Informazione non simbolica

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1 Codifica informazione non simbolica Campionamento Quantizzazione Audio e video FdI 2013/2014 GMDN Informazione non simbolica La codifica dei numeri interi e dei caratteri beneficia del fatto che entrambe queste forme sono di natura simbolica. E sufficiente rappresentare i simboli con sequenze di bit Diverso è il caso per la codifica di suoni e immagini. L informazione è di natura continua Non esiste una diretta rappresentazione simbolica Per rappresentare suoni e immagini è necessario effettuare una approssimazione della realtà. La rappresentazione è effettuata in tre passi Acquisizione dell informazione dall ambiente esterno Approssimazione dell informazione acquisita Codifica vera e propria FdI 2013/2014 GMDN

2 Limiti della rappresentazione La rappresentazione dell informazione utilizzata in informatica ha un limite fondamentale: l informazione viene rappresentata da simboli e valori discreti, quindi non può rappresentare quantità continue L informazione viene rappresentata tramite approssimazioni e arrotondamenti Sono quindi necessarie due semplificazioni per trasformare l informazione in modo che questa sia rappresentabile: Il campionamento La quantizzazione Queste due operazioni riguardano sia la rappresentazione dei suoni che delle immagini, e vanno adattate al tipo di media. FdI 2013/2014 GMDN Campionamento La parola campionamento è stata introdotta in statistica Quando non è possibile misurare tutta una popolazione, si effettua la misura su un suo sottoinsieme, detto campione Dalle misure sul campione si inferiscono le caratteristiche dell intera popolazione Un caso analogo si ha anche quando si vuole rappresentare una grandezza che varia con continuità Non è possibile rappresentare il valore della grandezza per ognuna delle infinite variazioni E necessario scegliere alcuni campioni che rappresentano l andamento dei valori che la grandezza assume Le variazioni di una grandezza possono essere nel tempo (suoni) o nello spazio (immagini) FdI 2013/2014 GMDN

3 Campionamento Esempio 1: Si vuole rappresentare l andamento nel tempo della temperatura rilevata da un termometro Si deve scegliere ogni quanto tempo effettuare una nuova misurazione, ovvero prendere un nuovo campione La temperatura non varia molto velocemente, quindi non ha senso rilevarla ogni centesimo di secondo, basta ad esempio ogni ora (però sarebbe troppo misurarla ogni mese) Stiamo quindi effettuando un campionamento nel tempo del valore della temperatura L intervallo di tempo tra un campione e l altro, normalmente costante, determina quanto le nostre misure sono rappresentative dell andamento della temperatura Il numero di campioni che prendo nell unità di tempo è detto frequenza di campionamento FdI 2013/2014 GMDN Campionamento Esempio 2: Si vuole riportare su una mappa l andamento delle altezze di un terreno Si deve scegliere ogni quanti metri effettuare una nuova misurazione, ovvero prendere un nuovo campione L altezza non varia molto velocemente, quindi non ha senso rilevarla ogni centimetro, può bastare ad esempio ogni 10 metri (però sarebbe troppo misurarla ogni 100 chilometri) Stiamo effettuando un campionamento nello spazio del valore dell altezza del terreno L intervallo spaziale tra un campione e l altro, normalmente costante, determina quanto le nostre misure sono rappresentative dell andamento dell altezza Il numero di campioni che prendo nell unità di lunghezza è detto, anche in questo caso, frequenza di campionamento FdI 2013/2014 GMDN

4 Campionamento Quando effettuiamo un campionamento di una grandezza, non sappiamo cosa succede tra un campione e il successivo La grandezza potrebbe assumere qualsiasi valore Il problema può essere risolto aumentando il più possibile la frequenza di campionamento Al crescere della frequenza di campionamento cresce il numero di campioni che descrivono un dato fenomeno E necessario trovare dei compromessi tra la precisione nella descrizione e il numero di campioni necessari In molti casi, esiste una frequenza di campionamento che consente di ricostruire perfettamente l andamento globale Campionare ad una frequenza più alta non fornisce ulteriori informazioni, ed è quindi inutile FdI 2013/2014 GMDN Quantizzazione Il campionamento è necessario perché alcune grandezze variano con continuità. La quantizzazione è necessaria perché le grandezze possono assumere qualsiasi valore reale. Anche l insieme dei valori è quindi un insieme continuo (infinito) di elementi. Non può essere rappresentato da sequenze finite di bit, a meno di non effettuare degli arrotondamenti Maggiore è il numero di bit utilizzato minore è l errore dato dall arrotondamento Utilizzare molti bit significa una maggiore occupazione delle risorse (ad esempio di memoria) necessarie per la rappresentazione La quantizzazione è un operazione molto comune anche nella vita di tutti i giorni, ogni volta che si approssima una quantità FdI 2013/2014 GMDN

5 Quantizzazione La quantizzazione è anche legata Agli inevitabili errori di misurazione delle quantità Alla precisione desiderata nella rappresentazione Esempio 1: Andamento della temperatura di un ambiente Il termometro può non consentire, ad esempio, di misurare i centesimi di grado Per la temperatura di un ambiente è sufficiente indicare i gradi Esempio 2: Andamento delle altezze di un terreno L altimetro non è preciso nell indicazione dei centimetri Indicare i centimetri in una mappa non ha del resto molto senso La scelta dell entità della quantizzazione, e dell arrotondamento, è frutto di un compromesso e di una scelta arbitraria FdI 2013/2014 GMDN Quantizzazione Come per la rappresentazione di numeri interi e caratteri, il tipo di quantizzazione dipende dal numero di bit che si intende utilizzare. Il concetto di arrotondamento, insito nella quantizzazione, sembra implicare l utilizzo dei numeri con la virgola. Per codificare suoni e immagini si utilizzano i numeri interi L insieme di valori rappresentabili viene diviso in passi, o quanti, ognuno associato ad un numero intero L associazione tra valore della grandezza e numero intero assomiglia quindi alla codifica dei caratteri FdI 2013/2014 GMDN

