Informatica Generale (Prof. Luca A. Ludovico) Presentazione 6.1 Rappresentazione digitale dell informazione

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1 Rappresentazione digitale dell informazione

2 Introduzione Nelle scorse lezioni, abbiamo mostrato come sia possibile utilizzare stringhe di bit per rappresentare i numeri interi e frazionari, con o senza segno. Ma le stesse stringhe possono essere utilizzate per rappresentare qualsiasi tipo di informazione. Cosa cambia? Come vanno interpretati gli 0 e gli 1 a seconda del formato il che era vero anche limitandosi ai numeri

3 Parte 1 Testi digitali

4 Codifica dei caratteri alfanumerici Una codifica di caratteri consiste in un codice che associa un insieme di caratteri (tipicamente rappresentazioni di grafemi così come appaiono in un alfabeto utilizzato per comunicare in un linguaggio naturale) ad un insieme di altri oggetti Esempi: stringhe di bit (ad es. codifica ASCII) o pulsazioni elettriche (ad es. Codice Morse) Scopo: memorizzazione di un testo in forma digitale o trasmissione attraverso una rete di telecomunicazioni.

5 Repertorio vs. codifica dei caratteri Repertorio di caratteri: un insieme completo di caratteri astratti supportato da un certo sistema Codifica di caratteri: specifica il sistema da usare per la rappresentazione dei caratteri di un certo insieme utilizzando codici numerici (ossia stringhe di bit). Repertorio Codifica A B

6 ISO 646 ISO 646 è uno standard che dal 1972 specifica un codice caratteri a 7 bit dal quale derivano vari standard nazionali (tra cui l'us ASCII o ASCII ristretto). In realtà usa 8 bit per la codifica dove il più significativo è sempre posto uguale a 0. Ogni carattere quindi è rappresentato univocamente da un numero binario da a (cioè in decimale).

7 ASCII e ASCII esteso ASCII è l'acronimo di American Standard Code for Information Interchange (Codice Standard Americano per lo Scambio di Informazioni). È un sistema di codifica dei caratteri a 7 bit proposto nel 1961, e successivamente accettato come standard dall'iso (ISO 646). Per non confonderlo con le estensioni a 8 bit poi proposte, questo codice viene talvolta chiamato US-ASCII. Alla specifica iniziale seguono negli anni varie proposte di estensione ad 8 bit, con lo scopo di raddoppiare il numero di caratteri rappresentabili. Nei PC IBM si usa l extended ASCII. I caratteri aggiunti sono vocali accentate, simboli semigrafici e altri simboli di uso meno comune.

8 Tabella dell ASCII ristretto

9 Tabella dell ASCII esteso

10 ISO/IEC 8859 Standard comune ISO ed IEC per la codifica di caratteri ad 8 bit. La norma è divisa in parti numerate pubblicate separatamente (come ISO/IEC , ISO/IEC , etc.), ognuna delle quali può essere considerata standard a sé stante. Ci sono attualmente 15 parti definite, escludendo la ISO/IEC , abbandonata. Diverse mappe di caratteri, adeguate alle famiglie di lingue.

11 Limiti degli 8 bit I precedenti standard sono progettati per lo scambio di informazioni, non per la stampa tipografica. Ad esempio, omettono simboli come le legature opzionali, virgolette, lineette ad altri caratteri. Necessità di supportare un numero sempre maggiore di caratteri (come richiesto ad esempio dalle codifiche dell'estremo oriente) Conseguenza: aumento del numero di bit per codificare il singolo carattere. Vantaggio: maggiore numero di caratteri da cui attingere Svantaggio: maggiore occupazione di spazio

12 Unicode Unicode è un sistema di codifica che assegna un numero univoco ad ogni carattere usato per la scrittura di testi, in maniera indipendente dalla lingua, dalla piattaforma informatica e dal programma utilizzati. Codifica originaria: 16 bit caratteri Allineamento con la norma ISO/IEC 10646: fino a 32 bit circa 4 miliardi di caratteri. Ciò appare sufficiente a coprire anche i fabbisogni di codifica del patrimonio scritto dell'umanità, nelle diverse lingue e negli svariati sistemi di segni utilizzati.

