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SISTEMIMULTIMEDIALI APPUNTI DI DE SIMONE SALVATORE

Appunti del corso di Sistemi Multimediali dellanno solare 2011 su analisi dello studente De

Simone Salvatore

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Grafica e Rappresentazione dati dell'immagine

Definizione e componenti di un immagine digitale

Un Immagine digitale definibile come una funzione bidimensionale

z = f(x,y)

dove x e y identificano valori di posizione e i valori di z l'ampiezza della funzione o meglio definita come intensi-t/livello di grigio dell'immagine in quel punto. Per cui se l'immagine definita su scala di grigi allora l'immagineavr sfumature che vanno dal nero al banco; se invece un immagine a colori allora definita come combinazio-

ne di colori R,G,B.

Dato che l'immagine definita punto-punto inoltre l'immagine pu essere definita come un insieme di x*y coordi-

nate spazialidetti pixel, i cui valori dipendono dall'energia e dalla forma d'onda della sorgente .La funzione f(x,y) in realt data dal prodotto di due funzioni componenti:

1. Illuminazione: i(x,y) definita tra 0 e +inf;2. Riflettanza: r(x,y) definita tra 0 e 1.dunque in generale tale funzione compresa tra un valore L_min e L_max [0,L-1] deove il valore piu basso il ne-

ro e quello pi alto il bianco; i valori intermedi sono i livelli di grigio che separano nero e bianco.

Un immagine a k bit ha 2^k livelli di grigio per cui

L = 2^k

Digitalizzazione di un immagineIl processo di digitalizzazione dell'immagine necessario per effettuare il processing dell'immagine stesso. La

digitalizzazione pu avvenire:

sulla posizione: in tal caso si parla di campionamento; su intensit: in tal caso si parla di quantizzazione.

La prima figura riporta un campionamento non uniforme, mentre nella seconda applicato un campionamento

uniforme.Si osserva che si definisce risoluzione spaziale il numero delle linee pari per unita di distanza, mentresi definisce risoluzione in intensit la pi piccola discernibile differenza di intensit tra pixel.

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Immagini su Livelli di Grigio

Immagini a 1 Bit

L'immagine memorizzata su un bit un immagine che ammette un solo valore per ogni pixel, dunque la piu

semplice immagine che si possa visualizzare, dato che ogni pixel pu assumere solo o il livello nero o quello bian-

co.

Immagini a 8 Bit

Un immagine a 8 bit comprende 256 livelli di grigio che vanno da 0 a 255. Dunque possiamo considerare la no-

stra immagine come un array bidimensionale di valori di pixel. Tale array viene detta bitmap, ed memorizzato

all'interno della memoria della scheda video.

La visualizzazione a una certa risoluzione presuppone una certa bitmap per l'immagine, per cui si osserva che:

se la memoria della scheda video inferiore a quella necessaria per la risoluzione viene condivisa unaporzione di RAM per permettere la memorizzazione e la visualizzazione.

BITPLANE

Un meccanismo che permette di visualizzare agilmente un immagine su 8 bit mediante bitplane. L'immaginesu k bit viene divisa in tante bitplane da 1 bit ciascuno, per cui su quel piano avremo solo bit 0 e 1 per i colori

dei pixel. Cosi mediante questa suddivisione ogni piano avr pixel 0 e 1 ma la somma di tutti i bit dei piani

2^k. Il bit meno significativo in fondo e vale 0 o 2 mentre quello piu significativo vale 0 o 128. Dunque la rap-

presentazione dell'immagine codificata su una stringa di bit che mappa il numero e la posizione dei piani di bit

attivi, in modo da permettere una certa risoluzione

.

DITHERING

Il processo di stampa di un immagine a k bit genera alcuni problemi, dovuti al meccanismo di stampa. Una

stampante infatti stampa punti per cui stampare un immagine a certa risoluzione non semplice, se non si adot-

ta un meccaniscmo detto dithering che sacrifica la risoluzione di ampiezza per quella posizionale.

Tipi di immagini a colori

Introduciamo ora i piu famosi tipi di dati di immagine, a partire da quelle a colori con memorizzazione a 24 bit e

8bit per i colori di ogni pixel. Tuttavia tali tipi sono ristretti al sistema operativo usato e sottoposte a schemio di

compressione per ridurre lo spazio richiesto per la memorizzazione dell'immagine stessa.

Alcuni schemi di compressione per si caratterizzano per la perdita o meno di risoluzione.

Immagini a 24 bit

Per le immagini a 24 bit abbiamo che i colori possono essere memorizzati su 3 byte(1 per il R,1 per il B, 1 per il

G), il che ci fa capire che per ogni pixel abbiamo 256*256*256 combinazioni possibili di colore, il che comporta

anche un incremento delle dimensioni di memorizzazione dell'immagine stessa.

Inoltre tali immagini solitamente vengono memorizzate su 32 bit perch a ogni byte ne va sommato uno extra per

particolari effetti applicati all'immagine stessa.

