La rappresentazione dell informazione

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1 La rappresentazione dell informazione Sui testi di approfondimento: leggere dal Cap. 2 del testo C (Console, Ribaudo): 2.3, 2.4 Parte II La codifica dei dati multimediali I caratteri alfanumerici non costituiscono le uniche informazioni utilizzate dagli elaboratori Le applicazioni multimediali -> WEB utilizzano ed elaborano informazioni contenenti immagini, suoni, filmati 1

2 Sommario Rappresentazione delle immagini Rappresentazione dei suoni Rappresentazione dei video La codifica delle immagini Esistono diverse tecniche usate per la memorizzazione e l elaborazione di un immagine 2

3 La codifica delle immagini Cominciamo col considerare un immagine in bianco e nero, senza alcuna ombreggiatura o livello di chiaroscuro Suddividiamo l immagine tramite una griglia formata da righe orizzontali e verticali a distanza costante -> tecnica dei disegnatori per riprodurre figure rispettandone le proporzioni: rappresento ogni singolo quadratino separatamente, poi visualizzo il risultato d insieme La codifica delle immagini -> si trae spunto da questa tecnica per la rappresentazione digitale di un immagine; idea: memorizzare l informazione relativa all immagine quadratino per quadratino Ogni quadratino prende il nome di PIXEL (picture element): immagine = griglia di pixel. ad ogni pixel viene fatto corrispondere un valore binario secondo una certa convenzione Nella figura di esempio, dove dobbiamo rappresentare solamente due colori, la codifica avviene nel seguente modo: 0 viene utilizzato per per la codifica di un pixel corrispondente a un quadratino in cui il bianco è il colore predominante 1 viene utilizzato per la codifica di un pixel corrispondente a un quadratino in cui il nero è il colore predominante 3

4 La codifica delle immagini Per convenzione la griglia di pixel viene ordinata dal basso verso l alto e da sx verso dx Con questa convenzione otteniamo una rappresentazione della figura di esempio di questo tipo: il che significa che l immagine di partenza viene rappresentata dalla stringa binaria La codifica delle immagini Cosa succede se riconvertiamo la stringa in un immagine sostituendo a ogni 1 un pixel nero e a ogni 0 un pixel bianco? Quella che si ottiene nella codifica è un approssimazione dell immagine originaria: DiGITALIZZAZIONE -> PERDITA di QUALITA 4

5 La codifica delle immagini DiGITALIZZAZIONE -> PERDITA di QUALITA Come si può migliorare la qualità? Esistono tecniche per ingannare l occhio e limitare l effetto scalini della visualizzazione a pixel La rappresentazione sarà più fedele aumentando il numero di pixel 10 x 9 29 x 28 Aumentando la granularità dell immagine -> Aumento la qualità La codifica delle immagini Un immagine digitale può essere caratterizzata mediante due dimensioni: Risoluzione: il numero di pixel che la costituiscono espressi in termini di larghezza per altezza Profondità: il numero di bit che vengono usati per rappresentare un singolo pixel dell immagine -> legata al numero di colori rappresentabili Risoluzione: 10 x 9 1 bit per pixel Profondità = possibili combinazioni -> 2 1 possibili diversi colori nell immagine: bianco e nero 5

6 Risoluzione Lo stesso cerchio con risoluzioni diverse: Gradazioni di grigio Immagini a più colori: la logica è la stessa, per codificare diversi livelli di grigio con una rappresentazione binaria devo far corrispondere a ogni livello di grigio una certa sequenza di bit Esempio: utilizzando 4 bit posso rappresentare 2 4 =16 livelli di grigio, con 8 bit ne posso distinguere 2 8 = gradazioni di grigio 6

