimo, discreto, sufficiente,
insufficiente
Codifica (due bit):




ottimo con
discreto con
sufficiente con
insufficiente con
00
01
10
11
OTTO STATI


Esempio: otto colori: nero, rosso, blu, giallo, verde,
viola, grigio, arancione
Codifico (tre bit):








nero con
rosso con
blu con
giallo con
verde con
viola con
grigio con
arancione con
000
001
010
011
100
101
110
111
I numeri in rappresentazione
binaria




Il principio e’ lo stesso del codice decimale, ma con
due soli simboli
8 = 8x100 = 1x23 + 0x22+ 0x21+ 0x20 =
1000
70 = 7x101 + 0 x100 =
64
+4 +2=
1 x26 + 0x25+ 0x24+ 0x23+ 1x22+ 1x21+ 0x20 =
1000110
178 = 1x102 + 7x101 + 8x100 =
128 + 32 + 8 + 2 =
1x27+ 0x26 + 1x25+ 0x24+ 1x23+ 0x22+ 1x21+ 0x20 =
10101010
BYTE


Esiste una particolare aggregazione di bit che
è costituita da 8 bit (28 = 256 informazioni) e
prende il nome di byte
Di solito si usano i multipli del byte
Kilo
KB
210 (~ un migliaio, 1024) byte
Mega
MB
220 (~ un milione, 1KB x 1024) byte
Giga
GB
230 (~ un milliardo, 1MB x 1024) byte
Tera
TB
240 (~ mille miliardi, 1GB x 1024) byte
RAPPRESENTAZIONE DI INTERI
SU COMPUTER

Tipicamente 4 byte (= 32 bit) oppure 8 byte
(= 64 bit)
RAPPRESENTAZIONE DIGITALE
DI ALTRI TIPI DI INFORMAZIONE


Per molti anni, l’unico tipo di informazione
rappresentata sui computers informazione di
tipo numerico
Ma di fatto, si scopri’ presto che lo stesso
trucco poteva venire usato per I TESTI
La codifica digitale del testo
che tipo di
rappresentazione
digitale del testo?
La codifica digitale del testo
Il testo e la sua organizzazione
intestazione
capitolo
titolo
testo
La codifica digitale del testo
Il testo come sequenza di caratteri
Ciascun carattere alfanumerico, di punteggiatura o di
controllo che compone il testo deve essere rappresentato
nei termini di un codice binario
Le avventure di Pinocchio
Capitolo I
Come andò che Maestro Ciliegia, falegname, trovò un pezzo di legno, che
piangeva e rideva come un bambino.
C'era una volta...
- Un re! - diranno subito i miei piccoli lettori.
- No, ragazzi, avete sbagliato. C'era una volta un pezzo di legno.
Non era un legno di lusso, ma un semplice pezzo da catasta, di quelli che
d'inverno si mettono nelle stufe e nei caminetti per accendere il fuoco e per
riscaldare le stanze.
Non so come andasse, ma il fatto gli è che un bel giorno questo pezzo di
legno capitò nella bottega di un vecchio falegname, il quale aveva nome
mastr'Antonio, se non che tutti lo chiamavano maestro Ciliegia, per via della
punta del suo naso, che era sempre lustra e paonazza, come una ciliegia
matura.
La codifica di alto livello:
il punto di partenza
Il testo codificato al livello zero si presenta
come un manoscritto in scriptio continua
La codifica digitale del testo

Due livelli di codifica del testo digitale

codifica di basso livello (codifica di livello 0)
riguarda la rappresentazione binaria della sequenza
ordinata dei caratteri


codifica di alto livello
arricchisce il testo codificato al livello zero con
informazione relativa a dimensioni strutturali



organizzazione del testo in strutture macrotestuali
articolazione del testo in strutture linguistiche
La codifica di alto livello permette di rendere esplicita qualsiasi
interpretazione, anche di tipo linguistico, si voglia associare al
testo
Come sono rappresentati i
caratteri nel computer?