13 Struttura di Unicode Per lo sviluppo dei codici sono previsti 17 "piani" ("planes", in inglese), da 00 a 10hex, ciascuno con posizioni, ma solo i primi tre e gli ultimi tre piani sono ad oggi assegnati. Il primo piano (BMP, Basic Multilingual Plane), è sufficiente a coprire tutte le lingue più usate. È previsto l'uso di codifiche più compatte con unità da 8 bit (byte), 16 bit (word) e 32 bit (double word), descritte rispettivamente come UTF-8, UTF-16 e UTF- 32.

14 Esempio Testo: Esempio di testo In ASCII: occupazione di 16 byte 16 caratteri In UTF-8: occupazione di 19 byte Prefisso EF BB BF che identifica il formato + 16 caratteri In UTF-16: occupazione di 34 byte Prefisso FE FF che identifica il formato + 16 caratteri (ciascuno espresso su 2 byte)

15 Parte 2 Immagini digitali

16 Digitalizzazione delle immagini Argomento della lezione Produzione diretta Documento originale Scansione Oggetto digitale Editing Catalogazione Restauro digitale Condivisione

17 Tipi di immagini Esistono due tipi di immagini digitali: Immagini vettoriali, rappresentate come funzioni matematicge che descrivono curve e poligoni Immagini bitmap, rappresentate come una matrice di punti

18 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. ΑΒΧΔ 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

19 Vantaggi della descrizione vettoriale Le immagini vettoriali si possono facilmente ridimensionare senza perdita di qualità. Le dimensioni dell immagine sono molto più compatte al posto della descrizione di tutti i punti basta specificare solo la posizione di pochi punti chiave e le equazioni per collegarli È possibile muovere e modificare ogni singolo elemento geometrico che compone l immagine.

20 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.

21 Un esempio di digitalizzazione (1) Consideriamo il semplice caso di un disegno in bianco e nero. Per estrarre la sequenza di bit che rappresenti tale disegno: 1. dividiamo il disegno in quadratini molto piccoli, chiamati pixel, sovrapponendogli una griglia 2. ad ogni quadratino della griglia attribuiamo il colore nero se il contenuto di nero al suo interno supera quello del bianco, e viceversa diamo il colore bianco se il contenuto del bianco al suo interno supera quello del nero. Disegno su carta

22 Un esempio di digitalizzazione (2) La figura sotto mostrata rappresenta la nuova immagine che otterremo dopo aver portato a termine la precedente operazione A questo punto, a ogni quadratino o pixel della griglia associamo 0 se il suo contenuto è il bianco e 1 in caso contrario. In tal modo otterremo una matrice di 0 e 1 che codifica l immagine della lampadina in formato digitale.

23 Un esempio di digitalizzazione (3) La nostra immagine di partenza, dopo questa operazione, si è dunque trasformata in una sorta di mappa composta di 0 e 1, 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.

24 Un esempio di digitalizzazione (4) Avendo un immagine di partenza a colori, anziché utilizzare solo uno 0 o un 1 per ogni pixel, utilizzeremo una combinazione di 0 e 1 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 0 a 63 in binario che individuerà univocamente un colore della tabella stessa. Per esprimere in binario numeri da 0 a 63 sono necessari 6 bit, quindi ad ogni pixel dell immagine corrisponderà una combinazione di 6 bit.

25 Antialiasing L antialiasing è un metodo per rappresentare immagini vettoriali continue su dispositivi di visualizzazione discreti, di modo che assomiglino il più possibile all originale. Anche per immagini vettoriali, il monitor è comunque una matrice discontinua di punti. X 10

26 Risultati dell antialiasing

27 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.

