Segnali audio. Rappresentazione dell informazione. Codifica audio. Campionamento. Campionamento 3/16/10. Analisi dei segnali audio.

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1 Segnali audio Rappresentazione dell informazione Esempio: la nota LA La pressione dell aria varia in modo sinusoidale con una frequenza di 440Hz 2 Analisi dei segnali audio Tu. i suoni possono essere vis2 come la somma pesata di suoni semplici (sinusoidi) 3 Onde sonore Segnali conenui DiscreEzzazione del tempo Campionamento Scelta di istane in cui considerare il valore del segnale DiscreEzzazione delle ampiezze Quan2zzazione codifica dei campioni con un numero predefinito di bit 4 Campionamento Campionamento Si misura l ampiezza del segnale analogico a intervalli regolari, ogni T secondi T è deko periodo di campionamento (in secondi) F = 1/T è deka frequenza di campionamento (in Hz) Per segnali audio di Epo vocale (ad es. telefono), la frequenza di campionamento è Epicamente di 8 khz Per segnali audio musicali (ad es. CD audio), la frequenza di campionamento è Epicamente di 44.1 khz Un campionamento più fiko (ovvero con una frequenza di campionamento maggiore) consente di rappresentare i segnali analogici con maggiore fedeltà 5 6 1

2 QuanEzzazione I campioni estra] con la quanezzazione rappresentano le ampiezze con precisione arbitraria Per poter essere rappresentato da un calcolatore, il valore dell ampiezza deve essere espresso tramite un numero finito di bit La quanezzazione suddivide l intervallo dei valori ammissibili in 2 k bit, dove k è il numero di bit per campione. La figura mostra una quanezzazione a 3 bit / campione 2 bit / campione 4 bit / campione QuanEzzazione 8 bit / campione Esempio: brano musicale su CD Frequenza di campionamento Hz 16 bit / campione 2 canali (destro e sinistro) 2 x 16 x = bit / sec 176 Kbyte / sec 1 canzone c.a. 5 minue 176 Kbyte/s x 60 sec/min x 5 min c.a 52 Mbyte 60 min di musica 176 x 60 x 70 c.a. 630 Mbyte Un file mp3 di una canzone da 5 min sono c.a. 5Mbyte fakore di compressione c.a. 10:1 L accuratezza della ricostruzione dipende: Da quanto sono piccoli gli intervalli di campionamento Da quane bit uso per descrivere il suono in ogni campione nella fase di quanezzazione Al solito maggiore accuratezza significa maggior quan1tà di memoria occupata! Anche per i suoni si possono uelizzare tecniche (lossless o lossy) di compressione per migliorare l occupazione di memoria della sequenza di campioni Le tecniche più efficvaci (lossy) sfrukano le debolezze dell orecchio umano Es. MPEG 1/2 Layer 3, deko anche MP Rappresentazione di immagini In generale anche le immagini sono un conenuo di informazioni Tipologia: Immagini scalari o raster, es. foto Immagini ve7oriali, es. un disegno geometrico Il calcolatore non può direkamente rappresentare in memoria informazione conenua Le immagini devono prima essere discreezzate in modo da poter essere codificate separatamente soko forma di numeri Azioni da fare come per l audio: Discre'zzazione (Campionamento): scomposizione dell immagine in un reecolo di pune (pixel, picture element) Quan'zzazione: codifica di ogni pixel con un valore numerico all interno di un ben peciso intervallo

