Le immagini digitali. Formati e caratteristiche di digitalizzazione

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1 Le immagini digitali Formati e caratteristiche di digitalizzazione

2 Immagini Digitali Cosa si intende con analogico e digitale? Come avviene la rappresentazione digitale delle immagini? Come è possibile memorizzare un immagine digitale? 2

3 Rappresentazione analogica La rappresentazione analogica di un informazione si basa su un insieme continuo di valori Esempio: il termometro a mercurio rappresenta il valore della temperatura in base alla lunghezza della colonnina di mercurio. In teoria non ci sono limiti alla precisione delle rappresentazioni analogiche Infatti ad ogni minima variazione di temperatura si ottiene (o si dovrebbe ottenere) un analoga variazione della dimensione della colonnina di mercurio. 3

4 Rappresentazione digitale La rappresentazione digitale si basa su un insieme discreto di valori Esempio: un termometro digitale rappresenta la temperatura in gradi e decimi di grado e la visualizza su un display. Un termometro di questo tipo non è in grado di misurare variazioni di temperatura inferiori al decimo di grado poiché la sua rappresentazione si basa su un insieme discreto composto da multipli di un unità di base, nel nostro esempio decimi di grado. 4

5 Le Immagini Immagine fotografica (analogica): è composta da milioni di pigmenti colorati molto piccoli e spazialmente irregolari. Si parla di grana della fotografia: sulla pellicola fotografica sono posti dei materiali fotosensibili che alterano il loro stato se colpiti dalla luce. L immagine e ottenuta per analogia con la quantità di luce che ha impresso i diversi punti della pellicola durante la fase dell esposizione 5

6 La digitalizzazione delle immagini Esistono due tipi di immagini digitali: Immagini bitmap, rappresentate sul supporto digitale come una matrice di punti Immagini vettoriali, rappresentate come funzioni vettoriali che descrivono curve e poligoni

7 Le immagini vettoriali Nel caso di figure geometriche relativamente semplici, invece di descrivere l immagine punto per punto, conviene specificare: tipo, forma, colore, dimensione e posizione delle figure geometriche (cerchi, rettangoli, linee, frecce e così via) che le compongono. Esempio del quadrilatero: descrizione tramite quattro vertici, colore del contorno, spessore del contorno, colore di riempimento. ABCD ABCD ABCD Esempi: le immagini grafiche già pronte con l estensione WMF che Word mette a disposizione, le cosiddette clipart, sono realizzate in grafica vettoriale. Anche i font TrueType si basano sulla grafica vettoriale

8 Le immagini vettoriali I vantaggi della descrizione vettoriale sono essenzialmente i seguenti: si risparmia sulle dimensioni dell immagine (al posto della descrizione di tutti i punti basta specificare solo la posizione di pochi punti chiave e le equazioni per collegarli) si possono facilmente ridimensionare senza perdita di qualità È possibile muovere e modificare ogni singolo elemento geometrico che compone l immagine.

9 Le immagini bitmap Una immagine digitale bitmap è costituita da una matrice di punti detti picture element (pixel), simili ai punti della retinatura nelle immagini a stampa

10 LA CODIFICA DELLE IMMAGINI Partiamo a contare i quadratini dal più in basso a sx Posso assegnare a questa figura geometrica la seguente serie di bit: Che posso memorizzare in un file: archivio, fila I file sono caratterizzati da un nome e una estensione nome.ext (rettangolo.bmp)

11 LA CODIFICA DELLE IMMAGINI

12 LA CODIFICA DELLE IMMAGINI Aumentando il numero dei quadratini, (pixel) in cui scompongo l immagine la digitalizzazione sarebbe più precisa

13 LA CODIFICA DELLE IMMAGINI Aumentando il numero dei quadratini, (pixel) in cui scompongo l immagine la digitalizzazione sarebbe più precisa

14 Un esempio di digitalizzazione (3) La nostra immagine di partenza, dopo questa operazione, si è dunque trasformata in una sorta di mappa composta di e, ed infatti il nome tecnico che si usa per descrivere questa sequenza di bit è proprio bitmap. Ovviamente, più fitta è la griglia che sovrapponiamo all immagine e più la nostra rappresentazione digitale risulterà fedele all originale. D altra parte, una griglia più fitta significa un maggior numero di pixel e quindi un maggiore numero di bit che dovranno essere utilizzati per descrivere digitalmente l immagine.