28 La risoluzione La risoluzione (e dunque la qualità del dettaglio) di un immagine è tanto maggiore quanti più punti sono rappresentati in una data area. Si esprime in ragione del numero di pixel per unità di lunghezza verticale e orizzontale: 72 punti per pollice (dots per inch, dpi) 300 punti per pollice (dpi) 600 punti per pollice (dpi) 1 inch (pollice) = 2,54 cm

29 Cosa succede con i dpi? 1200 / 600 = 2 volte la dimensione originale oppure si ricampiona mantenendo dimensioni fisiche (perdita info) Scanner (1200 dpi) Monitor (72 dpi) 1200 / 72 = Stampante 16,67 volte la dimensione originale (600 dpi)

30 La profondità di colore La profondità di colore è determinata dal numero di bit utilizzati per rappresentare ciascun pixel. Immagine in bianco e nero: 1 bit per ogni pixel Immagine a 256 colori: 8 bit (un byte) per ogni pixel Immagine a colori: 16 bit per ogni pixel Immagine a 16 milioni di colori: 24 bit per ogni pixel

31 Occupazione di memoria Le immagini digitali bitmap occupano tanto più spazio di memoria quanto più aumenta la loro qualità (a parità di dimensioni fisiche) Un immagine di un pollice quadrato a 72 dpi e 256 toni di grigio occupa 72x72x8 = 40 Kbit = 5 KByte (circa) Un immagine di un pollice quadrato a 300 dpi e 16 milioni di colori occupa 300x300x24 = 2 MBit = 270 KByte (circa) Attenzione: possibile compressione

32 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 della quantità di bit che descrivono l immagine in modo da ridurne l occupazione di memoria.

33 La compressione delle immagini Gli algoritmi di compressione si dividono in due categorie: Compressione senza perdita: la codifica avviene riducendo le aree di colore uguale in modo tale da poter ricostruire esattamente l immagine originale; ha un rapporto medio di compressione di 2:1 Compressione con perdita: la codifica avviene eliminando definitivamente alcune informazioni statisticamente meno rilevanti per la ricostruzione dell immagine; permette rapporti di compressione fino a 100:1

34 La compressione delle immagini TIFF compresso 4 MB

35 La compressione delle immagini JPEG (media qualità) 345 KB JPEG (bassa qualità) 97 KB

36 La compressione delle immagini TIFF compresso 8 MB

37 La compressione delle immagini JPEG (alta qualità) 2,7 MB

38 La compressione delle immagini JPEG (bassa qualità) 407 KB

39 I formati di immagine digitale Tra i formati di immagini digitali bitmap più diffusi ricordiamo: PCX: supporta una profondità di colore fino a 24 bit e adotta la compressione senza perdita RLE TIFF: supporta profondità di colore fino a 24 bit e supporta la compressione senza perdita LZW GIF: supporta una profondità di colore di 8 bit e adotta la compressione LZW; è lo standard sul Web BMP: supporta una profondità di colore fino a 24 bit e adotta la compressione senza perdita RLE JPEG: vedi slide successiva

40 I formati di immagine digitale JFIF o JPEG supporta una profondità di colore fino a 24 bit adotta la compressione con perdita omonima, che consente di scegliere un rapporto di compressione variabile fino ad un massimo di 100:1 con una discreta intelligibilità dell immagine; è il secondo standard per le immagini sul Web.

41 Il caso di studio dell Archivio Storico Ricordi Presso l Archivio Storico Ricordi, le immagini provenienti dalla campagna di digitalizzazione vengono salvate in 3 formati: TIFF a 600 dpi, 24 bit e compressione senza perdita LZW (dimensione media MB/immagine) Scopo: conservazione, pubblicazione JPEG a 72 dpi, non ridimensionato, compressione minima (dimensione media 300 KB/immagine) Scopo: fruizione Web JPEG a 72 dpi, ridimensionato, compressione alta (dimensione media 10 KB/immagine) Scopo: anteprima

42 Le dimensioni delle immagini Dimensioni può essere un termine ambiguo Dimensioni dell oggetto fisico da digitalizzare/digitalizzato (es.: in cm) Dimensioni dell oggetto digitale (es.: in pixel) Occupazione di memoria (es.: in KB) Relazioni tra le diverse dimensioni