6 Codifica audio Per poter rappresentare i suoni è necessario conoscere il principio fisico che ci consente di produrre e udire suoni Richiami di fisica del suono: Ogni corpo è in grado di oscillare in seguito a stimoli esterni Corde tese, colonne d aria, membrane, barre metalliche L oscillazione è comunicata all aria circostante L aria vibra e propaga l oscillazione fino all orecchio Il timpano, oscillando anch esso, dà inizio alla sensazione sonora che permettere di udire e riconoscere i suoni Il suono è creato, veicolato e percepito sotto forma oscillazione Per rappresentare un suono è quindi sufficiente rappresentare l oscillazione a cui questo è associato FdI 2013/2014 GMDN Codifica audio L oscillazione dei corpi è data da una deformazione elastica attorno alla forma a riposo La deformazione del corpo si ripete nel tempo ciclicamente Il numero di oscillazioni al secondo è legato alla percezione di altezza sonora (misurato in Hertz) L ampiezza delle oscillazioni è legata alla percezione di intensità La forma delle oscillazioni modifica la percezione timbrica L oscillazione può essere descritta come una funzione dove: Il tempo è la variabile indipendente La deformazione, o spostamento dal centro, è la variabile dipendente Le oscillazioni sono anche dette onde sonore, ed infatti sembrano delle onde quando vengono rappresentate graficamente FdI 2013/2014 GMDN

7 Codifica audio La percezione sonora è quindi data dagli spostamenti nel tempo degli elementi di un corpo elastico Il tempo è una dimensione continua E necessario applicare un campionamento, perché non è possibile considerare lo spostamento in ognuno degli infiniti istanti di tempo Lo spostamento è una grandezza che varia con continuità E necessario applicare una quantizzazione, perché la posizione effettiva negli istanti di tempo considerati deve venire arrotondata La scelta della frequenza di campionamento e dei passi di quantizzazione ha un effetto diretto sulla qualità del suono Per la voce è sufficiente che il parlato sia comprensibile Per la musica si richiede una maggiore qualità Gli impianti stereofonici necessitano della massima qualità Per i dispositivi portatili (tipo ipod) o le casse acustiche del computer e sufficiente una qualità minore FdI 2013/2014 GMDN Codifica audio CD Audio campioni al secondo 16 bit al campione 2 canali (sinistro, destro) x 16 x 2 = bit al secondo MP3 128 kbit al secondo = bit al secondo DVD Audio campioni al secondo 16 bit al campione 6 canali (5 + 1, sinistro f/r, destro f/r, subwoofer, parlato) x 16 x 6 = bit al secondo FdI 2013/2014 GMDN

8 Codifica video Per poter rappresentare le immagini è necessario conoscere il principio fisico che ci consente di vedere e riconoscere le immagini. Richiami di fisica e percezione delle immagini: Ogni corpo è in grado di riflettere la luce visibile Non tutte le frequenze visibili sono riflesse da un dato corpo, ma solamente quelle di un dato colore I colori visibili vanno dal rosso al violetto Le frequenze riflesse si propagano attraverso l aria fino all occhio e si imprimono sulla retina Coni e bastoncelli nella retina vengono stimolati dalle diverse frequenze luminose, dando la percezione del colore e della luce I coni sono sensibili all intensità di tre colori base Vi sono tre tipi di coni differenti, sensibili a rosso, verde e blu FdI 2013/2014 GMDN Codifica video E quindi sufficiente rappresentare i tre colori base (detti colori fondamentali) distribuiti lungo la superficie dell immagine L immagine può essere descritta come una funzione dove: La superficie è la variabile indipendente, e ha due dimensioni (orizzontale e verticale) Il colore è la variabile dipendente, e ha tre dimensioni (i tre colori) La superficie dell immagine è continua E necessario applicare un campionamento della superficie dell immagine perché non è possibile considerare ciascun elemento infinitesimale che la compone Le sfumature di ciascuno dei tre colori variano con continuità E necessario applicare una quantizzazione del valore di ciascun colore, perché la quantità di colore deve essere arrotondata FdI 2013/2014 GMDN

9 Codifica video Il campionamento viene effettuato trasformando l immagine in punti, detti pixel (da picture element ) La dimensione dei pixel determina la risoluzione dell immagine ed è determinata dalla frequenza di campionamento I pixel vengono misurati in numero di punti per unità di lunghezza, calcolata in pollici, la sigla è dpi (in inglese dot per inch) La quantizzazione viene effettuata rappresentando ciascuno dei tre colori con un numero intero Il numero di bit utilizzati per rappresentare ogni colore è legato al numero di sfumature rappresentabili L immagine può anche essere rappresentata in bianco e nero oppure in tonalità di grigio E sufficiente un solo bit per il bianco e nero Per il grigio il numero di bit dipende dalle sfumature possibili FdI 2013/2014 GMDN Codifica video L informazione viene rappresentata in informatica in modo unificato, usando sequenze finite di bit La sequenza è una organizzazione monodimensionale Le immagini sono invece bidimensionali L immagine, e i pixel che la compongono, vengono suddivisi in righe e le righe codificate in successione una dopo l altra Normalmente si codifica la prima riga di pixel, poi la seconda e così via Un principio simile viene utilizzato per le immagini televisive Nella codifica di un immagine bisogna quindi indicare le dimensioni, in numero di pixel, dell altezza e della larghezza Questa informazione consente di ricomporre correttamente l immagine codificata FdI 2013/2014 GMDN

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