Novembre 2012 1 ing Roberto SPEDICATO. Digitalizzazione Novembre 2012 2 ing Roberto SPEDICATO.

DIGITALIZZAZIONE di AUDIO, IMMAGINI e VIDEO

Novembre 2012 1ing Roberto SPEDICATO

Digitalizzazione

Qualunque immagine, suono o filmato deve essere in formato digitale per poterlo visualizzare o modificare con un pc o per inserirlo in pagine web.


Audio digitale


Rappresentazione del Suono


Il suono, trasformato in segnale digitale, occorre che:

Sia verosimile al suono originale (che è analogico);

Garantisca la possibilità di elaborarlo in modo efficiente con un pc.

Vediamo come si passa dal suono (analogico) al

segnale digitale

Rappresentazione analogica


Un suono, attraverso un microfono, si trasforma in segnale elettrico visualizzabile con dei segnali continui nel tempo di forma sinusoidale con ampiezza e frequenza variabile

Rappresentazione digitale


Occorre allora trasformare questo segnale in sequenze di bit che conservano l’informazione del suono. Tale operazione si fa attraverso 3 fasi: - Campionamento – Quantizzazione - Codifica.

Campionamento Quantizzazione

Codifica binaria

10001001010001

Segnale analogico Segnale campionato

Segnale digitale

Segnale quantizzato

Dal suono al segnale digitale


Suonoonda dipressionedell’aria Microfono

Converte il suono in segnale elettrico

Cavo elettrico 1Trasporta il segnale elettrico analogico fino al ADC

Analog toDigitalConverter

Cavo elettrico 2Trasporta il segnale elettrico digitale verso il computer

Scheda audio PCConverte il segnale elet. in segnale digitale

Il convertitore Analogico/Digitale (ADC) alloggiato nella scheda audio consente digitalizzare il segnale proveniente dal microfono

Campionamento


Il campionamento consiste nel prelevare, ad istanti regolari, un campione dell’ampiezza della curva che rappresenta il suono.

Maggiore è il n. di campioni in 1 secondo, più fedele sarà il suono.

Si definisce Sampling Rate (SR) la frequenza di campionamento

Campionamento


Quantizzazione


Quantizzare significa suddividere le ampiezze del segnale (sull’asse Y) in un certo n. di valori, a seconda del n. di bit utilizzati per la codifica (è detta anche profondità di bit).

- a 8 bit si hanno 28 = 256 valori,

- a 16 bit si hanno 216 = 65356 valori da assegnare alla forma d’onda.

Avere un suono stereo richiede, poi, di digitalizzare 2 canali (destro e sinistro).

Il BIT-RATE indica il numero di bit per secondo (Kbps) che vengono prodotti dalla digitalizzazione del suono. È anche il flusso di bit che vengono letti dalla scheda audio in 1 sec.

Bit-rate=N. di campioni/s * profondità di bit * n. di canali

es. di Bit –rate per CD Audio 44.100 campioni * 16 bit * 2 canali = 1,41 Mbps

BIT - RATE


Riproduzione del Suono


Suonoonda dipressionedell’aria

Cavo elettrico 2Trasporta il segnale elettrico analogico fino alla cassa

Digital toAnalogConverter

Cavo elettrico 1Trasporta il segnale elettrico digitale verso il DAC della scheda audio

Cassa AcusticaTrasforma il segnale elettrico analogico in suono

Il processo inverso, che trasforma l’informazione (cioè il segnale elettrico) da digitale ad analogica è svolto dal D.A.C. (Digital to Analog Converter), posto nella scheda audio; tale segnale viene successivamente trasformato in onda sonora dalle casse acustiche.

L’orecchio umano riesce a udire suoni da 20 Hz a 20KHz con una sensibilità maggiore nell’intervallo tra 2 e 4 KHz

(la voce umana in genere varia da 500 Hz a 2KHz) Per il teorema di Shannon-Nyquist la frequenza di

campionamento di un’onda sonora deve essere almeno doppia rispetto alla massima frequenza da riprodurre.

