Le immagini digitali: introduzione

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1 Le immagini digitali: introduzione 1

2 L immagine digitale Un immagine pittorica è compsta da milioni di pigmenti colorati molto piccoli che, messi vicino l uno all altro, danno l impressione dei vari oggetti. Questi punti sono disposti in modo irregolare e diventano visibili se ingrandiamo di molto qualche dettaglio dell immagine; vengono chiamati grana. 2

3 L immagine digitale In un immagine digitale vige lo stesso principio con la differenza che i puntini sono disposti in modo regolare, su una griglia di punti equidistanti. Essi sono detti pixel che sta per PIcture ELements. La loro struttura regolare è facilmente visibile ingrandendo l immagine. 3

4 L immagine digitale Le immagini digitali pittoriche sono anche dette immagini raster. Le immagini raster sono caratterizzate dalla regolarità con cui le informazioni sono immagazzinate. 4

5 Digitalizzazione: approccio informale Immaginiamo che una griglia regolare venga posta al di sopra di un immagine da digitalizzare (ad esempio una foto stampata su carta). Questa griglia è chiamata griglia di campionamento. Ogni elemento della griglia conterrà una porzione di immagine. Questa verrà approssimata con un unico valore. Una griglia di campionamento più rozza (con le maglie più larghe) produce un immagine meno dettagliata. 5

6 Dimensione di un immagine digitale I pixel che compongono un immagine rappresentano la dimensione dell immagine stessa. La dimensione è espressa indicando separatamente il numero di pixel orizzontali e il numero di pixel verticali, ad esempio 810 x 1020 pixel. 6

7 Risoluzione Un immagine digitale di una determinata dimensione può essere visualizzata su un qualche supporto (carta, monitor,...) a diverse grandezze (centimetri). Al variare delle dimensioni di visualizzazione cambia la risoluzione dell immagine. La risoluzione dipende dalle dimensioni dell immagine, ma anche dalle dimensioni del supporto. La risoluzione di misura in punti/cm o, più comunemente, punti/pollice (dpi). 7

8 Risoluzione In parole povere il concetto di risoluzione è legato a quanto sono fitti i punti che visualizziamo. (E importante notare che una certa risoluzione può non essere sufficiente se l immagine deve essere riprodotta in grandi dimensioni.) 8

9 Risoluzione Il concetto di risoluzione è legato a quanto sono fitti i punti che visualizziamo. Per esempio: SULLO SCHERMO dimensione schermo x x X risoluzione immagine in dot per inch 9

10 Scala dei toni Nel caso di immagini cosiddette in bianco e nero la scala dei toni è costituita dai livelli di grigio che la compongono. Nelle immagini a colori la scala dei toni è data dalle varie sfumature di colore. 10

11 Scala dei toni Per poter elaborare e gestire un immagine digitale è necessario che l informazione in essa contenuta sia espressa in bit. A seconda della complessità della scala di toni scelta, le informazioni relative a ogni singolo pixel potranno occupare: parte di un byte (p.es. 4 bit) un byte (= 8 bit) più byte (p.es. 3 byte = 24 bit) 11

12 Profondità di colore E il numero di bit riservati ad ogni pixel. E una misura della capacità di rappresentare o distinguere varie sfumature di colore. Un immagine rappresentate con una profondità di colore di 6 bit, riesce a distinguere tra 64 livelli di colore, mentre con 8 bit si arriva a 256 e aumenta il livello di dettaglio 12

13 Immagini in bianco e nero Su un'immagine è in bianco/nero senza sfumature (p.es. nel formato fax), per ogni pixel basta 1 solo bit Infatti un bit può rappresentare 21=2 condizioni: nero (0) oppure bianco (1) 13

14 Immagini a livelli di grigio Nel caso di immagini a livelli di grigio, un associazione molto usata è quella di riservare un byte ad ogni pixel. Questo significa che possiamo rappresentare fino a 28=256 livelli di grigio. 14