15 Un esempio di digitalizzazione (4) Avendo un immagine di partenza a colori, anziché utilizzare solo uno o un per ogni pixel, utilizzeremo una combinazione di e in base a una tabella di codifica dei colori. La successiva tabella di codifica dei colori è ad esempio composta di 64 colori, e quindi ad ogni pixel potremo assegnare un numero da a 63 in binario che individuerà univocamente un colore della tabella stessa. Per esprimere in binario numeri da a 63 sono necessari sei bit, quindi ad ogni pixel dell immagine corrisponderà una combinazione di sei bit. In generale: c = 2 n c = numero di colori da rappresentare n = numero di bit da utilizzare

16 Le immagini bitmap: caratteristiche Ciascun punto rappresenta una porzione di immagine in un particolare colore (o tono di grigio) e viene codificato mediante uno o più bit Il numero di punti in una data area determina la risoluzione dell immagine Il numero di colori o di toni di grigio che ciascun punto può rappresentare individua la profondità di colore

17 La risoluzione La risoluzione esprime la densità dei pixel che compongono l immagine ed è tanto maggiore quanti più punti sono rappresentati in una data area (e maggiore è la qualità dell'immagine) Si misura in numero di pixel contenuti in una unità lineare dell immagine, generalmente in un pollice ( inch = 2,54 cm) L unità di misura è il pixel per inch : Es: 72 punti per pollice (PPI) il termine DPI (dot per inch) viene spesso utilizzato al posto di PPI. ( Il termine DPI dovrebbe essere utilizzato per gli elementi stampati, mentre PPI per le immagini visualizzate sullo schermo).

18 La profondità di colore La profondità di colore è determinata dal numero di bit utilizzato per rappresentare ciascun pixel Un immagine in bianco e nero associa a ciascun punto un solo bit ( bianco, nero) Con 8 bit (un byte) è possibile rappresentare immagini con 256 toni di colore o di grigio. Infatti 2 8 =256 Un immagine a colori associa a ciascun pixel 6 bit (infatti 2 6 =65536) In un immagine True Color, cioè a colori a 24 bit, ogni pixel può assumere 6 milioni di colori diversi

19 COMBINAZIONI DI COLORI I componenti fondamentali possono essere il Rosso, Verde e Blu (Red Green Blue) usati per: PRODURRE LUMINOSITÀ, dalla cui massima combinazione deriva il bianco (usato, ad esempio, per produrre il colore su monitor)

20 COMBINAZIONI DI COLORI Oppure i componenti fondamentali possono essere il ciano magenta e giallo (CMY) usati 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)

21 Le codifiche di colore RGB RGB sta per Red (rosso) Green (verde) e Blue (blu). Questo modello rappresenta il modo secondo il quale il computer 'vede' i colori. Infatti devi sapere che ciascun pixel dello schermo puo' essere acceso come una piccola lampadina attraverso un 'raggio di luce' prodotto da un cannone elettronico (si chiama proprio cosi') presente all'interno del monitor. Questo raggio puo' essere di una sfumatura di rosso, una sfumatura di verde oppure una sfumatura di blu. Per questa ragione il pixel colpito dal raggio puo' assumere a sua volta una sfumatura di rosso, di verde o di blu. Secondo il modello RGB, ciascuna sfumatura di ciascuno dei 3 colori (rosso, verde e blu) e' rappresentata da un numero che va da a 255. Per esempio, il colore nero e' rappresentato dal valore RGB ' ' (R=, G= e B=) mentre il colore bianco e' rappresentato dal valore RGB ' ' (R=255 G=255 e B=255). Cosi' il modello RGB puo' rappresentare piu' di 6 milioni di colori. RGB e' un modello additivo, perche' il rosso, il verde ed il blu sono colori additivi. In altre parole quando vengono mischiati insieme il rosso, il verde ed il blu, viene creato il colore bianco. Rosso + verde + blu = bianco.

22 Modello RGB Nel metodo RGB ogni colore viene individuato indicando le tre componenti fondamentali (Red, Green, Blue). Ognuna di queste può assumere un valore di intensità compreso tra e 255,(corrispondente al %). Nelle immagini RGB si utilizzano 3 byte ( byte per ogni componente) per rappresentare ogni Pixel e quindi sono immagini a 24 bit.

23 Le codifiche di colore CYMK CMYK sta per Cyan, Magenta, Yellow e black (ciano, magenta, giallo e nero). Questo modello e' usato per la stampa. In altre parole questi sono i 4 inchiostri colorati usati all' interno delle stampanti. Il modello CMYK e' sottrattivo, infatti in teoria il ciano, il magenta ed il giallo se mescolati insieme dovrebbero assorbire tutti i colori e produrre il nero. Ma a causa di piccole impurita' contenute in tutti gli inchiostri, di fatto combinandosi producono una sorta di marrone scuro. Questa e' una delle ragioni dell'inchiostro nero. Una seconda ragione e' la seguente: gli inchiostri colorati sono piu' costosi di quello nero. Inoltre 3 inchiostri diversi significano 3 strati di inchiostro durante la stampa. Questo rende la carta piu' bagnata e quindi piu' lenta a seccare e, di conseguenza, la stampa diventa piu' lenta. In altre parole piu' costosa e meno produttiva.

