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Informazione binaria: – suoni, immagini, sequenze video –

Ingegneria Meccanica e dei Materiali

Università degli Studi di Brescia

Prof. Massimiliano Giacomin

Tipologie di codici

Informatica e Programmazione – Università di Brescia 2 Docente: M. Giacomin

•  Per la rappresentazione di:

–  caratteri alfabetici e testi

–  valori logici

–  numeri naturali

–  numeri interi relativi [val assoluto e segno, complemento a due]

–  numeri “reali” [virgola fissa e virgola mobile]

–  suoni, immagini e sequenze video

•  Codici per la rilevazione e correzione di errori

•  Codici di compressione (senza | con perdita)

La digitalizzazione •  Voce

•  Suoni

•  Immagini

•  Filmati

0010010100

rappresentazione anche approssimata tramite sequenze di bit

Informazione “continua”

Codifica digitale

Nel calcolatore

Elementi di Informatica e Programmazione – Università di Brescia 3 Docente: M. Giacomin

Un esempio semplice


Sensore di temperatura (1 valore)

0V

5V

L0

L1

L2

L3

00

01

10

11

Quantizzazione

•  Ma in generale la grandezza varia anche in un dominio, p.es.: - suono: valori (di volume) nel tempo - immagine bidimensionale: valori (colori) nel piano

•  Necessario campionamento

•  Problema: codificare in modo digitale una grandezza fisica (es. un suono) i cui valori sono (generalmente) infiniti e appartengono ad un intervallo continuo.

•  Soluzione: processo di digitalizzazione, o conversione analogico-digitale. Comprende due attività:

–  Campionamento: se la grandezza varia nel tempo (es. volume di un suono) o nello spazio (es. colore di un’immagine) selezione di un insieme finito di valori, ad intervalli costanti (nel tempo o nello spazio)

–  Quantizzazione: discretizzazione di ciascun valore campionato: approssimazione con uno dei valori previsti dalla codifica

Note ai lucidi precedenti


CODIFICA DI SUONI


Codifica digitale: 10 10 00 01 11 11 01


Note al lucido precedente

•  Nel caso del suono: - campionamento nel tempo - quantizzazione in ampiezza

•  Parametro del campionamento: - Frequenza di campionamento (Hz): campioni al secondo Es: FC = 5 Hz significa acquisire 5 campioni al secondo - Periodo di campionamento: intervallo tra campioni successivi TC = 1/FC (nell’esempio: TC=0.2 sec)

•  Parametro della quantizzazione: numero di bit dedicati alla codifica di un campione Es: con 2 bit codifico 4 livelli (4 valori diversi) con 8 bit codifico 256 livelli (256 campioni)

Rappresentazione dei suoni nei CD audio

•  Segnali audio: onde analogiche à campionamento + quantizzazioneà valori digitali

Frequenza di campionamento fc = 44.1 kHz (44.100 campioni) per i 2 canali (frequenze udibili dall’orecchio umano fino a circa 22 kHz)

16 bit/campione (2 byte per campione) à 65536 livelli di quantizzazione (65536 valori diversi per campione)

Nbit = F(durata, fc, bit/campione)

•  Dimensione richieste

Nello standard CDDA (CD Digital Audio) 70 minuti di registrazione richiedono: 70 x 60 x 44.100 x 2 x 2 byte ≈ 750 MByte


Dal mondo reale (analogico) al calcolatore (digitale)

CONVERSIONE ANALOGICO-DIGITALE (campionam. & quantizz.)

scheda audio

memorizzazione, eventuali elaborazioni…

…

Dal calcolatore (digitale) al mondo reale (analogico)

0010010100

Nel calcolatore

CONVERSIONE DIGITALE-ANALOGICA

scheda audio riceve i valori digitali e ricostruisce il segnale analogico


Alcuni formati audio

•  WAVE: .wav, dimensioni elevate (corrisponde – con un certo grado di approssimazione – a quanto visto nei lucidi precedenti)

•  MP3 (MPEG-1 Layer 3): grande diffusione su Internet. Utilizza tecniche di compressione per ridurre le dimensioni (vedi poi). MPEG nasce da un gruppo di lavoro di standardizzazione

•  MIDI (Musical Instrument Digital Interface): .mid, i file memorizzano non suoni ma comandi (es. le note musicali di un particolare strumento) che vengono inviati ai dispositivi MIDI per riprodurre i suoni, occupano molto meno spazio dei .wav.

