FORMATI MULTIMEDIALI Digitalizzazione Immagini

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1 FORMATI MULTIMEDIALI Digitalizzazione Immagini Premessa: cosa è la grafica digitale Grafica digitale è praticamente tutto quello che vediamo e che produciamo visivamente accendendo lo schermo di un computer o di uno smartphone. La grafica digitale si divide in due categorie, con profonde differenze concettuali: la grafica raster (o bitmap) e la grafica vettoriale. La grafica digitale si basa sull utilizzo di svariati software che, a prescindere dal tipo di utilizzo, sono basati su alcune scale di colori e mescolanze. Oltre alla scala di grigi e al bianco e nero si utilizzano principalmente due tipi di mescolanza di colori, ovvero la mescolanza (o sintesi) additiva e quella sottrattiva. Mescolanza additiva (RGB) La mescolanza additiva o sintesi additiva si riferisce ai colori primari della luce ovvero il rosso, il verde e il blu (da cui la sigla RGB dai nomi in inglese RED, GREEN e BLUE). Questi tre colori sono agli estremi (rosso e blu) e nel mezzo (verde) dello spettro elettromagnetico. Se miscelati tra loro, danno praticamente tutti i colori presenti nello spettro stesso, mentre se sommati in parti uguali (da qui il termine additivo ) danno la luce bianca, ovvero il colore bianco. La tricromia RGB è utilizzata quando un determinato elemento grafico è destinato ad essere visualizzato su schermo, ad esempio per il web. 1

2 Mescolanza sottrattiva (CMYK) La mescolanza o sintesi sottrattiva, invece utilizza i colori primari dei pigmenti. In parole povere: la materia, e quindi i pigmenti, ha la capacità di assorbire in modo selettivo solo alcune lunghezze d onda della luce mentre le altre vengono riflesse. La parte di luce che viene riflessa è quella che dà un determinato colore. Il colore di un pigmento è dato dalla sottrazione di radiazioni dalla luce bianca ed è per questo che questo evento prende l aggettivo di sottrattivo. I colori primari della mescolanza sottrattiva sono ciano, magenta e giallo a cui viene aggiunto il nero, originato dalla sovrapposizione degli altri tre. La combinazione CMYK(Cyan, Magenta, Yellow e Key black) è quella utilizzata nella stampa. Differenza tra immagini bitmap e vettoriali Grafica raster ( o bitmap) Prende il nome dalla parola inglese raster che significa griglia. Infatti nella grafica raster, o bitmap, l immagine è composta da una griglia di punti detti pixel, di forma quadrata. Ognuno di quei pixel possiede determinate informazioni di colore che nell insieme creano una determinata immagine. Il profilo di colore usato più spesso nelle immagini bitmap è l RGB perché è il profilo che le schede grafiche dei computer utilizzano per generare l immagine stessa su schermo. La proprietà più importante di un immagine raster è la risoluzione, che è data dal numero di pixel contenuti in una certa unità di misura. Per standard si utilizza il pollice inglese (2,54 cm) e il rapporto Dot Per Inch, DPI, cioè punti per pollice. Più alto è il numero dato da questo rapporto più alta è la risoluzione dell immagine e quindi la qualità della stessa. Una risoluzione di 300 dpi è considerata lo standard di qualità per una buona stampa mentre per lo schermo sono sufficienti 72 dpi per ottenere una buona qualità visiva. 2

3 Ovviamente diminuendo la dimensione della foto aumenterà la sua risoluzione, così come ingrandendo la stessa essa avrà una risoluzione minore ottenendo il cosiddetto effetto sgranato, quello in cui i singoli quadratini diventano visibili. Grafica vettoriale La grafica vettoriale è molto diversa da quella raster. Essa si basa infatti sulle forme geometriche come linee, punti, curve e poligoni per generare un immagine e a queste forme vengono attribuite determinate caratteristiche di colore o di effetti. Poiché le immagini vettoriali sono costituite da forme geometriche è possibile ingrandirle praticamente all infinito senza perdere minimamente risoluzione poiché le stesse forme geometriche hanno alla base delle equazioni matematiche. La differenza di spazio occupato su disco è un altra fondamentale differenza: infatti le immagini vettoriali occupano di gran lunga minor spazio di quelle raster poiché le informazioni contenute nell immagine sono nettamente inferiori, rendendo anche le modifiche più semplici. Un aspetto negativo però è che, per ottenere delle immagini vettoriali ricche di qualità e di dettagli, come ad esempio è necessario fare nell ambito della grafica 3D, sono necessarie delle macchine e dei software estremamente potenti. 3