Campionamento CD Audio


Per la voce un campionamento accettabile è di 8 bit a 22 KHz

1 minuto di audio digitale stereo a 44.100 Hz equivalgono a circa 10 Mbyte per questo motivo in un Cd audio trovano posto circa 70 min. di musica.

Produzione del Suono


Esempi di Digitalizzazioni


SW per editing audio


Immagini digitali


LA CODIFICA DELLE IMMAGINI

Anche le immagini possono essere memorizzate in forma numerica (digitale) suddividendole in milioni di punti, per ognuno dei quali si definisce il colore in termini numerici.

Ogni quadratino di questa griglia prende il nome di pixel (picture

element). Ad ogni pixel può essere assegnato un valore binario ad es. 0 se nel quadratino prevale il bianco e 1 se nel quadratino prevale il grigio.



Contando i quadratini dalla riga in basso e da sinistra, si può assegnare a questa figura geometrica la seguente serie di bit: 0000000000 0111111110 011110000 0110000000 0000000000

Che si memorizza in un file con nome ed estensione, es. rettangolo.bmp

0000000000

0111111110

0000111110

0000000110

0000000000



0000000000 0111111110 011110000 0110000000 0000000000

0000000000

0111111110

0000111110

0000000110

0000000000



Aumentando il numero dei quadratini, (pixel) in cui scompongo l’immagine la digitalizzazione sarebbe più precisa

11111111111111111111

1111111111

111



Quindi con 1 bit per pixel potrei codificare assenza o presenza di nero. Ma anche le immagini in bianco e nero hanno diverse sfumature (livelli di grigio).


Quindi, se usassi 2 bit per descrivere ogni pixel avrei la possibilità di diversificare 4 tonalità di grigio diverse


Assegnando 8 bit (un byte) ad ogni pixel posso differenziare 256 livelli di grigio.

E per le immagini a colori?


DEFINIZIONE DEI COLORI

In ogni punto, per rappresentare un qualsiasi colore dello spettro, è sufficiente definire l’intensità dei 3 colori fondamentali.

Il numero di bit utilizzati per rappresentareil colore di un singolo pixel si chiama PROFONDITA’ DEL COLORE

Disponendo di un byte per ogni componente di colore, potremo rappresentare 256*256*256 = 16.777.216 colori.


Bitmap o Raster

Ciascun pixel contenuto in una immagine bitmap (mappa di bit) o raster (linee orizzontali tracciate elettronicamente) possiede 4 proprietà fondamentali:

Dimensione (Risoluzione)

Tonalità

Profondità di colore

Posizione


Dimensione-Risoluzione

tutti i pixel contenuti in una immagine digitale hanno dimensioni identiche. La loro dimensione è determinata dalla risoluzione alla quale l’immagine viene digitalizzata

Es. 600 ppi (points per inch=punti per pollice) indica che ciascun pixel misura 1/600 di pollice

(1 pollice = 2,54 cm)


Risoluzione

Risoluzione

La 1a immagine vista a differenti risoluzioni


Alta e Bassa Risoluzione


Tonalità

I dispositivi di digitalizzazione assegnano un solo colore o valore di grigio a ciascun pixel, l’illusione dei toni continui si ottiene quando i pixel sono piccoli e quelli adiacenti variano leggermente l’uno dall’altro


Profondità di colore

È il numero di bit che viene assegnato a ciascun canale RGB del pixel, ciò determina quanti valori diversi può assumere il colore in quel pixel.

Es. con 8 bit per oguno dei colori: Rosso, Verde e Blu si ottengono 224=oltre 16 milioni di colori

2 bit 4 bit 8 bit 24 bit


Posizione

Sono le coordinate di riga

e colonna che ne

stabiliscono la posizione

all’interno della griglia in cui

è stata suddivisa l’immagine




Il colore è un’importante informazione per la rappresentazione di una immagine

Per poter rappresentare un colore esistono diversi modelli.

