Rappresentazione delle immagini

Transcript

1 Rappresentazione delle immagini Le immagini sono informazioni continue in tre dimensioni: due spaziali ed una colorimetrica. Per codificarle occorre operare tre discretizzazioni. Due discretizzazioni spaziali riducono l immagine ad una matrice di punti colorati, detti pixel. La terza discretizzazione limita l insieme di colori che ogni pixel può assumere.

2 Esempio: Livelli di grigio La codifica associa un unico codice ad un intervallo di livelli di grigio Tutti i livelli di grigio all interno dell intervallo vengono codificati allo stesso modo comportando una perdita di informazione Il livello di grigio originale non può essere ricostruito in maniera esatta dal codice binario

3 Esempio: Dimensione Un'immagine di 100X100 pixel a 256 colori richiede 10,000 byte (10 Kb) per essere rappresentata.

4 Esempio immagini bitmap

5 Immagini vettoriali La grafica vettoriale scompone in gruppi logici di componenti (linee, cerchi, rettangoli, ecc. ) Le forme vengono memorizzate in termini di coordinate e colori dei vari elementi geometrici che le compongono Durante la visualizzazione, coordinate e colori vengono utilizzati per ricreare l immagine La grafica vettoriale e comunemente usata nei disegni, disegni animati e nella grafica lineare in generale

6 Esempio: Oggetti lineari Immagine = x0,y0,x1,y1,x2,y2,x3,y3,x4,y4,x5,y5,x6,y6,rosso

7 Esempio immagini vettoriali

8 Codifica di un filmato video Filmato di 10 minuti a 25 frame al secondo, con risoluzione di 100x100 pixel a 256 colori: dimensione complessiva di 600x25x100x100x8 = 1.2Gbit.

9 Segnali analogici Si definisce analogico un procedimento che rappresenta un fenomeno con continuità, per esempio: un orologio classico che con il moto regolare della lancetta segna il trascorrere del tempo in modo Continuo; oppure un termometro che rappresenta la temperatura con una lancetta;

10 Segnali digitali E digitale un procedimento che rappresenta lo stesso fenomeno traducendolo in cifre (dall'inglese digit, cifra) e quindi in modo discontinuo, come per Esempio avviene in un orologio a cristalli liquidi numerico nel quale la stessa durata temporale viene misurata da una successione di scatti.

11 Vantaggi del digitale Immunità agli errori Un segnale digitale essendo costituito da un insieme di 0 e di 1 e molto robusto. Anche se notevolmente distorto dalla presenza di interferenze, difficilmente uno 0 verrà confuso con un 1 e viceversa. Economia In termini di spazio, tempo, potenza dissipata e costo monetario Versatilità Si presta facilmente a qualsiasi tipo di elaborazione numerica

12 Conversione Analogico/Digitale (ADC) Un segnale analogico per poter essere elaborato da un calcolatore deve essere convertito in un opportuno formato digitale Analog to Digital Conversion (ADC) ADC Campionamento Quantizzazione Codifica

13 Codifica di segnali analogici Segnale: Quantità fisica che varia nel tempo Analogico: tempo-continuo, valore-continuo Digitale: tempo-discreto, valore-discreto La codifica digitale di un segnale continuo comporta: Campionamento(discretizzazione nel tempo) Quantizzazione (discretizzazione nel valore)

14 Esempi di segnali analogici

15 Campionamento e quantizzazione

16 Campionamento e quantizzazione

17 Codifica del suono Il suono è un segnale analogico tempo continuo Un'onda sonora non è altro che una successione di rarefazioni e compressioni di piccole porzioni d'aria

18 Una descrizione del suono Il suono prodotto da un altoparlante e prodotto dalla vibrazione di una membrana. Descrivendo la posizione della membrana nel tempo (e quindi il suo spostamento) a tutti gli effetti descriviamo il suono. Il suono percepibile dall orecchio umano viene riprodotto fedelmente se la frequenza di campionamento (il numero di campioni in un secondo) è non inferiore a 30KHz. Lo standard telefonico prevede un campionamento a 8KHz ed una quantizzazione a 256 livelli (codificati con 8 bit). Quindi per ogni secondo di conversazione servono 64Kbit Questo tipo di codifica e comunemente utilizzato nel formato WAVE

19 File WAVE I suoni possono essere registrati digitalmente, attraverso la tecnica del "campionamento", scomponendo, cioè, l'onda sonora in tanti minuscoli "pezzettini", chiamati campioni, e attribuendo a ciascuno un valore. E' evidente che maggiore è la quantità di campioni in un secondo, vale a dire la loro frequenza, maggiore è la qualità del suono riprodotto. Ma è altrettanto vero che tanto più numerose sono le informazioni da memorizzare tanto più grande è la quantità di risorse necessaria a conservarle. E questo spiega le grosse dimensioni dei file.wav. Se infatti utilizziamo 1 byte per identificare ciascun campione e i campioni per secondo sono (qualità media) avremo un file di byte per un suono di soli 10 secondi.

20 File WAVE Con l'aumentare della qualità sonora, cioè del numero di campioni per secondo, 1 byte non è più sufficiente a rappresentare ogni singolo campione. 1 byte è composto da 8 bit che possono assumere i valori di 0 o 1. Sono quindi possibili 2 8 sequenze di 0 e 1, cioè 256 diversi valori. Ma con campionamenti di qualità elevata, come quelle utilizzate per i CD Audio (ben campioni/secondo) l'identificazione diventa problematica. Pertanto vengono usati 2 byte cioè 16 bit, disponendo così di 2 16 = possibili valori per ogni campione. Aumenta, in tal modo, quella che viene definita risoluzione.