3 Campionamento Problema: Rappresentare il disco seguente Si sovrappone al disco una griglia Si identificano i quadratini che discretizzano il disco Ogni quadratino si dice Pixel (da picture element) Risoluzione Chiamiamo risoluzione dell immagine la dimensione della griglia uelizzata per discreezzare l immagine es. 640x480 Aumentando la risoluzione (ovvero il numero dei pixel) e quindi diminuendo la dimensione del singolo pixel, la rappresentazione approssima meglio l immagine originaria Effe] della riduzione di risoluzione QuanEzzazione Dopo aver discreezzato l immagine occorre rappresentare ogni pixel con un numero rappresentante il colore associato Quan1zzazione La rappresentazione okenuta è una nota codifica: Codifica bitmap Nel caso di immagini in bianco e nero senza sfumature sono sufficiene due soli bit per ogni pixel: 0/1 > Bianco Nero Immagini b/n: Un esempio Ogni pixel è rappresentato da un bit Immagini in scala di grigi / colori Immagini in bianco e nero con sfumature Si usa la rappresentazione in toni di grigio : un byte per pixel, con 256 gradazioni di grigio per ogni pixel, o più byte per pixel, per avere più gradazioni possibili Immagini a colori Si usa la rappresentazione del colore secondo il modello RGB (red, green,blu): sintesi addieva dei tre colori primari red, green, blu, ognuno con la propria codifica Profondità croma1ca: numero di bit per ogni pixel (di norma 24, ovvero un byte per ogni colore) RED 100 Codifica : GREEN 200 Codifica : BLU 200 Codifica :

4 Effe] della quanezzazione Codifica di immagini 4 bpp 3 bpp La risoluzione e la profondità cromaeca determinano la dimensione di memoria necessaria a memorizzare l immagine Esempio: 1024x768 pixel x 256 toni di grigio per pixel = 1024x768 pixel x 8 bit per pixel = 768 Kbyte Se l immagine è a colori Esempio 1024x768 pixel x 3 componene per pixel x 256 toni per componente = 1024x768 pixel x 3 componene per pixel x 8 bit per pixel = 2304 Kbyte 2 bpp 1 bpp Codifica di immagini In fase di codifica esiste la necessità di adokare tecniche di compressione per o]mizzare: Occupazione di spazio di memoria Velocità di trasmissione akraverso la rete Tecniche di compressione senza perdita di informazione (lossless) Sono reversibili Ad hoc per le immagini ad es. PNG Applicabili a qualsiasi Epo di dato ad es. codifiche basate sulla frequenza staeseca dei dae: i dae più frequene vengono codificae con sequenze di bit più brevi (ZIP) Algoritmi con perdita di informazione (lossy) Generalmente sono specifici di un certo campo e sfrukano le carakeriseche degli ogge] da rappresentare per bukare via informazione poco importane Nel caso di immagini gli algoritmi usae nei formae JPEG sfrukano la carakeriseca dell occhio umano di essere poco sensibile a lievi cambiamene di colore in pune conegui, e quindi eliminano quese lievi cambiamene appiakendo il colore dell immagine Generalmente è possibile specificare quanto siamo dispose a perdere akraverso alcuni parametri 21 Principali formae di compressione per immagini raster TIFF (Tagged Image File Format): uso di tag (eecheke) descri]vi, 24 bit/pixel, compressione senza perdita GIF (Graphics Interchange Format, Compuserve): più immagini nello stesso file, compressione senza perdita PNG (Portable Network Graphics): compressione lossless, studiato per sosetuire GIF (coperto da breve]). Supporta solo grayscale e RGB. Studiato per trasmissione di immagini su Web BMP (BitMaP, Microsou e IBM): 1, 4, 8, 24 bit/pixel, compressione senza perdita (RLE) JFIF (Jpeg File Interchange Format): compressione JPEG (meglio noto come formato JPEG ) 22 FaKore di Compressione Esempio: Compressione jpeg Esempio: Fotocamera a 8 Mpixel c.a di pixel Occupazione immagine non compressa a colori pixel x 3 componene / pixel x 1 byte / componente = byte c.a. 24 Mbyte Salvo l immagine in formato JPEG e okengo un file mypicture.jpg di dimensione 2.4 Mbyte FaKore di compressione dimensione originale / dimensione file compresso 24 Mbyte / 2.4 Mbyte = 10:1 23 Compressione = 13.6:1 Compressione = 78:1 24 Compressione = 37:1 Compressione = 96:1 4