Indipendentemente dalla natura fisica del colore esistono diversi metodi per la definizione dei colori:

HSB (Hue, Saturation, Brightness = Tinta, Saturazione, Brillantezza) RGB (Red, Green, Blue) CMYK (Cyan, Magenta,Yellow e Black)

Combinazioni di colori-RGB

Il più diffuso è il modello RGB, acronimo di Red Green Blue.

Tale modello è detto additivo, in quanto sfrutta il fatto che ogni colore è rappresentabile come somma di una certa quantità di rosso, di verde e di blu.

I colori fondamentali Red Green Blue sono usati per produrre luminosità, come nell’immagine accanto, dalla cui massima combinazione deriva il bianco (usato, ad es., per i colori su monitor)


Grigio scuro303030

Blu25500

Verde02550

Rosso00255

Nero000

Bianco255255255

Colori risultanti

3°byte

blu

2° byte

verde

1° byte

Rosso


Combinazioni di colori-RGB

Combinazioni di colori-CMYK

Oppure i colori utilizzati possono essere il Ciano Magenta e Giallo (CMY) usati per

sottrarre luminosità, come nel caso della combinazione, dalla cui massima combinazione deriva il nero (usato, ad esempio, per produrre delle stampe su carta).

Per esaltare il colore nero, alle stampanti si aggiunge una cartuccia di colore nero=BlaK a ciano, magenta e giallo, da cui lo standard CMYK


Il modello HSB


Nel modello HSB ogni colore è espresso da 3 numeri che indicano: tinta, saturazione e luminosità. La Tinta (Hue, pronnucia=hiu), esempio: rosso, giallo, verde, blu,

viola, ecc... , viene espressa in valori compresi tra 0° e 360° misurato sulla ruota dei colori, partendo dal rosso a 0° e 360°, il giallo a 120° e cosi via.

La Saturazione è la quantità di colore: - saturazione bassa = colori pastello, - saturazione alta = colori accesi. - Viene compresa fra 0 (assenza di colore) e 255 (colore pieno). La Luminosità è la quantità di bianco presente nel colore. Può essere aumentata aggiungendo più bianco oppure diminuita aggiungendo più nero. I valori della luminosità vanno da 255 (bianco) a 0 (nero).


Poiché si utilizzano 3 byte per rappresentare ogni pixel, queste immagini vengono definite a 24 bit.

Una immagine a colori di 100x100 pixel avrà bisogno di

100 x 100 x 3 byte = 30.000 byte di memoria.


B/N

1 canale

1 bit per canale

b/n

81 kbyte

Scala di grigi

1 canale

8 bit

256 toni di grigio

638 Kbyte

Scala di colore

1 canale

8 bit

256 colori

638 Kb

RGB

3 canali

8 bit

16 mil. Di colori 1870 Kb

CMYK

4 canali,

8 bit per canale

2490 Kb


Differenti scale di colori

Risoluzione delle immagini

La Risoluzione di un’immagine rappresenta il numero di punti, calcolato come Numero Colonne x Numero Righe, la (es. 640x480).La risoluzione può venire espressa, però, anche in:- ppi (point per pollice) o- dpi (dot per inch) (es. 300 dpi)


Bitmap e Risoluzione

Il formato di rappresentazione per punti che

abbiamo visto è definito BITMAP (o RASTER).

È particolarmente adatto per riprodurre

fotografie, dipinti e tutte le immagini per le quali

ogni punto è significativo e deve essere descritto

da un singolo elemento indipendente.


Immagini Vettoriali

Per immagini più simili a disegni che a

fotografie, è possibile definire la figura intermini matematici: oggetti geometrici dibase, quali curve, cerchi, ellissi, rettangoli,linee, ecc..

Tale tipo di rappresentazione

d’immagini si definisce vettoriale.

In tale formato è presente tutta l’informazione necessaria a riprodurre l’immagine, a prescindere dalle dimensioni, pertanto si elimina il problema legato al rapporto tra risoluzione e definizione (per ingrandire o ridurre si agisce sulle coordinate).