15 Immagini a colori Le rappresentazioni delle immagini a colori variano a seconda dei campi di colore che si usano. Solitamente ogni campo di colore relativo ad un pixel viene rappresentato da un byte. Un immagine RGB utilizza 3 byte per ogni pixel: Un byte per la componente rossa (R) Un byte per la componente verde (G) Un byte per la componente blu (B) 15

16 Profondità di colore ~16 milioni di colori (24 bit) 256 color (8 bit) 16 color (4 bit) 16

17 Quanti byte occupa un'immagine? occupazione= (profondità) x (numero di pixel) 17

18 Archiviazione di immagini I formati di immagini dettano degli standard per la memorizzazione delle immagini ossia definiscono le regole che permettono di salvare le immagini sul disco e di rileggerle in un secondo tempo I formati più diffusi utilizzano: 1 bit per immagini in bianco/nero 4 o 8 bit per immagini a livelli di grigio 8, 24, 32 bit per immagini a colori 18

19 Archiviazione di immagini Nel caso di profondità di colore a 8 bit per pixel, vengono utilizzati dei sistemi di codifica basati su palette (tavolozza) di colore. Questa codifica permette di usare 8 bit per rappresentare uno spettro di colore più ampio. I colori della palette cambiano a seconda dell immagine e dipendono dal suo contenuto. Possono essere anche modificati in funzione dell utilizzo dell immagine (stampa o visualizzazione). 19

20 Archiviazione di immagini Si scelgono 256 colori (numerabili da 1 a 255 usando 8 bit) Ognuno di questi 256 colori si può codificare con la profondità desiderata, quindi si possono usare 24 bit (RGB) Il trucco sta nella scelta dei 256 colori più significativi tra tutti i 224 possibili. 20

21 Realizzazione della palette Ogni colore occupa un elemento di una tabella (lookup table): La lookup table è composta di 256 elementi; i numeri da 0 a 255 rappresentano gli indici ogni elemento contiene un colore diverso (RGB)

22 Approssimare le immagini: dithering quando si dispone di una profondità di colore limitata si può approssimare la gamma completa dei colori utilizzando una tecnica chiamata dithering. Essa è basata sull impressione di colore che diversi pixel affiancati possono produrre, se osservati alla dovuta distanza. esempio: le stampe dei molti quotidiani 22

23 Creazione del colore Lo studio del colore può essere visto sotto diversi aspetti: dal punto di vista fisico è possibile studiare l interazione tra sorgente luminosa e oggetto illuminato dal punto di vista fisiologico è possibile analizzare il processo tramite il quale l occhio risponde alla radiazione visibile di varie lunghezze d onda. 23

24 Creazione del colore la misura del colore o delle sensazioni di colore è oggetto di studio della colorimetria. Metodi usati per formare il colore: sintesi del colore additiva sintesi del colore sottrativa 24

25 Sintesi additiva dei colori ogni colore può essere ottenuto attraverso la miscelazione di tre emissioni di luce relative ai tre colori primari: unendo le luci rosso e verde si ottengono luci giallo arancio unendo le luci rosso e blu si ottengono luci porpora... il bianco si ottiene unendo le tre luci primarie a potenza massima Metodo usato su: monitor, televisione, etc... 25

26 Sintesi sottrattiva Si fa passare luce bianca attraverso dei filtri che lasciano passare solo delle radiazioni di una determinata lunghezza d onda (cioè un dato colore). La parola sottrattiva sta a significare che si eliminano dei colori dal bianco per ottenere altri colori. 26

27 Il Colore Il concetto spazio di colore nasce dal fatto che, nella maggior parte dei casi, il colore associato ad un pixel viene espresso da 3 grandezze. Due spazi di colore noti sono: RGB Red Green Blue CMY Cyan Magenta Yellow Alla base di questi spazi stanno i due modi diversi di sintetizzare il colore: RGB < > sintesi additiva dei colori CMY < > sintesi sottrattiva dei colori 27