7 Colori Lo stesso vale per quanto riguarda il colore Individuare un certo numero di sfumature di colore differenti Codificare ogni sfumatura di colore mediante un opportuna sequenza di bit Come individuare le sfumature di colore? Esiste un modello di rappresentazione dei colori noto come RGB (Red, Green, Blu) secondo cui qualsiasi colore può essere rappresentato componendo Rosso Verde e Blu (colori primari) Invece che di partire da tanti colori e di rappresentarne diverse sfumature, possiamo rappresentare molte sfumature a partire dai 3 colori primari -> tutti i possibili colori ottenuti dalla loro combinazione Colori Questa l idea alla base della cosiddetta codifica RGB A ogni pixel associo una certa combinazione dei 3 gradazioni dei colori primari La gradazione per ogni colore primario è rappresentata mediante un certo numero di bit Esempio: con 8 bit per colore primario ottengo 256 possibili gradazioni per colore primario -> = colori diversi (tutte le possibili combinazioni di tutte le possibili gradazioni di R, G e B) La codifica di 1 pixel richiede 3 byte! -> Si parla di profondità (dell immagine) a 24 bit 7

8 Colori Esempio: la sfumatura di azzurro è determinata da una certa combinazione di R G B. Le sequenze di bit relative a ogni sfumatura di colore primario sono espresse in base decimale: 139 (R), 210 (G),216 (B). I tre numeri sono ovviamente compresi fra 0 e 255. Ogni sfumatura di colore primario è rappresentabile da 1 byte => => => Colori Spesso la codifica è espressa in base esadecimale Perché? La rappresentazione è più concisa, esprimo tutto con due caratteri alfanumerici per colore primario = 8B = D = D8 16 Codifica del colore: 8B D2 D8 8

9 Colori Spesso la codifica è espressa in base esadecimale Esempio: quando si vuole specificare il colore di una pagina Web, lo si specifica in codice esadecimale Colori Alcune combinazioni da ricordare: = nero FFFF FF = bianco FF00 00 = rosso puro 00 FF 00 = verde puro FF = blu puro FF FF 00 = giallo FF00 FF = viola 9

10 Codifica bitmap La rappresentazione di un immagine tramite la codifica dei pixel, viene chiamata codifica bitmap o raster: La dimensione di un immagine bitmap si calcola in base alla risoluzione e alla profondità: Ricordiamo: Risoluzione: il numero di pixel che la costituiscono espressi in termini di larghezza per altezza -> mi dà la misura della granularità dell'immagine Profondità: il numero di bit che vengono usati per rappresentare un singolo pixel dell immagine -> mi dà la misura del numero di colori Dimensione di un immagine Numero di bit per immagine = risoluzione (numero di pixel che compongono l immagine) profondità (quanti bit per pixel) Esempio RGB: per distinguere colori sono necessari 24 bit per la codifica di ciascun pixel Prendiamo un immagine formata da pixel Quanti bit richiede? 24 ( ) = bit ( byte) 10

11 Ottimizzazione La codifica bitmap è estremamente costosa in termini di occupazione di spazio di memoria. Maggiore è la qualità (qualità fotografica), maggiore è lo spazio occupato Web e tempi di trasmissione: è un problema in generale trasferire file di grandi dimensione -> non tutti si collegano a Internet attraverso linee ad alta velocità. Esempio: una bitmap con risoluzione e profondità 24 ha dimensione di circa 480 KB. Ci metterebbe circa 70 secondi a essere visualizzata per intero in una pagina web, data una connessione a Internet via modem telefonico, che consente una velocità massima di scaricamento dei dati di 56kb per secondo Soluzione: tecniche di ottimizzazione Ottimizzare = ridurre le immagini alle dimensioni più piccole possibili mantenendo la qualità dell immagine a livelli accettabili Formati di compressione Esistono delle tecniche di compressione delle informazioni che consentono di ridurre drasticamente lo spazio occupato da immagini e di ridurre il tempo di trasmissione Compressione dei dati digitali in generale: vengono eliminati gli elementi ripetitivi di un file Le più famose tecniche di compressione di immagini: GIF: CompuServe Graphic Interface JPEG: Joint Photographic Experts Group I file di immagine che usano queste codifiche riportano rispettivamente le estensioni.gif e.jpg (si parla di formato gif o jpg) 11