5 Immagine originale 8 bpp (bits/pixel) Compressione JPEG 0.5 bpp FaKore di compressione: 8 bpp / 0.5 bpp = Compressione JPEG 0.35 bpp FaKore di compressione: 8 bpp / 0.35 bpp = 22.8 Immagini vekoriali Codifica simbolica di elemene grafici es.: circle polyline.. Applicabilità limitata al mondo geometrico (non fotografie) Nessuna perdita di dekaglio ingrandendo o rimpicciolendo l immagine Formato principale: SVG (+ un vasto insieme di formae proprietari) forme geometriche, cioè linee cosetuite da segmene di reka e curve e aree delimitate da linee chiuse; immagini della grafica raster e immagini digitali; tese esplicaevi, eventualmente cliccabili FormaE vekoriali/bitmap (mise) PostScript (Adobe): misto bitmap vekoriale, compressione con e senza perdita È un linguaggio di descrizione di pagina uelizzato principalmente nel mondo dell editoria elekronica e del desktop publishing EPS (Encapsulated PostScript): derivato da PostScript PDF (Portable Document Format): derivato da PostScript UElizzato per rappresentare documene 2D in modo indipendente dal disposievo di rendering e della risoluzione dello stesso ConEene Un sokoinsieme del linguaggio PS Un sistema per l embedding/replacement dei font Un sistema per unire in modo strukurato contenue di Epo differente (testo, immagini, font, grafica vekoriale) Immagini in movimento: I Video Video: successione di immagini fisse (o frame) trasmesse con velocità sufficientemente elevata Il movimento è rappresentato già in modo discreto nei media: con un numero abbastanza alto di fotogrammi fissi (15 30 al secondo) l occhio umano percepisce il movimento come un conenuo

6 Video interallaciato vs. progressivo Tradizionalmente, il segnale video di Epo televisivo uelizza un formato interallacciato Prima vengono generate le righe pari, poi quelle dispari Vengono generae 50 semiquadri al secondo Nel formato progressivo, ogni frame è cosetuito sia dalle righe pari che da quelle dispari Un esempio video interallacciato Interallacciato (ad. es TV) 720 pune / linea 576 linee (288 linee pari, 288 linee dispari) 50 semiquadri al secondo 3 byte / pixel (RGB) 720 x 288 x 50 x 3 = byte / sec c.a. 31 Mbyte/sec c.a. 250 Mbps 2h di film occupano (se non compressi) 2x60x60x31 = Mbyte c.a. 223 Gbyte Un DVD ha una capacità di c.a. 4.5 Gb avrei bisogno di un fakore di compressione pari a 223 / 4.5 = Un esempio video progressivo Progressivo (ad. es cellulare) 320x240 pixel 15 frame / secondo 3 byte / pixel (RGB) 320 x 240 x 15 x 3 = byte / sec c.a. 3.5 Mbyte/sec c.a. 28 Mbyte / sec 1 minuto di video registrato occupa (se non compresso) 60x3.5 = 210 Mbyte Codifica video Potrei in principio codificare separatamente ogni fotogramma come immagine fissa E la tecnica usata da molte fotocamere compake, che salvano i filmae ripresi in formato MoEon JPEG (ogni frame è compressa con JPEG) Si è in grado di okenere rappore di compressione dell ordine senza eccessiva perdita di qualità Per mekere un film su DVD abbiamo bisogno di un rapporto di c.a Codifica video Immagine originale 1 Per okenere rappore di compressione più ale è necessario sfrukare la ridondanza temporale Frame consecuevi in una sequenza di immagini sono simili l uno all altro Codifico solo le differenze tra i frame successivi E possibile okenere rappore di compressione di 50:1 fino a anche a 100:1 senza un degrado eccessivo della qualità

7 Immagine originale 2 Differenza con pixel di destra Differenza tra originali Differenza a moto compensato Standard di codifica video MPEG (Moving Picture Experts Group): MPEG 1 Video CD MPEG 2 TV digitale, DVD MPEG 4 DivX, H.264/AVC HD DVD, Blue ray DVD Definisce anche la codifica dei dae audio (vedi slide seguene) e la sincronizzazione con i dae video ITU T (InternaEonal TelecommunicaEon Union TelecommunicaEons StandardizaEon Sector) H.263 video telefonia AVI (Audio Video, Microsou) Formato contenitore. Può contenere audio/video compressi con formae diversi 41 7