21 File Wave Il brano di 10 secondi dell'esempio è diventato a questo punto di x 10 x 2 = byte! Questo vale solo per un canale. Ma se il brano è stereo, cioè utilizza due canali, occorre moltiplicare ancora per 2, arrivando alla ragguardevole dimensione di byte. Se la durata è di un minuto i byte diventano , se è di 1 ora , cioè circa 600 MB (!), che è infatti quasi la massima dimensione registrabile su un CD Audio. Ricapitolando. La qualità di un brano audio digitale e, di conseguenza, la sua dimensione dipendono da tre fattori: il numero di campioni per secondo, la risoluzione e i canali. Il prodotto di questi tre elementi è definito bitrate, cioè bit per secondo, ovvero bps. Il bitrate dei brani presenti sui CD audio è di 1411,2 kbps.

22 Nascita del formato MP3 In principio fu... il Motion Picture Experts Group, ovvero il gruppo che ha studiato i metodi di compressione per immagini in movimento e suoni. L'acronimo è passato poi agli standard da loro messi a punto: MPEG 1 (filmati e audio), MPEG 2 (TV digitale), MPEG 4 (applicazioni multimediali). Lo standard MPEG 1, in particolare, si compone di tre algoritmi, chiamati layer, numerati con cifre romane, I, II e III, e basati su livelli crescenti di compressione. Il layer III, l'algoritmo più complesso, si è evoluto ulteriormente grazie alle ricerche del Fraunhofer IIS, che ha sviluppato un apposito codificatore e un player. Da qui è iniziata l'ascesa inarrestabile di questo metodo di compressione che ha determinato l'ultima grande rivoluzione in campo musicale dello scorso secolo: la diffusione di migliaia e migliaia di brani su Internet. MP3 è l'abbreviazione di MPEG 1 layer III e identifica i file audio che utilizzano questo algoritmo.

23 Formato MP3 Un file MP3 (o MPEG 1-layer 3) è un formato audio informatico che ha subito un processo di compressione ed è quindi più piccolo del suo originale. Come sappiamo l'audio digitale è una lunga stringa binaria costituita da zeri e uno che, combinati, danno origine ad una forma d'onda che viene decodificata dal convertitore digitaleanalogico che ricostituisce originario suono analogico. L'esigenza dell'mp3 è nata dall'opportunità di trasmettere la musica in rete: infatti il bitrate di un brano musicale di 3-4 minuti sarebbe troppo grande per essere trasmesso su una normale connessione internet analogica. Un files non compresso (Wav o Aiff) occupa circa 10 Mb al minuto e diventa improbabile poter scaricare files così grandi.

24 Formato MP3 l'mp3, un algoritmo informatico che riesce a comprimere, in base al numero di bits e al bitrate che si può selezionare in fase di codifica, un brano musicale mantenendo una qualità incredibile. Ma non bisogna esagerare nella compressione perchè il sistema è "distruttivo" che significa l'eliminazione di determinate frequenze o determinati dati che l'orecchio umano non riesce a distinguere con facilità; un buon compromesso tra qualità e spazio occupato è di 128 Kb/sec, anche se è possibile alzare o abbassare questo livello.

25 Compressione MP3 Esistono due metodi essenziali di compressione MP3, un po' come avviene nell'mpeg2: a bit rate fisso e a bit rate variabile. Il primo non ha certo bisogno di spiegazioni: basta impostare sul compressore un livello, e questo verrà mantenuto fisso per tutta la durata della canzone. Il secondo invece è a bit-rate variabile: l'encoder riesce infatti a percepire i passaggi più impegnativi, quelli nei quali la gamma di frequenze è più estesa e ci sono più strumenti in gioco, e in questi casi abbassa il livello di compressione per evitare che vengano eliminati dei particolari significativi dal punto di vista della resa acustica. Nella situazione opposta, quando per esempio sta suonando un gruppo di violini, l'intera gamma bassa verrà eliminata con conseguente risparmio di spazio.

26 Quanto si comprime con l'mp3 Un file WAV della durata di 5 minuti occupa 50 MB di spazio. Questa dimensione è calcolabile facilmente utilizzando il bitrate, che è il numero di bit complessivi in un secondo di riproduzione. Questo valore è di 1411,2 kbps (= bit) in un file Wave di massima qualità (CD audio). Per 5 minuti, cioè 300 secondi, abbiamo un totale di x 300 = di bit. Ora, dal momento che 1 byte = 8 bit, 1 KB = byte, 1 MB = KB, dividendo per 8 otteniamo il valore di byte, che diviso per dà un totale di ,6875 KB che diviso, a sua volta, per porta al risultato di 50, MB, circa 50 MB, per l'appunto. Applicando a questo file l'algoritmo di compressione MPEG 1 layer III, il bitrate scende, mantenendo inalterata la qualità, a 128 kbps. Ripetendo le stesse operazioni ecco i nuovi valori: x 300 sec. = bit diviso 8 = byte diviso = 4.687,5 KB diviso = 4, MB, circa 4,6 MB. Il nostro file si è ridotto di 10 volte abbondanti! Si parla, in questo caso, di rapporto di compressione 10:1.

27 Alcuni esempi di compressione Qualità SACD 320 kbps (stereo) rapporto 4:1 Qualità CD 128 kbps (stereo) rapporto 10: kbps (stereo) rapporto 12:1 Qualità prossima a CD 96 kbps (stereo) rapporto 16:1 Qualità radio FM Qualità radio migliore di AM 32 kbps (mono) rapporto 24:1 Qualità radio migliore di onde corte 16 kbps (mono) rapporto 48:1 Qualità telefono 8 kbps (stereo) rapporto 96:1 64 kbps (stereo) rapporto 24: kbps (stereo) rapporto 26:1