4 Rappresentazione di immagini bitmap digitali In generale le immagini sono un continuo di informazioni (formato analogico ) Bisogna quindi prima discretizzarle ovvero trasformarle in un insieme di parti distinte che possono essere codificate separatamente come numeri (formato digitale) Il computer non può direttamente rappresentare in memoria informazione in formato analogico. L acquisizione digitale di una immagine bitmap prevede di eseguire due operazioni: Campionamento: scomposizione dell immagine in un reticolo di punti (pixel) Quantizzazione: codifica di ogni pixel con un valore numerico all interno di un ben preciso intervallo. Per rappresentare il disco seguente Si suppone vi sia sovrapposta una griglia formata da quadratini Si identificano i quadratini che campionano (o discretizzano) il disco Ogni quadratino prende il nome di pixel (picture element) Risoluzione Chiamiamo risoluzione dell immagine la dimensione della griglia usata per il campionamento dell immagine (esempio: 640x480) Aumentando la risoluzione (ovvero il numero di pixel) e quindi diminuendo la dimensione del singolo pixel, la rappresentazione approssima meglio l immagine originaria 4

5 Esempio La risoluzione è spesso il parametro di riferimento usato nel mercato delle fotocamere digitali (anche se non sempre è il fattore determinante per la qualità dell immagine prodotta) Spesso espresso in Megapixel (= 1 milione di pixel) Quantizzazione Dopo aver campionato l immagine occorre rappresentare ogni pixel con un numero. Tale numero dovrà rappresentare il colore associato al pixel: si parla di quantizzazione. La rappresentazione ottenuta è nota come codifica bitmap. Nel caso di immagini in bianco e nero, senza sfumature, potrebbe essere sufficiente un solo bit per ogni pixel: 0 per rappresentare i pixel neri 1 per rappresentare pixel bianchi Es:

6 Nel caso di immagini in scala di grigio si utilizzano n bit per ogni pixel. Il numero n determina il numero di livelli di grigio che è possibile rappresentare secondo questa formula: N livelli di grigio = 2 n Esempi Se n = 2 è possibile rappresentare 4 livelli di grigio (2 2 = 4) 00 -> 0 nero 01 -> 1 grigio scuro 10 -> 2 grigio chiaro 11 -> 3 bianco bit x pixel 3 bit x pixel 2 bit x pixel 1 bit x pixel 6

7 Immagini in scala di grigio e a colori Tipicamente, per immagini in scala di grigio, è sufficiente utilizzare 8 bit per pixel; in questo modo è possibile rappresentare fino 256 livelli di grigio. Questa scelta è determinata dall analisi del sistema visivo umano, che difficilmente è in grado di distinguere un numero maggiore di livelli di grigio. Tipicamente, per immagini a colori, vengono utilizzati 24 bit per pixel; in questo modo è possibile rappresentare fino 2 24 = colori distinti Lo spazio colore più comunemente utilizzato per l acquisizione e la visualizzazione delle immagini è l RGB (Red, Green, Blue). Per ciascun pixel vengono utilizzati 24 bit; 8 bit (1 byte) per il rosso [0 255] 8 bit (1 byte) per il verde [0 255] 8 bit (1 byte) per il blu [0 255] Esempio: fotocamera a 12.2 Mpixel 4272 x 2848 = pixel 3 byte / pixel x 12.2 Mpixel = 36.6 Mbyte Questa è la dimensione del file che si ottiene scattando in modalità raw. 7

8 Tecniche di compressione di immagini digitali In fase di codifica esiste la necessità di adottare tecniche di compressione per ottimizzare: Occupazione di spazio di memoria Velocità di trasmissione attraverso la rete I metodi di compressione sono dei metodi matematici di trattamento dei dati che permettono di manipolare le informazioni in modo tale da ridurre al massimo il numero di byte necessari per immagazzinarle. Il loro funzionamento dipende in maniera sostanziale dal particolare metodo matematico usato. Per darvi un idea prendiamo ad esempio l algoritmo di compressione usato dal formato GIF, uno dei più famosi. GIF utilizza il metodo di compressione LZW (iniziali dei suoi inventori Lempel Ziv e Welch). Questo metodo, tra le varie tecniche che utilizza, si preoccupa anche di memorizzare il colore di una sequenza, quando questa è monocromatica, invece che il colore di ogni singolo byte di cui è composta. Per esempio, invece di memorizzare la sequenza rosso rosso rosso rosso rosso rossorosso rosso rosso rosso verde verde blu blu blu rosso, il metodo LZW memorizza i dati riguardanti il colore in questo modo: 10 rossi > 2 verdi > 3 blu > 1 rosso. È facile capire come immagini con vaste aree di colore uniforme possano venire quindi molto compresse dal formato GIF, mentre immagini con sfumature molto graduali vengano ben poco compresse. Più tardi, infatti, ci si è resi conto che alcune informazioni trasportate e riprodotte sono rindondanti o addirittura del tutto inutili. Questo capita perchè alcuni nostri sensi, come la vista o l udito, sono imperfetti, e spesso riescono a percepire assai meno informazioni di quelle che gli si possono mettere a disposizione. Si è quindi pensato che si possano eliminare alcune informazioni senza compromettere per questo la qualità; ovviamente questo non è praticabile se ad essere trasportato dev essere qualcosa che deve risultare intonso, come un testo o un software. Le tecniche di compressione possono essere: con perdita di informazione (lossy) senza perdita di informazione (lossless) Compressione lossy Gli algoritmi di compressione 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 8

