Università degli Studi di Padova Dipartimento di Scienze Storiche, Geografiche e dell Antichità Fondamenti di Informatica A.A. 2012/2013 Giorgio Maria Di Nunzio Immagini Digitali Ä Dispense aggiuntive sulla codifica delle informazioni visive
MegaPixel Una macchina fotografica indirizza, per mezzo delle lenti dell obiettivo, l immagine che osserviamo nel mirino su una superficie. Questa superficie può essere la pellicola fotografica, nel caso delle analogiche, Un foto-sensore, nel caso delle digitali
MegaPixel Nel caso della pellicola fotografica, la luce che passa attraverso l obiettivo e colpisce la pellicola provoca delle reazioni chimiche sulla superficie della stessa che ne modificano la struttura e imprimono il colore che ha colpito uno specifico punto.! Nel caso del sensore di una macchina digitale, il funzionamento è identico ma la superficie che viene colpita dalla luce non è di tipo analogico, cioè non possiede un numero infinito di punti, bensì è formata da un insieme di piccole celle organizzate a scacchiera in cui ogni cella memorizza la quantità di colore che l ha colpita.
Campionamento 1/2 Possiamo considerare la scelta della quantità di celle come il campionamento dell immagine che stiamo osservando. Stiamo infatti suddividendo una superficie con una infinità di punti in una superficie con un numero di elementi finiti (e quindi gestibili da un calcolatore) Nell esempio in figura, la superficie del sensore è formata da una base di 6 celle per un altezza di 5 celle. Il numero totale di celle di questo sensore è quindi pari a 30. Una cella del sensore vengono chiamata pixel (picture element) ed è l unità spaziale minima.
Campionamento 2/2 Per le macchine digitali moderne si parla di Megapixel (cioè milioni di pixel). Ad esempio Canon EOS 1100D, 12.2 Megapixel 4,272 pixel di base, 2,848 pixel di altezza 4,272 x 2,848 = 12,166,65 cioè circa 12 milioni di pixel Nikon D3100 14.2 Megapixel 4,608 pixel di base x 3,072 pixel di altezza 4,608 x 3,072 = 14,155,776 cioè circa 14 milioni di pixel
Quantizzazione 1/2 Ogni cella del sensore cattura una certa quantità di luce. La misura di tale quantità (anche esse di natura continua, non finita) deve essere limitata in maniera da poter gestire questa informazione con un calcolatore. Questa procedura corrisponde al concetto di quantizzazione : quando il sensore posizionato sulla cella viene colpito dalla luce, trasforma la luce in una piccolissima carica elettrica. Questa carica viene trasformata in un numero finito di intervalli di valori e di conseguenza in sequenze di bit. Ad esempio, supponiamo di avere uno strumento che riesca a misurare solo due intervalli di valori: da assenza di luce ad abbastanza luminoso, da abbastanza luminoso a piena luce. Avendo solo due scelte a disposizione possiamo utilizzare un bit per codificare questa informazione: bit = 0, la cella riceve poca luce bit = 1, la cella riceve molta luce
Quantizzazione 2/2 Le fotocamere moderne utilizzano 24 bit di informazione per trasformare la luce in informazione relativa al colore di un pixel (in realtà la questione è più complessa ma facciamo finta che sia così): 8 bit per il canale rosso 8 bit per il canale verde 8 bit per il canale blu! Questo vuol dire che ogni cella ha 2 8 = 256 livelli di colore rosso, 256 livelli di colore verde, e 256 livelli di colore blu.! 256 x 256 x 256 = 16,777,216 combinazioni di colori! Ecco spiegato i 16 milioni di colori (o anche profondità di colore) che vengono pubblicizzati per le macchine fotografiche digitali
Quanti bit o Byte per immagine? Supponiamo di avere una macchina fotografica da 12.2 Mpixel Caso 1: utilizzo 1 bit per pixel (bianco o nero) 12.2 M x 1 bit = 12.2 Mbit = 1.5 Mbyte (circa) Caso 2: utilizzo 8 bit per pixel (256 livelli di grigio) 12.2 M x 8 bit = 97.6 Mbit = 12.2 Mbyte (uguale al numero di pixel!) Caso 3: utilizzo 24 bit per pixel (16 milioni di colori) 12.2 M x 24 bit = 292.8 Mbit = 36.6 Mbyte! Attenzione, di solito le macchine fotografiche sono impostate in maniera da salvare le immagini in formato jpeg (o jpg) che è un formato compresso, di conseguenza i file avranno una dimensione più ridotta. Per ottenere un numero simile a quello che abbiamo appena calcolato è necessario utilizzare il formato RAW (non disponibile su tutte le fotocamere)
Qualità delle immagini Quanti pixel e colori occorrono per una immagine ben definita?! Questa domanda, apparentemente semplice, nasconde molte altre considerazioni. Le questioni da porsi sono le seguenti: A che distanza osserverò la fotografia prodotta? Su quale supporto mostrerò la fotografia prodotta?
