Codifica dei caratteri ASCII ESTESO. Codifica delle immagini. Codifica immagini bitmap

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1 Codifica dei caratteri I caratteri di un testo vengono codificati tramite sequenze di bit, utilizzando un codice di traduzione. Quello più usato è il codice ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Utilizza 7 bit. Rappresenta 128 caratteri. Mancano, ad esempio i caratteri accentati, greci etc. Per codificare i caratteri mancanti si utilizza la notazione estesa (non standard) a 8 bit (256 caratteri) In ogni caso (notazione standard o ASCII) il carattere occupa sempre 1 byte di memoria. Proprietà I caratteri alfabetici sono consecutivi ed in ordine (alfabetico) La distanza tra una lettera minuscola e la corrispondente maiuscola è costante Le cifre decimali sono consecutive ed ordinate da 0 a 9 ASCII ESTESO Codifica delle immagini Codifica di immagine pittoriche (fotografie, disegni, ecc.) Immagini bitmap Rappresentano elementi non ben definiti, con sfumature di colore, immagini reali Codifica di disegni geometrici Immagini vettoriali o vector oriented Elementi ben definiti, dai contorni precisi che rappresentano un modello di immagini reali Codifica immagini bitmap L immagine viene scomposta in una griglia di elementi (pixel = picture element) che verranno poi codificati con un insieme di bit. Per risoluzione di un dispositivo si intende la capacità di riprodurre un immagine, contando il numero di elementi rappresentabili per unità di misura. La risoluzione nei monitor dipende dal numero di pixel che questo riesce a visualizzare. Esempi di comuni risoluzioni : 640 x 480 (pixel), 800 x 600, 1024 x 768, 1152 x 870 oppure 1600 x Nelle stampanti e scanner la risoluzione è il numero di punti che possono essere definiti su foglio, dpi (dot per inch, 1 inch = 2.54 cm).

2 Codifica immagini bitmap a colori Ogni colore è normalmente ottenibile dalla combinazione di 3 colori primari. Esistono 2 tecniche fondamentali: Sintesi additiva: colori Red, Green, Blue (RGB). Nei monitor a colori i fosfori colorati dello schermo (RGB), visti da lontano, danno l effetto di miscelazione. Sintesi sottrattiva: colori Cyan, Magenta, Yellow (CMY). Nelle stampanti a colore, la luce bianca (foglio di carta) viene filtrata attraverso le gocce di colore depositate (CMY). Codifica immagini bitmap a colori Per ogni pixel si adottano, ad esempio, 8 bit per colore per un totale di 24 bit/pixel. Sono così rappresentabili 2 24 cioè circa 16 milioni di colori diversi (codifica true color) Il Numero di bit utilizzato è detto profondità del colore. L estensione più comune di un file bitmap true color è.bmp Esempio immagine (monitor PC): Definizione = 1024 x 768; profondità di Colore = 24 bit Dimensione approssimativa = (1024 x 768 x 3 ) byte = byte = = ( /1024) kb = 2304 kb = (2304/1024) MB = 2.25 MB Dal video alla carta Aprendo un immagine true color di 640*480 pixel con un programma di foto ritocco scopriamo che le "dimensioni documento" sono di 22,58x16,93 cm. Come si ottengono? Sono il risultato della divisione tra larghezza in pixel (640) e risoluzione del monitor (tipicamente 72 dpi). A) Convertiamo la risoluzione del monitor in pixel/cm: 72 / 2,54 = 28,346 (un pollice è 2,54 cm). B) Dividiamo la larghezza dell immagine per la risoluzione appena calcolata: 640 / 28,346 = 22,58 cm. Che significa tutto questo? se prendo i 640 punti dell'immagine e li stampo su carta piazzando, in ogni centimetro, 28,346 punti, alla fine riesco a coprire 22,58 centimetri di lato di stampa. Discorso analogo per il lato corto.

