Codifica delle immagini (parte I) Prof. Marco Dell Oro December 11, 2013 1 Elementi della codifica Le immagini digitali sono risultato della composizione sugli schermi di una serie di elementi di colore diverso (pixel) che affiancati compongono la riproduzione di un disegno o di una fotografia. Vi sono due tecniche fondamentali per riprodurre queste immagini: Immagini raster (griglia) o bitmap (mappa di bit), essenzialmente fotografie o immagini scansionate Immagini vettoriali, solitamente disegni, riscalabili e modificabili tramite formule matematiche Queste immagini possono essere riprodotte dagli schermi dei dispositivi informatici o elettronici (computer, tablet, televisori digitali ecc), eventualmente elaborate (pensiamo al fotoritocco!) e stampate. Il trattamento delle immagini digitali ha cambiato profondamente il mondo della stampa, della fotografia e dell arte anche a livello professionale. Le tecniche vettoriali permettono di effettuare elaborazioni molto sofisticate e permettono di adattare le immagini a svariate situazioni. La riproduzione dei colori é l elemento basilare per creare delle immagini digitali, e per 1
poter descrivere meglio le caratteristiche di questi colori utilizzeró due programmi freeware adatti alla gestione, modifica, creazione di immagini. Si tratta di GIMP e INKSCAPE, programmi nati in ambiente Linux ma disponibili anche in altri sistemi operativi, tutti scaricabili gratuitamente dalla rete. 2 Immagini bitmap o raster Possiamo immaginare queste immagini come formate da griglie di pixel, ovvero elementi quadrati di colore diverso, che essendo molto piccoli alla vista formano immagini continue, ma se vedessimo nel dettaglio potremmo vedere sgranate o con effetti di distorsione rispetto all originale. Pensiamo quindi di costruire una griglia 12 10 per rappresentare un immagine: Se volessi Figure 1: Griglia e immagine da riprodurre riprodurre questa immagina la griglia mi permetterebbe di utilizzare 120 quadrati, ciascuno di colore diverso, ma quale? Dipende da quali colori abbiamo a disposizione, perció se avessimo un vecchio schermo nero/bianco, ma anche un display a cristalli liquidi di un apparecchio elettronico, dovrei fare in questo modo: La griglia potrebbe rappresentare quindi i singoli bit di memoria utilizzati: Ovviamente in questo modo l immagine é deformata e irriconoscibile, ma quanto spazio occupa questa immagine nella memoria? Per avere due colori basta avere un bit a disposizione, con 2 1 combinazioni possibili, quindi l immagine ha dimensione in memoria pari a 120 bit. Per migliorare la qualitá dell immagine ho due strade: Aumentare il numero di colori possibili 2
Figure 2: Immagine riprodotta con 120 bit in modalitá B/N 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Aumentare il numero di pixel della griglia La prima scelta richiede piú spazio in memoria per ogni pixel, perché con un bit possiamo solo avere 2 colori, dovremmo avere almeno 2 bit per pixel. Tuttavia se avessi piú di due colori dovrei anche disporre di uno schermo che supporti diversi colori, e noi per ora non ne disponiamo. La seconda scelta richiede piú spazio in memoria ma per ogni pixel abbiamo bisogno sempre di un solo bit. Scegliamo una soluzione 1200 100 perció occuperemo 1200000 bit (146 kb). Nel caso di immagini stilizzate il risultato non é malvagio, e anche nel caso del disegno Figure 3: Immagine riprodotta con 1200000 bit tecnico pu øessere utile utilizzare semplicemente 2 colori (in modo da risparmiare memoria). Tuttavia per la riproduzione di immagini e fotografie piú complesse é necessario ricorrere ad un numero di colori maggiore, utilizzando piú bit per ogni pixel, per esempio utilizzando da 2 a 8 bit per pixel. Con 2 bit posso riprodurre 2 2 = 4 colori diversi, con 8 bit 2 8 = 256 3