24 Dimensioni di un immagine Dimensione in pixel : è il numero totale di pixel presenti nell immagine. Si esprime con il formato N pixel-base x N pixel-altezza Foto a lato: 4x39 pixel Dimensione fisica in cm. o inch: dimensione che assume sul supporto utilizzato per la sua visualizzazione Foto a lato: 5,2x6,75 cm Dimensione del file immagine in byte: quanti byte occupa in memoria (es: 363 KB)

25 Risoluzione e dimensioni Esiste un rapporto diretto fra la dimensione in pixel, la dimensione fisica in pollici e la risoluzione: Dim.in pixel= Dim.fisica x risoluzione Spesso è importante la formula inversa Dim.fisica= Dim.in pixel / risoluzione Aumentando la dimensione fisica di un immagine e tenendo costante il n totale di pixel, diminuisce la risoluzione

26 Esempio Immagine 7x7 pixel, 2,54x2,54 cm risoluzione= 7 ppi Immagine 7x7 pixel, x cm (3,9x3,9 inch) risoluzione=7/3,9 ppi = 7,8 ppi La qualità dell immagine è diminuita

27 Calcolo dell occupazione in memoria del file immagine Le immagini digitali bitmap occupano spazio sui supporti di memoria secondo questa formula: = N totale-di-pixel x profondità-di-colore Es: una immagine 8x6 pixel a 256 toni di grigio (=2 8 ) occupa 72x72x8 = 4472 bit = 584 byte = circa 5 KByte Una immagine 3x3 pixel e 6 mil. di colori occupa 3x3x24 = 26 bit=27 byte= 263,67 KB Es: una immagine 6x2 pixel e profondità di colore a 6 bit (2 byte) occupa 6x2x6 = 384 byte = 3,6 MB

28 La memorizzazione delle immagini Le immagini digitali sono memorizzate su file con diversi formati alternativi, ciascuno in grado di codificare un determinato numero di colori e dotato di caratteristiche peculiari Alcuni di questi formati prevedono forme di compressione, cioè di diminuzione dei bit dell immagine in modo da ridurne l occupazione di memoria

29 La compressione delle immagini Gli algoritmi di compressione si dividono in due categorie Compressione con perdita: (lossy) Compressione senza perdita: (lossless)

30 Metodi Lossy I metodi Lossy sono quei metodi che, proprio per comprimere al massimo i dati, scartano alcune delle informazioni riguardanti l'immagine originale. Sono metodi molto vantaggiosi per aumentare al massimo la velocità di scaricamento, ma irreversibili: ogni qual volta una immagine viene salvata in un formato lossy, vengono perse alcune informazioni, che non sono più recuperabili. Proprio a causa di questa loro caratteristica, è assai sconsigliabile fare progressive modifiche e salvataggi in questo tipo di formati, perchè ad ogni passaggio la qualità peggiorerà e sarà sempre meno fedele all'originale. Conviene invece salvare in un formato senza perdita fino a lavoro ultimato, e solo in ultima istanza salvare in un formato con perdita. L'esempio più classico di formato lossy per quanto riguarda le immagini è il JPEG; un altro esempio di formato lossy assai usato oggi in rete è l'mp3.

31 Metodi Lossless I metodi lossless sono invece i metodi che non hanno perdita di informazioni; ovviamente essi risultano sempre meno efficaci nell'ottimizzare lo scaricamento dei dati, ma hanno il grande pregio di mantenere costanti e stabili le informazioni contenute nell'originale. Formati lossless per le immagini web sono il GIF e il PNG, uno dei tanti formati lossless per l'audio è il WAV.

32 Il formato GIF La sigla GIF è acronimo di Graphic Interchange Format. Questo tipo di compressione, al contrario del JPEG non lavora a perdita di dati, ma può esportare solo immagini che contengono al massimo 256 colori. Se l originale contiene un numero più elevato di colori, la perdita di qualità sarà significativa. Il formato GIF usa colori a 8 bit ed è efficace per comprimere immagini vettoriali, geometriche o testo. Il formato GIF supporta la trasparenza, quindi puoi far emergere lo sfondo attraverso l immagine senza vincolare le immagini stesse al solo formato rettangolare o quadrato. Le immagini GIF ti permettono anche di creare delle piccole animazioni, le GIF ANIMATE, perché supportano anche fotogrammi multipli. I GIF animati si realizzano con semplici tool grafiche e con la tecnica del cartone animato.