Repertorio di caratteri



un insieme di caratteri (es. “A”, “a”, “!”, “à”, “P”, ecc.)
i caratteri sono entità astratte, da non confondersi con il modo in cui sono
realizzati graficamente (gliphs)

“a”, “a”, “a”, “a” sono tutti lo stesso carattere “a”

la stessa realizzazione grafica può corrispondere a caratteri diversi (es. “A”
latino e “A” cirillico e “A” greco)
Set di carattere (codice)

una tabella che definisce una corrispondenza biunivoca (1-a-1) tra un
repertorio di caratteri e un insieme di numeri interi non negativi


a ogni carattere è assegnato un codice numerico (punto di codice o code
position)
Codifica di carattere

algoritmo che determina come i codici dei caratteri sono rappresentati in
sequenze di bits (bytes)
Il codice ASCII

Primo standard per l’assegnazione di codici a caratteri (dal
1963)



set di caratteri riconosciuto da tutti i computer
conosciuto come “ASCII Standard” o ISO-646
Codifica

7 bits




ciascun punto di codice è rappresentato con il numero binario
corrispondente di 7 bits
in realtà 1 byte = 8 bits di cui un bit non è usato per la codifica (bit di
parità)
7 bits = 27 punti di codice = 128 caratteri rappresentati
Sufficiente per rappresentare l’inglese

mancano i caratteri accentati, umlauts, ecc. per rappresentare
altri alfabeti occidentali
ASCII (binario)
CODIFICA DI PAROLE IN ASCII


Parole sono sequenze di caratteri
Codifica della parole cane
01100011
c

01100001
a
01101110
n
01100101
e
Il problema inverso: data una sequenza di bit, il
testo che essa codifica può essere ottenuto nel
modo seguente:


si divide la sequenza in gruppi di otto bit (byte)
si determina il carattere corrispondente ad ogni byte
LIMITI DELL’ASCII E
SOLUZIONI



ASCII sviluppato per lingue anglosassoni,
quindi non contiene codici per molti caratteri
di lingue come l’Italiano
Molti codici furono proposti che utilizzano l’8
bit
ISO ha cercato di proporre standards

Esempio: ISO-LATIN-1
Il set di caratteri ISO-Latin-1

ISO-Latin-1 (ISO-8859-1 o ASCII esteso)

unica estensione standard di ASCII

1 byte = 8 bits = 28 punti di codice = 256 caratteri rappresentati

sufficiente per lingue europee occidentali (italiano, francese, ecc.)
ASCII Standard
Caratteri di controllo
0-32
128-159
UNICODE



www.unicode.org
Proposta di codice a 16 bit che può quindi essere
usato per codificare 216 simboli diversi (cioe’ tutti gli
alfabeti, incluso cinese ed arabo)
Esempio: Medieval Unicode Font


Problemi:



gandalf.aksis.uib.no/mufi
Non tutti gli editori lo trattano
Dimensioni dei file raddoppiano
Soluzioni: UTF
Dall’analogico al digitale
OK, nel caso dei testi è tutto chiaro…
…ma come la mettiamo con immagini, suoni,
filmati?
Cominciamo dalle immagini…
Di nuovo, il trucco e’ convertire l’informazione
nelle immagini in forma binaria!!
Codifica delle immagini
Suddividiamo l’immagine mediante una griglia formata
da righe orizzontali e verticali a distanza costante
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
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
1
1
0
0
1
1
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Codifica delle immagini
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
1
1
0
0
1
1
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
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
EFFETTO DELLA RISOLUZIONE
ESERCIZIO (PER I TECNOFILI
DANAROSI)

Se avete sia un telefonino con camera che
una camera digitale, provate a riprendere due
immagini dello stesso oggetto ….
PIU’ DI DUE COLORI


Se l’immagine è solo in bianco e nero (senza grigi),
basterà usare un ‘1’ per i pixel neri, e uno ‘0’ per i
pixel bianchi
Se l’immagine ha più di due colori, si faranno
corrispondere a gruppi diversi di ‘0’ e ‘1’ sfumature
diverse di colore (o di grigio)
RAPPRESENTARE COLORI

Così, ad esempio, se si fa corrispondere a ogni pixel
un byte (cioè 8 bit), potremo differenziare 256 colori

Al posto della tabella di codifica dei caratteri avremo
una tabella di codifica dei colori

Ad es: 00101101 
I SUONI
CONVERSIONE IN DIGITALE VIA
CAMPIONAMENTO
SUONO: DALLA RAPPRESENTAZIONE
ANALOGICA ALLA RAPPRESENTAZIONE
DIGITALE
Digitalizzare informazione
multimediale

E i filmati? Un filmato non è altro che una
successione di fotogrammi (frame)
accompagnata da una colonna sonora

Basterà codificare, uno per uno, tutti i fotogrammi
(sappiamo come fare: ogni fotogramma è
un’immagine)… e codificare la colonna sonora.
Non stupisce che per codificare un breve filmato
servano moltissimi bit!