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Immagini a 8 bit

Abbiamo visto che per le immagini a 24 bit abbiamo una richiesta ingente di memoria per la memorizzazione, per

cui bisogna agire sul contenuto informativo dei colori per ridurre tali dimensioni. La quantizzazione di tali informa-

zioni avviene mediante l'utilizzo di una tabella LUTs, detta anche lookup table.La strategia messa in azione la memorizzazione non dei 3 bit di tutti i colori , ma di un indice dei soli pixel colo-

rati. Tali indici fanno riferimento a una tabella , la LUT, che contiene valori di 3 bit per le 3 colonne che identifica-no il colore R, G e B.

Dunque verranno memorizzati solo i pixel colorati, risparmiando dunque memoria per i pixel bianchi o neri cheandavano comunque codificati su 3 bit. La tabella LUT viene dunque chiamata palette.

Formati di immagini a colori

Immagini GIF

Il formato GIF viene introdotto per favorire la trasmissione delle immagini attraverso linea telefoni-ca. Sostanzialmente permette la memorizzazione delle immagini con colori su 8 bit, dunque per unmassimo di 256 colori fondamentali ed utilizza uno schema di compressione LZW.Il primo standard fu il GIF87 che poi venne subito sostituito con il formato GIF89 che introdussedegli Extension Blocks per lintroduzione di funzionalit di animazione.

Origini

La sua struttura molto semplice e viene ripresa successivamente dagli altri formati immaginecome il JPEG che ne riprende anche alcune tecniche di rendering come linterlacciamento.

Si basa su una struttura formata da: Signature di 6 byte; Screen Descriptor di 7 byte: contiene informazioni relative alle propriet dellimmagine

stessa;

Struttura

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Local Color Map: Ogni GIF puo contenere anche piu immagini, dunque in una gif possiamoavere piu color map; tuttavia se non definita una local map si utilizza una Global ColorMap.

Analizziamo ora la struttura dello Screen Descriptor, definito subito dopo la Signature.I primi 4 byte sono riservati allaltezza e larghezza dellimmagine. Il 5 byte invece composto davari flag:

M: solitamente nullo, indica lassenza di local map, definito su un bit; Cr: su 3 bit, definisce la risoluzione dei colori; Bit 0: bit di default; Pixel: solitamente coincidente con cr, su 3 bit.

Il 6 byte invece riservato a 8 bit di codifica per il colore di backround dellimmagine, mentrelultimo byte segna la fine del descrittore ed formata da 8 bit tutti nulli.

ScreenDescriptor

Sotto il descrittore si trova la Color Map di estensione 2 pixel+1 ed formato da ripetizioni di combina-zioni di colori RGB associati , in triple a indici di colore corrispondente.

Color Map

La visualizzazione dellimmagine avviene mediante tecnica di interlacciamento che prevede la vi-sualizzazione dellimmagine in modo progressivo in 4 passaggi per righe di bit. Vengono prima v i-sualizzate la riga 0 e 8 , poi la 4 e 12 e cosi via. Tale tecnica adottata anche nel formato JPEG,definita come tecnica di visualizzazione progressiva dellimmagine.

Interlac-ciamento

Nel GIF89 inoltre vengono previsti degli Extension Block che permisero, in prospettiva futura di ag-giungerefunzionalit di animazione al formato in questione mediante un meccaniscmo di ordina-mento dei colori principali.

ExtensionBlock

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Formato JPEG

Il formato JPEG venne creato da un workgroup della ISO (Joint Photografic Expert Group) OriginiLa dimensione dellimmagine JPEG molto ridotta poich i meccanismi di compressione si basanosul concetto seguente:

La visione delluomo non riesce a definire i minimi dettagli di un oggetto Dunque la compressione dellimmagine avviene operando un clustering dellinformazione dei c olorimediante tecniche che permettono di analizzare limmagine nel dominio della frequenza , inveceche in quello spaziale , operando una trasformazione

(x,y) -> (u,v)

Compres-sione

La qualit dellimmagine, che pu andare persa per via della compressione LZW, viene misuratamediante un fattore di qualit Q che solitamente al 75 %

Fattore diqualitFormato PNG

Il formato PNG viene definito per dare una certa indipendenza dellimmagine dal s istema in uso perla visualizzazione. Nasce inoltre per sostituire il formato GIF per la trasmissione dellimmagine.

OriginiAggiunge il supporto a 48 bit per colore. Codifica deicoloriFormato TIFF

Il formato TIFF viene sviluppato dalla Aldus Corporation e supportato dalla societ di Bill Gates, Mi-crosoft.

OriginiIl suo sviluppo permette di integrare, allinterno delle immagini vari tag che permett ono di definire

lo schema di compressione utilizzato per la memorizzazione dellimmagine. Dunque un immagineTIff pu essere definita con colori a 1 bit (mono), 8 bit e 24 bit RGB.

Tag e Codi-fica dei co-lori

Formato EXIF

Il formato EXIF viene introdotto per la rappresentazione di immagini scattate con macchina fotogra-fica.

OriginiSimilmente al caso del TIFF, introduce dei TAG che permettono la conoscenza di particolari infor-mazioni relative allimmagite, tipo le condizioni di luce, gli effetti ed altri dettagli che riguardanolimmagine stessa.La compressione simile a quella adottata dal JPEG.

Tag e Codi-fica dei co-lori