28 Spazi di colore Lo spazio di colore più noto è lo spazio RGB che può essere rappresentato graficamente tramite il cubo RGB 28

29 Spazi di colore Lo spazio RGB è stato concepito pensando ai dispositivi di visualizzazione (monitor e stampanti), ma non rispecchia affatto la nostra percezione. Un modello alternativo molto più vicino al nostro modo di vedere i colori è il modello HSV. 29

30 Spazio HSV H = hue, tinta S = saturation, saturazione V = value, valore 30

31 Dispositivi di acquisizione macchina fotografica telecamera scanner Dispositivi di visualizzazione monitor stampante 31

32 Elaborare e analizzare immagini Elaborare un immagine significa agire sul suo contenuto allo scopo di modificare alcune caratteristiche. Analizzare un immagine significa studiare il contenuto di un immagine allo scopo di acquisire informazioni relative alla scena rappresentata. 32

33 Il contenuto informativo del pixel Il singolo pixel porta un contenuto informativo limitato. In molti casi ha senso solo se viene considerato in combinazione a insiemi di pixel adiacenti Immaginiamo di considerare una nostra foto. Studiando un singolo pixel non otterremmo alcuna informazione sul contenuto. 33

34 Pixel e intorni di pixel Così come non è facile percepire il contenuto di un immagine analizzando il singolo pixel, allo stesso modo non è facile elaborarla in modo automatico considerando le sue unità elementari Un buon compromesso tra la quantità di informazione e l efficienza di calcolo si ottiene considerando degli intorni di pixel. 34

35 35

36 Pixel e intorni di pixel Un intorno di un pixel P è dato da P stesso e dai suoi vicini. Esistono diversi modi di calcolare gli intorni: P P 36

37 Filtri Si tratta di un operazione di elaborazione Filtrare un immagine significa eseguire alcune operazioni su di essa allo scopo di esaltare o attenuare alcune caratteristiche immagine FILTRO immagine modificata 37

38 Filtri E possibile applicare i filtri a cascata: immagine F1 F2 F3 Fn immagine modificata 38

39 Filtri a maschera Sostituiscono il valore di un pixel con un nuovo valore calcolato a partire dai valori dei pixel adiacenti filtro media tolgono dettagli filtro mediano filtro Gaussiano filtri di sharpening aggiunge dettagli (fittizi) 39

40 Esempio di filtro a maschera: il filtro media 1/91/91/9 1/91/91/9 1/91/91/9 ABC DE F GH I n n = 1/9*A+1/9*B+...+1/9*I 40

41 Istogrammi I pixel che compongono le immagini sono caratterizzati da una forte correlazione con i loro vicini Esiste una rappresentazione alternativa del contenuto di un immagine che mette in evidenza come è usato il colore in una immagine: l istogramma. 41

42 Costruire un istogramma un istogramma di un immagine a livelli di grigio è un grafico bidimensionale: sulle ascisse i bin, che rappresentano degli intervalli di livelli di grigio (per esempio: bin 0 = da livello 0 a livello 10) sulle ordinate la frequenza dei valori di ogni bin all interno dell immagine (ossia il conteggio percentuale di quanti pixel hanno un valore che cade in quell'intervallo) 42

43 Costruire un istogramma 43

44 Interventi sull istogramma traslare l istogramma schiarire l istogramma fare lo stretch dell istogramma (ossia stirarlo) 44

45 Equalizzazione dell istogramma Si è osservato che l operazione di equalizzazione, in genere, migliora l aspetto di immagini naturali. Consiste nel trasformare l istogramma in modo che vengano usati (più o meno) tutti i possibili livelli di grigio nella stessa proporzione istogramma ideale distribuzione cumulativa ideale 45

46 Equalizzazione dell istogramma sull immagine i valori di grigio vengono ridistribuiti in modo che il nuovo istogramma abbia una distribuzione cumulativa vicina a quella teorica max 1 i gi nj N i 0 46