3 Dalla carta ai pixel Se il formato della stampa deve essere 10x15 cm e se la qualità deve essere alta (es: 300 dpi), per determinare i pixel dell immagine dobbiamo fare le seguenti operazioni inverse: ( 300 / 2.54 ) * 10 = 1181 pixel ( 300 / 2.54 ) * 15 = 1772 pixel Dalla macchina fotografica alla carta La dimensione dei pixel dell immagine dipende dal sensore usato per la ripresa (CCD = Charge Coupled Device), per esempio un sensore da circa 5 megapixel registrerà in uscita immagini di 2560 pixel in larghezza ed 1920 pixel in altezza. Nel momento in cui andremo a visualizzare o a stampare l immagine avremo una risoluzione massima determinata dalla quantità di pixel utilizzati. Calcoliamo la massima risoluzione per una stampa nel formato 20x27 cm con un immagine di 5 megapixel: 1920 / ( 20 / 2.54 ) ) = 240 dpi per l immagine da 5 megapixel Altra codifica immagini bitmap Ad ogni pixel è assegnato un valore che individua una riga in una tabella contenente la tripletta RGB del colore Ad esempio, utilizzando 8 bit/pixel, sono possibili 256 colori (scelti da una tabella di 256 colori diversi, detta palette, associata all immagine) 27 Indice R G B Immagini vettoriali È possibile memorizzare un immagine usando le sue proprietà (coordinate dei vertici, lunghezza dei lati, colore dell area, ecc.). In questo caso si parla di immagini vettoriali. Sono indipendenti dal dispositivo di stampa, cioè permettono di sfruttare sempre la massima risoluzione Circle , 30 (Coordinate del centro e raggio) Polyline 0 48, , 88 48, 0 48 (Coordinate dei 4 vertici) 1=4 La memorizzazione avviene normalmente in formato ASCII. Sono immagini tipiche della progettazione meccanica (CAD) es: DXF (Drawing exchange Format) 2 3

4 Tecniche di compressione Le tecniche di compressione permettono di ridurre la dimensione dei dati per poterli manipolare in modo più agevole (memorizzazione o trasmissione) INFORMAZIONE INFORMAZIONE CODIFICA DECODIFICA DATI COMPRESSIONE DECOMPRESSION DECOMPRESSIONE E DATI DATI COMPRESSI Tecniche di compressione compressione senza perdita di informazione (loseless) l informazione prima e dopo il processo è la medesima ed i dati prima e dopo la compressione/decompressione sono gli stessi. Migliora l efficienza della codifica basandosi sulla frequenza statistica dei dati compressione con perdita di informazione (lossy) l informazione prima e dopo il processo è quasi la stessa ed i dati dopo la decompressione sono diversi da quelli compressi. Riduce la ridondanza della codifica eliminando i dati che non sono, o sono poco, percepibili ai nostri sensi (essenzialmente vista e udito) Compressione immagini bitmap La più comune è la compressione JPEG (Joint Photographic Experts Group). Può essere loseless o lossy (la piu usata) Utilizza la DCT (Discrete Cosine Transform) dove i valori calcolati rappresentano le variazioni di luminanza o della crominanza nel dominio della frequenza (trasformata discreta di Fourier). Poiché le variazioni di luminosità e colore dei pixel delle immagini sono lente (pochi valori della DCT a bassa frequenza e quasi nulli ad alta) si possono eliminare quelle a bassa frequenza (a cui l occhio è meno sensibile) con evidente perdita di parte dell informazione iniziale. Codifica segnali audio Il segnale audio è un segnale continuo nel tempo e nelle ampiezze. Per decodificarlo in maniera digitale deve essere discretizzato nel tempo (campionamento) e nelle ampiezze (quantizzazione) Campionamento: si considerano i valori (campioni) che il segnale assume in istanti determinati di tempo.

5 Codifica segnali audio Il teorema del campionamento di Nyquist si applica ai segnali limitati in banda (B), cioè quelli la cui energia e nulla sopra una certa frequenza. Si può dimostrare che ogni segnale può essere studiato dal punto di vista della frequenza, tramite la trasformata di Fourier. Il teorema del campionamento afferma che tale segnale è completamente descritto dalla sequenza dei suoi campioni se questi vengono prelevati ad una frequenza (frequenza di campionamento f c ) maggiore o uguale del doppio della massima frequenza del segnale stesso f M. f c 2f M Codifica segnali audio Quantizzazione: rappresentazione dei campioni con un numero predefinito di bit. Fase non reversibile in cui l approssimazione introdotta porta ad una perdita d informazione (errore di quantizzazione). L aumento del numero di bit utilizzati per la codifica diminuisce il cosiddetto rumore di quantizzazione. Il formato più comune di memorizzazione di un file audio è quello WAVE (.wav) A Campionamento T c Teorema del campionamento Tc = 1/fc Nel dominio del tempo t Quantizzazione Es. di quantizzazione con 4 bit di codifica 1000 val. campione 0111 A Campionamento T c Teorema del campionamento Tc = 1/fc Nel dominio del tempo t Quantizzazione Codifica con 4 bit ( ) 0001, 0100, 0101, 0110, 0101, 0010, 1101, 1011,