colori. Se il nostro intento fosse quello di stampare immagini digitali con una stampante, e avessimo a disposizione un solo colore (es. stampanti laser) allora potrebbe andare bene una codifica a 8 bit con una scala di grigi (256 colori dal bianco al nero). Pur utilizzando inchiostro di un solo colore, la differenza tra un immagine binaria e una in scala di grigio e evidente. Se finalmente avessi a disposizione inchiostri di colori diversi, e uno schermo capace di riprodurre i diversi colori (ora tutti lo possono fare, in passato non era cosı, e se pensiamo ai telefoni cellulari meno recenti, o ad alcuni display di macchine industriali) potrei decidere di utilizzare sempre da 2 a 8 bit per colore, ma non pi u tilizzando solo i grigi, bensı una certa gamma di colori che mi possa rappresentare al meglio l immagine (da 4 a 256 colori). Se volessi una qualita ottimale del colore potrei utilizzare la codifica RGB che utilizza un byte (8 bit) per ogni colore primario, disponendo quindi di una tavolozza di 224 = 16777216 colori. Riassumendo le modalita di rappresentazione sono le seguenti: immagini binarie: 1bit per ogni pixel, 2 colori (bianco e nero) immagini in scala di grigio: da 2 bit per pixel (4 grigi) a 8 bit per pixel (256 grigi) immagini a pseudocolori: da 2 bit per pixel(4 colori) a 8 bit per pixel (256 colori) immagini a colori: RGB (16777216 colori) La modalita di rappresentazione RGB utilizza quindi una tavolozza di colori molto ampia, che viene determinata in base alle proprieta dei colori primari utilizzati negli schermi e nei dispositivi di stampa, frutto di studi nel campo della fotografia e della grafica. Il numero di bit a disposizione di ogni pixel si chiama Profondita di colore. Figure 4: La stessa immagine in codifica binaria e a scala di grigi La densita dei pixel che compongono l immagine digitale si chiama Risoluzione, e si 4
Figure 5: La stessa immagine codificata con tavolozza di 256 colori e RGB misura in ppi ovvero pixel per inch, dove l inch e il pollice, corrispondente a 2, 4cm. Le immagini sono bidimensionali, percio se un immagine ha una risoluzione di 10ppi significa che in un quadrato di area 1inch 1inch sono presenti 10 10 pixel, ovvero 100 pixel. La risoluzione ha un significato in relazione alla stampa o alla visualizzazione dell immagine, perch e si riferisce alle sue dimensioni reali (ma come sappiamo possiamo visualizzarla anche in una scala differente). Il concetto di dimensione per un immagine digitale e duplice, perche si puo parlare di dimensione fisica, ovvero la dimensione che assume su un supporto di visualizzazione o in una stampa e di dimensione in pixel, ovvero il numero totale di pixel presenti in un immagine. Se misuriamo in pollici (inch) la dimensione fisica, possiamo scrivere la seguente formula: dimensionepixel = dimensionef isica risoluzione (1) Manipolando un immagine possiamo quindi agire in 3 modi: 1. Mantenere costante il numero dei pixel, variare la dimensione fisica modificando il lato del pixel 2. Modificando il numero di pixel, modificare risoluzione e lato del pixel, mantenendo pero la dimensione fisica dell immagine 3. Mantenendo costante la risoluzione, modificare contemporaneamente la dimensione fisica e la dimensione in pixel Un programma gratuito (freeware) che permette di manipolare questo tipo di immagini e GIMP, mentre il piu noto a pagamento (e un software proprietario) e Adobe Photoshop) anche se molti altri programmi meno potenti permettono di elaborare foto e immagini, anche on-line. 5
Figure 6: Il logo vettoriale riscalato non perde qualitá 3 Immagini vettoriali Le immagini vettoriali sono create a partire da entitá geometriche (punti, linee, ecc.)che costruiscono una struttora degli oggetti componenti l immagine, costituendo dei disegni che possono essere manipolati da funzioni matematiche (per esempio vengono ruotati o ingranditi, o colorati) risultano indipendenti dalla risoluzione. Come é possibile? Ogni oggetto é definito in modo bidimensionale da formule nel piano cartesiano, o in tre dimensioni nello spazio secondo un sistema di riferimento vettoriale, perció non vengono salvati dei pixel fissi ma delle formule che costruiscono le singole entitá geometriche. Pochi programmi di grafica possono manipolare questo tipo di immagini, per esempio Adobe Photoshop e Adobe Illustrator, mentre il software gratuito piú efficace é Inkscape. Un esempio di utilizzo é quello dei loghi di aziende ed enti pubblici, che devono essere utilizzati a varie scale (sulle confezioni, sui volantini, su cartelloni pubblicitari, nel web, ecc.) quindi devono essere riscalate secondo le esigenze, senza perdita di qualitá. Le immagini vettoriali devono essere rasterizzate ovvero trasformate in immagini bitmap, oppure utilizzate all interno di progetti grafici complessi che verrano esportati nel formato bitmat solo al termine. 6