12 Formati di compressione Codec (compression/decompression): programmi che utilizzano una certa tecnica per comprimere l informazione prima di memorizzarla e per decomprimerla prima di visualizzarla GIF e JPEG sono due tecniche di compressione con filosofie diverse -> si può scegliere se usare l una o l altra a seconda delle caratteristiche dell immagine che si ha in partenza Formati di compressione: gif Il formato GIF riduce l occupazione su disco di un immagine limitando il numero di colori che compaiono in essa -> vengono scelti quelli più frequenti, alcune sfumature vengono perse e sostituite dalle sfumature più vicine fra quelle mantenute Naturalmente più si limita il numero di colori più l immagine sarà piccola; il numero può andare da un minimo di 2 ad un massimo di 256. L insieme dei colori utilizzati viene salvato insieme all immagine come palette di colori. il formato GIF è adatto ad immagini geometriche, possibilmente con un numero di colori non elevato 12

13 Formati di compressione: jpg Il formato JPEG riduce l occupazione su disco di un immagine diminuendo la qualità di visualizzazione -> consente di usare tutta la gamma RGB. Mentre il formato GIF è adatto ad immagini geometriche, possibilmente con un numero di colori non elevato, il formato JPEG è adatto ad immagini di tipo fotografico, dove la perdita di qualità si nota di meno, o in generale ad immagini dove un limite sul numero di colori produrrebbe differenze troppo significative Formati di compressione: jpg Se la compressione JPEG è alta si perde molto in termini di qualità dell'immagine, ma si riesce a diminuire di molto la dimensione del file. Se la compressione è bassa, le dimensioni aumentano. Spetta all utente trovare il giusto compromesso tra qualità e dimensione, utilizzando programmi di fotoritocco o visualizzazione come p.e. Photoshop o Fireworks 13

14 Formati di compressione e perdita di informazione In generale si possono classificare i formati di compressione di dati (immagini grafiche, suoni, video) usando come parametro la loro reversibilità. Lossless: una tecnica di compressione che permette di ricostruire esattamente i dati originari, ovvero per cui esiste un algoritmo di decompressione che mi consente di riottenere l informazione di partenza (es. un immagine esattamente uguale pixel per pixel all'originale com'era prima che venisse compresso), viene normalmente definita lossless: senza perdita di informazione -> es. GIF Lossy: una tecnica di compressione che non può assicurare una reversibilità assoluta, viene definito lossy, con perdita di informazione -> es. JPEG Palette: tavolozze dei colori In molti casi non abbiamo bisogno di 16 milioni di colori contemporaneamente -> se però uso la codifica RGB normale l immagine occupa lo stesso un sacco di spazio Idea: si può usare un sottoinsieme di colori (tavolozza) Si considera solo la tavolozza di colori (codificati in RGB) per la codifica dell immagine 14

15 Palette: tavolozze dei colori Ad esempio sono comuni palette a 256 colori, ossia con profondità di immagine a 8 bit (nella figura vedete la palette dei cosiddetti colori web safe) La palette viene memorizzata insieme al resto dei dati relativi all immagine palette dei colori web safe Codifica di immagine con Palette: esempio Dati: palette a 256 colori, ossia con profondità di immagine a 8 bit Immagine di prima con risoluzione La codifica richiede: bit ( byte) = 8 ( ) per l immagine byte = per la palette Totale: byte Usando la codifica RGB senza palette avevamo calcolato che avrei 24 ( ) = bit ( byte) 15

16 Esempio Supponiamo di avere un immagine a 4 colori -> profondità 2; rappresentiamo l'immagine usando una codifica RGB con palette a 4 colori indice del colore nella palette 3 2 Esempio Dimensione: 6 2 (dimensione profondità) + (24 4) (palette: codifica RGB per i 4 colori)= 108 BIT indice del colore nella palette 3 2 Codifica RGB senza palette: 6 24 (per ogni pixel 24 bit relativi alla codifica del colore)= 144 BIT 16