9 recuperabili, a meno naturalmente di non averne conservato un altro salvataggio in un formato lossless. Sfruttano meccanismi propri del sistema visivo umano; infatti l occhio non distingue differenze se l immagine è caratterizzata da un basso contrasto Sfruttano il fatto che pixel vicini hanno intensità di colore spesso simili tra loro Scartano quella parte di contenuto dell immagine non visibile dall occhio umano In genere è possibile specificare, con opportuni parametri dei software di compressione, quanto si è disposti a perdere della qualità dell immagine attraverso un compromesso tra qualità e dimensioni. Compressione 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. Esistono due tipi di tecniche: Ad hoc per le immagini (ad es. PNG) Applicabili a qualsiasi tipo di dato (ad es. ZIP) Formati di immagini bitmap Le immagini bitmap possono essere salvate in svariati modi a seconda del tipo di utilizzo che si vuole fare di esse. Vediamo i 6 formati più diffusi: Non compressi: file che pesano maggiormente sulla memoria fisica del computer. Raw letteralmente grezzo, è il file solitamente utilizzato dalle macchine fotografiche per mantenere intatta la qualità di un immagine. Bmp Windows Bitmap è veloce da leggere e da modificare ma comporta un maggior peso in termini di byte. Compressione lossless: ossia minor spazio occupato su disco, stessa qualità e risoluzione Png acronimo di Portable Network Graphics, uno dei più usati formati compressi, pesa poco e mantiene le eventuali trasparenze ed è quindi perfetto per il web. Gif Graphics Interchange Format, tra i suoi punti di forza c è la possibilità di creare delle immagini animate Tiff Tagged Image File Format, mantiene numerose informazioni importanti anche dopo la compressione ed è quindi usato per scanner e stampanti. Compressione lossy: questi tipi di formato perdono qualità ogni volta che vengono salvati e modificati, non sono quindi adatti al fotoritocco ma sono perfetti per lo scambio di immagini via internet. Jpeg Joint Photographic Expert Group, è sicuramente il formato più famoso ed utilizzato, crea una potente compressione principalmente sul colore che, pur non essendo visibile dall occhio umano è percepita dalla stampante. 9

10 Formati di immagini vettoriali Generalmente ogni programma di grafica vettoriale permette il salvataggio in svariati formati a seconda del tipo di utilizzo che si vuole fare dell immagine. Quasi tutti i software hanno un loro formato personalizzato predefinito come.dwg per Autocad o.ai per Adobe Illustrator leggibili soltanto con il programma utilizzato per creare il file e per le sue versioni successive. La peculiarità di questi file è che, essendo vettoriali, conservano sempre tutte le caratteristiche di qualità iniziale e soprattutto la possibilità di modificare all infinito qualsiasi punto o curva dell immagine. La conversione da vettoriale a raster è sempre molto semplice, infatti tutti i software di grafica vettoriale permettono di salvare (esportare) il file vettoriale in un qualsiasi formato raster come il.jpeg o altri. Un file di salvataggio particolare è il famoso PDF. Esso comprende tutte le informazioni di forme, colori e font contenuti all interno del file originale e soprattutto ha la caratteristica di non dipendere da nessuna piattaforma o software ma di essere leggibile (tramite un lettore tipo Adobe Reader) su qualsiasi dispositivo. I Metadati I metadati sono dati supplementari che aggiungono informazioni ad un file multimediale (immagini, audio o video) Alcuni metadati sono associati ad ogni tipo di file, incluse le immagini: Nome del file Data di creazione - Data di modifica Dimensione del file Ecc. Ciascun metadato è caratterizzato da: Un etichetta o tag, che individua la caratteristica descritta (ad es. filesize ) Un valore associato al tag (ad es byte) EXIF Alcuni formati di immagini supportano la definizione di metadati specifici. Un sistema comunemente adottato dalle fotocamere commerciali è Exif (Exchangeable file format). Le informazioni descritte da Exif sono: Data e ora Impostazioni della fotocamera Produttore e modello Orientazione Apertura Tempo di esposizione Lunghezza focale Sensibilità ISO Bilanciamento del bianco 10

11 Esempio di metadati EXIF Geotagging Nei metadati possono essere incluse informazioni relative alla locazione degli scatti (geotagging). E possibile avere: Tagging manuale: l utente indica la posizione in cui stata scattata la fotografia Tagging automatico: tramite ricevitore GPS connesso alla fotocamera. Molti sistemi di sharing di immagini consentono agli utenti di aggiungere tag descrittivi; questo tipo di tag sono estremamente utili nella ricerca di immagini in grandi collezioni. 11