Es: tastiera musicale + calcolatore permettono di suonare un brano su tastiera che viene automaticamente trascritto in notazione musicale in un file midi che può poi essere anche modificato


Maggie Cheung dal film “Hero” di Zhang Yimou (2002)


CODIFICA DI IMMAGINI

Campionamento


Quantizzazione

Per ogni pixel un certo numero di bit es. 3 byte (colori)

Codifica bitmap (raster) di immagini

immagine bitmap (o raster): rappresentata come matrice di pixel

•  Risoluzione: numero di pixel orizzontali X verticali •  Ad ogni pixel è riservato un certo numero di bit: - immagine in bianco e nero: 1 bit (bianco/nero) - immagine in scala di grigi: livello di grigio dal bianco al nero Es: 4 bit à 16 livelli di grigio

8 bit à 256 livelli di grigio - immagine a colori: ogni codifica corrisponde a un colore

Es: 8 bit à 256 colori 24 bit à 224 = 16M colori (più di 16 milioni)


•  Ogni colore è rappresentato da (un vettore di) 3 componenti: - quantità di: rosso (Red) / verde (Green) / blu (Blu)

•  Con 3 byte per colore: la quantità di ogni colore primario è data da un valore tra 0 e 255 (rappresentato da una sequenza di bit a partire da 00000000 fino a 11111111)

Codifica dei colori RGB

R=25, G=72, B=78

R=90, G=85, B=12

R=0, G=0, B=0 R=255, G=255, B=255


ESERCIZIO


Calcolare le dimensioni di memoria di un’immagine a colori RGB di risoluzione 800*600.

ESERCIZIO


Calcolare le dimensioni di memoria di un’immagine a colori RGB di risoluzione 800*600.

Soluzione

800* 600 * 3 bytes = 144 * 10000 bytes =

= 1,44 * 106 bytes ≈ 1,4 MB

[ 1,37 MB facendo i conti più precisi]

Immagini bitmap (o raster): ingrandimento e “sgranatura”



Codifica vettoriale di immagini

•  Immagini rappresentate tramite un insieme di elementi grafici (linee, rettangoli, ellissi, archi e curve)

•  Memorizzazione parametri (es. coordinate numeriche) che specificano forma e posizione: minore memoria (es. un cerchio solo centro e raggio, un segmento le coordinate degli estremi)

•  Necessaria un’operazione di rendering (rasterizzazione) che, a partire dalla descrizione matematica, produca l’immagine raster

•  Programmi di tipo draw (programmi di grafica vettoriale): es. Corel Draw, CAD, programmi di grafica tridimensionale

•  Vantaggi: –  Controllo accurato di linee e colori –  Ingrandimento, riduzione, rotazione senza perdita


Note al lucido precedente

Formati di file bitmap

•  BMP: formato standard per MS Windows, 24 bit per pixel, .bmp.

•  TIFF (Tagged Image File Format): alta qualità (32 bit per pixel), 16 milioni di colori (24 bit) + ulteriori proprietà, dimensioni file molto grandi, .tif, adottato da scanner e macchine fotografiche

•  Altri formati compressi (vedi poi): GIF (Graphic Interchange Format), JPEG (Joint Picture Experts Group), JPEG 2000


Formati di file vettoriali

•  DXF, DWG (adottati da Autocad)

•  WMF (Windows Metafile)

•  CDR (Corel Draw), AI (Adobe Illustrator)

Formati “misti”

•  Formati standardizzati orientati alla produzione di documenti destinati a stampa e visualizzazione:

–  Documenti in formato PS (Postscript) – l’applicazione GSview (Ghostview) legge il formato postscript, di fatto un linguaggio di programmazione che include comandi “grafici”

–  Documenti in formato PDF (Portable Document Format, formato di documento portabile)

•  Permettono di rappresentare: - testo - immagini bitmap - immagini vettoriali


CODIFICA DI SEQUENZE VIDEO

•  In teoria, una sequenza video è semplicemente una sequenza di fotogrammi (immagini): - campionamento nel tempo (successione di fotogrammi) - ciascun fotogramma rappresentato come immagine: campionamento nello spazio e quantizzazione

•  In pratica, le dimensioni risulterebbero troppo elevate. Facendo un conto “a spanne”, se un’immagine occupa 1 MB con 25 fotogrammi al secondo: - 25 MB al secondo - 25 x 60 MB al minuto = circa 1,5 GB al minuto!

Tecniche di compressione specifiche per le sequenze video


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