17 Grafica vettoriale Un oggetto grafico bitmap è memorizzato semplicemente come una griglia di pixel a ciascuno dei quali è associato un colore. Una volta disegnata una linea, essa non è più una linea ma solo un insieme di pixel sullo schermo, pertanto non è più possibile modificarne le coordinate. Le manipolazioni che si possono fare su un oggetto bitmap si basano sul concetto di pixel -> colorare differentemente i pixel Photoshop è un programma specializzato nella manipolazione di bitmap Esiste un altro tipo di approccio alla rappresentazione delle immagini -> grafica vettoriale Grafica vettoriale Un oggetto vettoriale è costituito da una sequenza di segmenti, che vengono memorizzati registrando le coordinate delle estremità di ciascun segmento. Tali segmenti possono essere dritti o curvi, e possono essere uniti a formare una linea spezzata, aperta o chiusa. Un oggetto vettoriale ha inoltre degli attributi, come ad esempio il colore e lo spessore della linea, il riempimento se si tratta di una figura chiusa (ad es. un rettangolo), etc. Gli attributi sono memorizzati separatamente dalle coordinate, per cui una volta creato l oggetto è possibile modificare le coordinate La grafica vettoriale è molto usata dai grafici professionisti, e esistono molti altri prodotti che la utilizzano (ad es. CorelDraw, Macromedia Fireworks). 17

18 Grafica vettoriale Grafica vettoriale Un programma che gestisce grafica vettoriale dovrà prima leggere le coordinate e le informazioni sugli attributi, poi riprodurre pixel per pixel le curve Meno occupazione di memoria Zoom senza perdita di qualità ma Più elaborazione per la riproduzione 18

19 Sommario Rappresentazione delle immagini Rappresentazione dei suoni Rappresentazione dei video Codifica dei suoni Anche i suoni possono essere rappresentati in forma digitale Dal punto di vista fisico un suono è un'alterazione della pressione dell'aria che, quando rilevata dall'orecchio umano, viene trasformata in un particolare stimolo al cervello La durata, l'intensità e la variazione nel tempo della pressione dell'aria sono le quantità fisiche che rendono un suono diverso da ogni altro 19

20 Codifica dei suoni Un suono può essere rappresentato mediante un onda che descrive la variazione della pressione dell'aria nel tempo -> onda sonora Sull'asse delle ascisse viene rappresentato il tempo e sull'asse delle ordinate viene rappresentata la pressione corrispondente al suono stesso. Codifica dei suoni Come nel caso delle immagini avevo bisogno di una tecnica di discretizzazione, analogamente nel caso dei suoni ho bisogno di una tecnica che mi permetta di passare dalla rappresentazione fisica continua dell onda sonora a una rappresentazione digitale discreta Intuitivamente: sarebbe difficile e inefficiente memorizzare l informazione completa sull onda -> come nel caso delle immagini devo perdere in qualità dell informazione per avere una rappresentazione digitale 20

21 Codifica dei suoni La conversione di un segnale continuo in una successione di numeri viene eseguita con due successive operazioni elementari: 1. Campionamenti sull onda: si preleva una successione di campioni a intervalli costanti di tempo (in altre parole: si misura il valore dell onda a intervalli di tempo costante) 2. Quantizzazione e codifica: ogni campione viene quantizzato ossia convertito in un numero; la sequenza dei valori numerici ottenuta dai campioni può essere facilmente codificata in forma digitale-> associo una configurazione di bit a ogni campione Codifica dei suoni Quanto più frequentemente il valore di intensità dell'onda viene campionato, tanto più precisa sarà la rappresentazione dell'onda Teoria dei segnali: il segnale può essere riprodotto perfettamente sulla base dei valori campione a certe condizioni sulla frequenza di campionamento = n. di campioni al secondo, misurabile in Herz; (intuitivamente: campionamento abbastanza frequente) Osservazione: Un errore viene comunque introdotto quando si converte il valore analogico di un campione in un numero con un numero limitato di cifre -> la codifica digitale introduce sempre una perdita di qualità 21