6 Spettro originale del segnale Teorema del campionamento Il campionamento di un segnale a tempo continuo con frequenza di campionamento fc produce una ripetizione periodica dello spettro in frequenza con periodo di ripetizione fc Per eliminare tutte le repliche spettrali è sufficiente moltiplicare la trasformata di Fourier del segnale campionato per un rettangolo con banda compresa tra -fc / 2 e +fc / 2. Si può cioè utilizzare un FILTRO ( passa-banda o passa-basso se considero solo le frequenze positive) fc > 2f M Alcuni esempi Segnale telefonico B (larghezza di banda) = 3400 Hz Fc = 8 khz -> Sample rate > 8000 campioni al secondo Quantizzazione = 8 bit/campione Es: memoria utilizzata -> (8 x 8) khz x bit = 64 kb/s = 8 kb/s -> 1 minuto = 480 kb Musica su CD B = 20 khz Fc = 44.1 khz -> Sample rate = campioni al secondo Quantizzazione = 16 bit/campione per ognuno dei due canali stereo Es memoria utilizzata -> (44.1 x 2 x 16) khz x bit = 1411 kb/s = kb/s = 0.17 MB/s -> 5 minuti = 51 MB Compressione audio Si utilizzano diverse tecniche (molto complesse), basate su studi di psicoacustica. In pratica si tendono ad eliminare quelle informazioni poco udibili dall orecchio umano. MP3 (Motion Picture Expert Group-1/2 Audio Layer 3) è un algoritmo lossy con un fattore di compressione da 10:1 a 12:1 (rispetto a quello di un CD standard) ed un bitrate (numero di unità binarie che fluiscono al secondo) fino a 320 kbit/s. I file MP3 audio sono suddivisi in settori ("chunks" in inglese) chiamati frames ("fotogrammi" in italiano). Ognuno di questi settori è provvisto di un indicatore del tasso di compressione; in questo modo, mentre il file audio viene riprodotto, è possibile modificarlo dinamicamente. Questa tecnica rende possibile utilizzare più bit per la parte del suono ad alta dinamica (suoni più complessi) e meno bit per la parte a bassa dinamica (suoni meno complessi). Immagini video Un video è la successione rapida di immagini, fisse correlate fra loro (fotogrammi o frame). Es: cinema = 24 fps Es: TV (PAL) = 25 fps. Il fotogramma televisivo è detto quadro. Per evitare che l occhio umano percepisca la discontinuità di immagini (sfarfallio o flickering) è necessario aumentare la frequenza delle immagini Cinema: ogni fotogramma viene proiettato 2 volte TV (PAL): ogni quadro e trasmesso in 2 parti (righe pari e dispari). La frequenza è quindi 50 semiquadri al secondo.

7 Codifica digitale video Ogni fotogramma è memorizzato con le tecniche viste per le immagini fisse (bitmap) Risoluzioni Qualità VHS: 352x288 a 256 colori, 25 fps (circa 2.5 MB/s) Qualità TV: 720x480 a 256 colori, 25 fps (circa 10 MB/s) Full HD: 1920*1080 a 256 colori, 25 fps (circa 50 MB/s) Servono tecniche di compressione per poter ridurre la quantità d informazione da memorizzare. Intraframe: elimina i dati duplicati all interno di uno stesso fotogramma Interframe: elimina i dati ripetuti su fotogrammi successivi Il formato MPEG (Motion Picture Expert Group) è uno standard non solo video (es: MPEG layer III o MP3). Il più evoluto (DVD, TV digitale e satellitare) è MPEG-2.