33 Il formato JPG La sigla JPEG o JPG è l'acronimo di Joint Photographic Experts Group. Questo tipo di immagine usa una compressione con perdita di dati. La perdita dei dati consiste nel fatto che alcuni dati che formavano la tua immagine vengono persi durante il processo di compressione. Questo corrisponde a una perdita di qualità nell'immagine, direttamente proporzionale al livello di compressione che sceglierai. Possiamo dire che a bassi livelli di compressione la perdita di qualità è praticamente nulla e non si percepisce a occhio nudo, ma se aumentiamo il livello di compressione dobbiamo controllare che l'immagine sia comunque di buona qualità, perché la perdita di dati in questo caso può essere rilevante. Dato che, come abbiamo già detto, il formato è a perdita di dati non è una buona soluzione salvare un'immagine JPEG da un'altra immagine JPEG. La cosa migliore è ottenere immagini JPEG dall'immagine originale.

34 GIF o JPG? Osserva la prima immagine a sinistra (GIF originale), Poi osserva l'ultima immagine alla destra (JPEG, compressione: 3%). Puoi notare qualche differenza? Inoltre, a causa del tipo di algoritmo di compressione, puoi ottenere risultati migliori con immagini di dimensioni maggiori. GIF dimensione: 34 Kb JPEG dimensione: 2 Kb JPEG (compressa al %) dimensione: 7 Kb JPEG (compressa al 3%) dimensione: 9 Kb

35 Il formato PNG Il formato PNG è acronimo di Portable Network Graphic. Questo formato supporta colori fino a 32 bit e può contenere la trasparenza. E un tipo di compressione senza perdita di dati, anche per alte profondità di colore. Purtroppo però produce file di grandi dimensioni. Esistono due tipi di file PNG: PNG-8 PNG-24 Il formato PNG-8 usa colori a 8 bit e presenta molte analogie con i file di tipo GIF. Risulta utile per la compressione di aree a tinta unita e mantiene i dettagli nitidi. Il formato PNG-24 supporta colori a 24 bit e presenta molte analogie con i file di tipo JPEG. È adatto sia per le immagini fotografiche che per le immagini geometriche e in più ha il vantaggio di supportare la trasparenza anche su più livelli. Il formato PNG, come il JPEG, supporta immagini fino a 24 bit, ma in più il PNG supporta il cosiddetto canale alfa che permette 256 livelli di trasparenza.

36 Perché il PNG? Dicevamo: perché si è sentita la necessità di sviluppare il PNG, quando GIF e JPEG svolgevano già il loro compito? Per capirlo bisogna risalire al 995, quando la CompuServe e la Unisys, armate delle giuste autorizzazioni legali, annunciarono che da quel momento in poi l'implementazione del formato GIF in qualsiasi software avrebbe comportato il pagamento di una quota ad Unisys, quale detentrice a tutti gli effetti del brevetto per la compressione LZW utilizzata nel formato GIF. Dalla necessità di svincolarsi dal pagamento di questa quota, e dalla voglia di poter fruire di un formato completamente free e libero da brevetti è nata l'idea di sviluppare il nuovo formato PNG.

37 Perché il PNG? PNG-24 è forse leggermente più pesante (cioè ha una dimensione in Kb più elevata) del JPEG per la compressione di alcune immagini, ma trattandosi di un formato senza perdita, al contrario di JPEG, resta comunque una alternativa interessante. Una particolarità degna di nota è che PNG è stato scelto dalla Macromedia come formato standard per l'applicativo per il web Fireworks.

38 Altri formati BMP Questo e' il formato grafico di tipo bitmap nativo di Microsoft Windows e supporta immagini fino a 24 bit. La compressione e' opzionale ma di solito e' impostata. TGA TGA sta per Truevision Graphics Array. Supporta immagini da a 32 bit e alcune caratteristiche professionali come un canale alpha (mask), impostazioni gamma ed incorpora un'immagine di tipo 'thumbnail'. TIF TIFF sta per Tag Image File Format. Il TIFF era un formato a 24 bit troppo grande e difficile da maneggiare fino alla versione 6, con la quale venne supportata anche la compressione. Ad ogni modo si tratta di un formato che utilizza l' algoritmo di compressione LZW (di proprieta' della Unisys). WMF WMF sta per Windows Metafile Format, ed e' un formato vettoriale intermedio utilizzato dai programmi Windows per scambiarsi i dati tra di loro. Percio' non dovrebbe in linea di massima essere mai visto da nessun altra parte.

39 MEGAPIXEL E IMMAGINI A STAMPA MEGAPIXEL RISOLUZIONE STAMPA a 72 dpi (cm) STAMPA a 5 dpi (cm) STAMPA a 3 dpi (cm) 28x768 45x27 2x3 x6 2 6x2 56x42 27x2 3x 3 248x536 72x54 34x26 7x x74 8x6 38x28 9x x92 9x67 43x32 2x x248 8x72 52x34 26x7 464 x274 43x95 68x45 34x x324 53x6 76x5 38x x37 95x3 9x62 47x3