22 Codifica dei suoni Esempio di un CD musicale: si mescolano due registrazioni (stereofonia= 2 sorgenti di audio); campioni al secondo per ogni registrazione; 16 bit per memorizzare l informazione su ogni campione. Quindi servono: campioni 16 bit 2 = bit per ogni secondo di registrazione. Osservazione Per calcolare lo spazio occupato da un file di testo, da un immagine, da un file audio, la tecnica è sempre la stessa Si trova lo spazio (bit) occupato da ogni unità elementare costituente il file (un carattere per il testo, un pixel per l immagine, un campione per il file audio) Si trova il numero di unità elementari che costituiscono il file (il numero di caratteri per il testo, il numero di pixel per l immagine -sfruttando la risoluzione, il numero di campioni per il file audio - sfruttando la frequenza di campionamento) Si moltiplicano queste due quantità 22

23 Formati audio formato non compresso WAVE ->.wav MPEG3 (mp3): il formato compresso con perdita di informazioni ->.mp3 formato specializzato per la compressione e la trasmissione di file audio digitali. garantisce una fedeltà molto alta (praticamente indistinguibile dal suono non compresso) Efficienza e grande diffusione: la dimensione del file ottenuto è molto inferiore di quella originale (anche un un decimo o meno), permette di trasmettere file audio anche con connessioni via modem telefonico di 56 kb per secondo MP3 streaming MP3 streaming: compressione dell audio da parte della sorgente audio (per esempio una radio su web) Il dato audio compresso viene trasmesso a un destinatario (per es. il mio PC) Il mio PC possiede il programma codec per la decodifica del dato e io sento il suono real time (man mano che viene trasmesso alla radio) Requisiti: macchina potente, connessioni veloci 23

24 Sommario Rappresentazione delle immagini Rappresentazione dei suoni Rappresentazione dei video Codifica di filmati video Filmato = sequenza di immagini statiche (detti fotogrammi o frame) che, in sequenza veloce, danno la sensazione del movimento. La velocità di riproduzione dei fotogrammi è detta frame rate = velocità per fotogramma. Per rendere la sensazione del movimento, occorrono almeno 24 fotogrammi per ogni secondo -> 24 fps. Fotogrammi: istantanee successive di una scena. Sequenza veloce di fotogrammi che dà la sensazione del movimento. 24

25 Codifica di filmati video Cosa codifico in digitale: dati audio + dati video (sincronizzazione) Sarebbe altamente inefficiente codificare completamente ogni frame Codifica differenziale (compressione): Alcuni frame chiave vengono codificati interamente, altri solo nelle parti che differiscono da quelle adiacenti Esempio del presentatore di un telegiornale Standard di compressione differenziale più importante: MPEG Codifica di filmati video: MPEG MPEG (Movie Picture Experts Group) Estensioni che indicano questo tipo di file:.mpg Opera una compressione sia spaziale (all interno del singolo fotogramma) sia temporale (sfrutta componenti comuni fra fotogrammi successivi per effettuare compressioni su un intera scena) Esistono 3 diversi standard appartenenti a questo gruppo: MPEG-1, MPEG-2, M-PEG4 Esempio: i DVD usano una variazione dello standard MPEG-2 per comprimere dati audio-video 25

26 Codifica di filmati video: altri formati Quicktime (Apple) Avi (Microsoft) Real Video: molto usato in applicazioni di streaming video per la fruizione in tempo reale di un video-> i pacchetti audio-video che rappresentano un filmato vengono trasmessi continuamente l uno dopo l altro e vengono visualizzati man mano che arrivano nell ordine; poi vengono buttati via streaming video versus classico download, dove è necessario attendere lo scaricamento completo di un file prima di poter vedere il video Cosa posso memorizzare in 1MB? 8 milioni di bit (~1MB) 26

27 Informazione e codifica Indipendentemente dall informazione di partenza si ottiene sempre una sequenza di bit! codifica informazione decodifica 27