`Convergenza digitale’ o
`Multimedialita’
TEORIA DELL’INFORMAZIONE
Dobbiamo a Claude
Shannon e Warren Weaver
la prima definizione teorica
rigorosa del concetto di
comunicazione ed il primo
schema astratto di tutti i
processi comunicativi,
elaborati alla fine degli anni
‘40
LA COMUNICAZIONE SECONDO
SHANNON & WEAVER
La comunicazione è il trasferimento di informazioni
mediante segnali da una fonte a un destinatario

Lo schema della comunicazione di Shannon e
Weaver è un modello astratto della
comunicazione. Esso ha l’obiettivo di individuare la
forma generale di ogni processo comunicativo e i
fattori fondamentali che lo costituiscono, quegli
elementi, cioè, che devono essere presenti ogni
qual volta si verifichi un passaggio di informazione
IL MODELLO
‘NOISY CHANNEL’
TEMI CENTRALI DELLA TEORIA
DELL’INFORMAZIONE



Informazione come SCELTA tra
ALTERNATIVE
Un MESSAGGIO viene usato per comunicare
quale tra queste alternative e’ vera / interessa
/ si vuole raggiungere
Come e’ possibile sviluppare il codice PIU’
EFFICIENTE (= che richiede il minor numero
di bit)?
MINIMO NUMERO DI BIT
RICHIESTI PER CODICE





Con 2 bit si codificano 4 distinzioni (22)
Con 3 bit si codificano 8 distinzioni (23)
…
Con N bit si possono codificare 2N distinzioni
differenti
Viceversa, se devo rappresentare N
distinzioni, devo usare almeno log2 N bit
NUMERO DI BIT NECESSARI PER
RAPPRESENTARE INFORMAZIONE


Se il problema è quello di dover rappresentare M
informazioni differenti si deve selezionare il numero
di N bit in modo tale che
2N >= M
Esempio: per rappresentare 40 informazioni
differenti devo utilizzare 6 bit perché
26 = 64

5 bit non sono sufficienti perché 25 = 32
COMPRESSIONE



L’informazione analogica richiede molti bit
Per cercare di ridurre l’impiego di bit,
possiamo cercare di utilizzare tecniche di
compressione
Le tecniche di compressione usano ogni
trucco possibile per ‘economizzare’ sul
numero di bit utilizzati per la codifica
GIF VS. JPEG
GIF (75279 bytes)
JPEG (15975 bytes)
JPEG: PIU’ / MENO COMPRESSO
SUONO ORIGINALE / MP3

CD:





Musica campionata 44100 volte al secondo
16 bit per campione
Campioni per sinistra e destra (stereo)
Totale: 1 411 200 bits x secondo
= 32 M per una canzone di 3 minuti
MP3

Sfrutta conoscenza dei limiti dell’udito
umano per ridurre la quantita’ di
informazione da immagazzinare:



Escludi suoni che l’orecchio non puo’ udire
Quando c’e’ un suono particolarmente rumoroso,
non registrare gli altri suoni
Fattore di riduzione: anche 10 volte (= 3M per
canzone)
RIASSUNTO



Due tipi di informazione: in forma ANALOGICA, in
forma DISCRETA (o simbolica)
Per rappresentare o comunicare informazione
occorre un CODICE
Codici digitali:






Per numeri: binario
Per testi: ASCII
Per immagini
Per suoni
E’ possibile progettare dei codici piu’ o meno ottimali
usando idee della teoria dell’informazione
Compressione: JPEG, MP3
RIFERIMENTI / SITI





Tomasi, capitoli 1.1 e 6
Lucidi di Ciotti online:
 Online:
http://www.mediamente.rai.it/mediamentetv/learning
/ed_multimediale/lezioni/01/
Rappresentazione digitale delle immagini e
compressione:
 http://www.med.unifi.it/didonline/annoI/informatica/node3.html
JPEG: http://www.brycetech.com/tutor/windows/jpeg_compression.html
MP3:
 http://it.wikipedia.org/wiki/MP3
Ringraziamenti

Parte del materiale preso da:




Informatica Umanistica anni precedenti (Cuel /
Ferrario)
Sito online di Testo e Computer (Lenci /
Montemagni / Pirrelli)
Ciotti / Roncaglia
Jeremy Sproston (Universita’ di Torino)