Distanza ottimale Per capire quale sia la quantità di punti (pixel) che occorrono per una immagine ben definita dobbiamo prima di tutto capire i limiti fisici dell occhio umano. I nostri occhi sono in grado di distinguere ad una distanza di 20-30 centimetri, in condizioni ottimali, 10 linee per millimetro. Provate ad immaginare di avere 10 fili sottilissimi neri su un foglio bianco e ad avvicinarli fino a che, messi uno di fianco a l altro, la distanza dal primo all ultimo sia uguale ad un millimetro. Ecco, noi siamo in grado di distinguere questi 10 fili ad una distanza di 30 centimetri Quindi, in un millimetro riusciamo a distinguere 10 punti neri (corrispondenti ai 10 fili) e 10 punti bianchi (lo spazio tra i fili) per un totale di 20 punti per millimetro.
Distanza ottimale L esempio precedente ci permette di dire, in determinate condizioni, qual è il limite al di sotto del quale non è più utile aggiungere pixel per rendere l immagine più definita. Se non siamo in grado di distinguere più di 20 punti per millimetro possiamo calcolare data una superficie (base x altezza) qual è il numero di pixel ottimale. Una stampa fotografica di dimensione standard è un A6 pari a 15 x 10 cm, che corrisponde ad un numero di pixel visibili a 30 centimetri di distanza pari a 3,000 x 2,000 = 6,000,000 = 6 Megapixel Pertanto le macchine digitali moderne hanno un numero di pixel più che sufficiente per le stampe classiche.
Distanza ottimale Se volessimo stampare su fogli A4 di circa 20 x 30 centimetri avremmo bisogno di 4000 x 6000 24,000,000 = 24 Megapixel! 24 Megapixel sono circa il doppio rispetto alla risoluzione massima di macchine digitali di medio livello tuttavia, poiché per vedere un foglio A4 c è bisogno di mantenere una certa distanza dagli occhi superiore ai 30 cm, la quantità di punti per millimetro distinguibili ad una distanza superiore ai 30 cm può diminuire senza che l occhio se ne accorga.
Qualità della stampa Per le stampanti esiste una misura diversa della risoluzione dei punti chiamata dots per inch o dpi (punti per pollice) che equivale al numero di puntini di colore che riesco a scrivere nello spazio pari ad un pollice (2,54 cm) Si ottengono delle immagini di qualità buona con una risoluzione pari a 600 dpi.! Perché abbiamo bisogno di più punti rispetto a quelli che siamo in grado di distinguere con i nostri occhi (circa 250 per ogni pollice)? Perché a differenza di un monitor, dove è possibile intervenire sulla intensità di colore del pixel rosso/verde/blu, per la stampante abbiamo a disposizione solo l intensità del colore presente nella cartuccia. Se abbiamo una cartuccia di colore rosso, per stampare un rosa l unica cosa che possiamo fare è mettere un puntino rosso e lasciare molto spazio bianco intorno in maniera da ingannare l occhio e dare una ``sensazione di colore rosa. Più cartucce di colore ci sono più siamo precisi nell approssimazione di colore (ma spendiamo parecchi soldi per sostituirle!)
Quanto grande posso stampare? È possibile calcolare il numero di pixel che mi occorrono per stampare una fotografia di una certa dimensione con una certa qualità di stampa? Sì Supponiamo di voler stampare la foto su un formato standard 11x15 cm Diciamo di voler stampare con una qualità medio/alta 300 dpi La prima cosa da fare è calcolare la dimensione della stampa in pollici 11 cm / 2,54 = 4,33 inches 15 cm / 2,54 = 5,90 inches La seconda cosa è calcolare quanti punti disegnerà la nostra stampante (lo sappiamo perché abbiamo scelto la qualità della stampa) 4,33 inches x 300 dpi = 1.299 dots (punti) 5,90 inches x 300 dpi = 1.770 dots (punti) Abbiamo il risultato! Visto che la nostra stampante a questo livello di qualità e per questa dimensione non riesce fisicamente a disegnare più (circa) 1.300 per 1.800 punti, la nostra macchina fotografica non ha bisogno di avere una risoluzione maggiore di 1.300 x 1.800 = 2.340.000 pixel (circa 2.3 Mpixel)
Quanto grande posso stampare? Se scegliessimo una qualità alta pari a 600 dpi Avendo già calcolato la dimensione in pollici della stampa, calcoliamo il massimo numero di punti 4,33 inches x 600 dpi = 2.598 dots (punti) 5,90 inches x 600 dpi = 3.540 dots (punti) Risultato 2.598 x 3.540 = 9.196.920 pixel (circa 9.1 Mpixel)
Quanto grande posso stampare? È possibile ance fare il calcolo inverso: se conosco la risoluzione della mia fotocamera, posso calcolare la massima dimensione della stampa avendo scelto una certa qualità? Riprendiamo l esempio della Nikon D1100 4.272 pixel di base, 2.848 pixel di altezza Diciamo di voler stampare con una qualità alta a 600 dpi. La prima cosa da fare è calcolare quanti pollici occorrono per stampare a quella qualità i punti a nostra disposizione 4.272 punti / 600 dpi = 7,12 inches 2.848 punti / 600 dpi = 4,75 inches La seconda cosa è convertire in centimetri 7,12 x 2,54 = 18.08 cm 4,75 x 2,54 = 12.06 cm Ecco le dimensioni massime della foto per questa qualità di stampa.