In più avrà un minor ingombro di memoria.

Il formato vettoriale non si presta per rappresentare immagini composte da continue variazioni di colore, quali ad esempio le fotografie.


Formati dei File Grafici

I principali “formati” dei file grafici suddivisi in 2 categorie fondamentali:

I formati adatti alla stampa (.tif o .tiff, .eps, )

I formati per la multimedialità e la visione in rete (.jpg o .jpeg, .gif, .bmp)


http://www.fileinfo.com/filetypes/raster_image

http://www.fileinfo.com/filetypes/vector_image









Formati per la stampa - TIFF

TIFF (.tif) Tagged Image File Format

Si tratta di un formato molto versatile che permette di salvare le immagini in varie modalità: bianco e nero, scala di grigio, colori RGB, colori CMYK.

Si può inoltre usare un sistema di compressione non distruttiva, che non elimina alcuna informazione né degrada la qualità dell’immagine chiamato LZW (Lempel-Ziv-Welch) e che riduce le dimensioni del file di circa il 50%


Formati per la stampa-EPS

EPS (.eps) Encapsulated PostScript File

Impiegato inizialmente per i disegni vettoriali si è poi diffuso come standard anche per le immagini raster.

Deriva dal linguaggio per stampanti PostScript

Include nel file una anteprima, che può essere utile ma ne aumenta le dimensioni.


Formati per Internet e la multimedialità:

JPEG (.jpg, .jpeg) Joint Photographic Expert Group

Ha una compressione con ”perdita di dati”

La sua principale caratteristica è quella di poter scegliere il livello di compressione e di modulare quindi il rapporto tra qualità dell’immagine e dimensioni del file.


Formati dei File Grafici- JPG

Formati dei File Grafici- JPEG

Compressione distruttiva significa che ad ogni nuovo salvataggio del file si produce una ulteriore compressione, e un ulteriore deterioramento dell’immagine.

È riconosciuto dalla maggioranza dei sw di elaborazione e costituisce uno standard web per le immagini fotografiche.Per le sue caratteristiche viene utilizzato come formato finale e non si presta a successive elaborazioni.

L’algoritmo che adotta, opera per differenze su aree, quindi può riprodurre fedelmente, con ottimi rapporti di compressione, immagini con gradazioni e sfumature di colore, o ad “alto rumore” mentre risulta particolarmente distruttivo ed inadeguato nella rappresentazione di campiture uniformi.

le scritte sono inadatte al jpeg

1°

Salv

ata

gg

io2°

Salv

ata

gg

io3°

Salv

ata

gg

io


Formati dei File Grafici- GIF


GIF (.gif) - Graphics Interchange Format

È un formato relativamente povero, in quanto riduce a 256 la gamma dei colori, utilizzando una codifica che si basa sul’uso di una PALETTE

Trova largo uso in Internet per la rappresentazione di elementi grafici come pulsanti, scritte, logo e animazioni. Permette inoltre di rendere gli oggetti “trasparenti” e di poterli quindi integrare con gli sfondi di una pagina web.



BMP (.bmp) - Bitmap

Sviluppato per essere compatibile con tutte le applicazioni Windows.

Può salvare in b/n , in scala di grigi, in scala di colore e in RGB, ma non in CMYK.

Non essendo dotato di compressione produce file di dimensioni consistenti.


Formati dei File Grafici- BMP

VIDEO E ANIMAZIONI

Per rappresentare una sequenza di immagini si possono memorizzare tutti i fotogrammi uno dietro l’altro.

Oppure, per ridurre la quantità di informazioni del filmato, si può memorizzare il primo fotogramma e poi registrare solo le modifiche rispetto ai fotogrammi precedenti.

È inoltre possibile comprimere le informazioni residue ignorando le variazioni di colore così piccole da non poter essere colte dall’occhio umano in un’immagine in movimento.

Ma tutto questo verrà approfondito in altra occasione



FineGrazie per la cortese

attenzione !!!

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